硅基光电子材料和市场展望

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引言
: l4 ~! [0 y3 f$ f近年来，人工智能（AI）和云计算的指数级增长推动了高速数据传输需求的激增。随着传统铜基互连接近其物理极限，硅基光电子技术成为满足现代数据中心不断增长的带宽需求的有力解决方案。本文将探讨硅基光电子的基础知识、关键组件以及其在革新数据中心互连方面的潜力[1]。

硅基光电子的兴起
硅基光电子将光通信的优势与硅基半导体制造的可扩展性和成本效益相结合。通过将光学组件集成到硅芯片上，这项技术能够实现比传统铜互连更快、更节能、传输距离更长的数据传输。

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图1展示了不同数据速率下铜和光互连的传输损耗比较，突出了随着速度增加光传输的优势。

/ `5 y" Z# X) ^9 u数据中心不断增长的带宽需求是推动硅基光电子技术采用的主要驱动力之一。随着我们向400G、800G甚至1.6T传输速度迈进，传统铜互连由于信号完整性问题和功耗问题而难以跟上。
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$ {2 ^2 Q# I9 O/ T# U硅基光电子的关键组件
要理解硅基光电子，了解其关键组件非常重要：

1. 激光器：光源是任何光学系统中的关键组件。在硅基光电子中，激光器通常由III-V族半导体材料制成，如磷化铟（InP）或砷化镓（GaAs）。

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图2展示了光通信中使用的不同类型的激光器，包括VCSEL、DML和EML，以及各自的特性和应用。

9 Q& g+ O3 K5 u$ `3 X( f0 W8 n2. 调制器：这些器件将数据编码到光信号上。常见类型包括马赫-曾德调制器（MZM）、微环调制器（MRM）和电吸收调制器（EAM）。
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) r$ m- m  i% ~" X图3比较了硅基光电子中使用的不同类型调制器（MZM、MRM和EAM），突出各自的优缺点。

" R( }2 g6 A% D2 \! e3. 波导：这些结构在硅芯片中引导光，充当光线路的"导线"。
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4. 光电探测器：这些组件将光信号转换回电信号以进行处理。

5. 复用器/解复用器：这些器件结合或分离多个波长的光，实现波分复用（WDM）以增加数据容量。
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: s- B" A0 f0 |. ~硅绝缘体（SOI）晶圆
" R1 p" W! K# [0 B/ G4 ^# x硅基光电子的基础是硅绝缘体（SOI）晶圆。这种专用衬底由三层组成：

硅衬底

埋氧化层（BOX）

顶层硅
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图4显示了硅基光电子中使用的硅绝缘体（SOI）晶圆的结构，突出了三层组成。
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  r, a' @4 Y) P' I; D& g# B- P顶层硅用于创建波导和其他光学结构，而埋氧化层提供光学隔离。硅和二氧化硅之间的高折射率对比使得光能有效地被限制和操纵。
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5 h- }+ c1 L9 q; w" \4 l; U集成挑战和解决方案
( H& I' R0 F9 s# V- V1 S/ @' Z硅基光电子面临的最大挑战之一是将III-V族激光器与硅芯片集成。为解决这个问题，已经开发了几种方法：
, D  b0 V' }7 ?4 `( D1. 芯片到晶圆键合
8 I; I" w) v- M! e2. 倒装芯片集成
3. 转印技术

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- l! s0 W. I# d. I图5说明了将III-V族激光器与硅基光电子芯片结合的不同集成技术，包括芯片到晶圆键合、倒装芯片集成和转印技术。

* ^1 o/ p1 E$ b8 p7 M+ ]) r每种方法在可制造性、成本和性能方面都有优缺点。正在进行的研究旨在改进这些集成技术，并开发新方法以实现无缝的光电集成。
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8 V3 ]& N0 p( Z& F' c+ M: j数据中心互连的演变
$ L* d; P) Q5 |( v$ l% G随着数据中心不断发展以满足不断增长的带宽需求，光互连的架构也在变化。行业正从传统的可插拔收发器向更集成的解决方案发展：

可插拔光学：当前标准，光收发器可以轻松插入或从交换机和服务器中移除。

板载光学（OBO）：光学组件直接安装在PCB上，减少传输损耗。

近封装光学（NPO）：光学引擎放置在交换机ASIC附近，进一步缩短互连距离。

光电共封装（CPO）：光学组件与交换机ASIC集成在同一封装中，最大限度地减少电互连长度。


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图6展示了数据中心光互连架构的演变，从可插拔光学到光电共封装（CPO）。

! z/ [* X& P% Z向CPO和其他集成解决方案的趋势是由下一代数据中心减少功耗、改善信号完整性和增加带宽密度的需求所驱动的。
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. |7 `' T+ S  F; I9 m市场趋势和未来展望
硅基光电子市场在未来几年将迎来显著增长。根据PDF中提供的数据：

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图7展示了2022年至2027年硅基光电子芯片应用的市场预测，显示各个领域的强劲增长。
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主要增长驱动因素包括：
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数据中心收发器

光电共封装（CPO）

用于芯片到芯片通信的光学I/O

用于传感应用的激光雷达和光纤陀螺仪

消费级生物传感器和医疗设备

7 d5 S' Y1 C. q' o/ b随着技术的成熟，我们可以预期硅基光电子技术将扩展到数据中心应用之外的领域，如高性能计算、汽车和消费电子。
" @  D* A* C$ d: C0 |* P3 w
- T0 ]. w2 h  X& x行业格局和供应链
% d; B: c7 C  f( T) E3 A% M7 s硅基光电子行业目前由少数几家主要公司主导，主要来自美国。英特尔、思科和博通在数据通信收发器出货量方面领先市场。

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/ t, x  u4 Q8 i2 n: q* O图8显示了2022年全球数据通信光收发器出货量的市场份额，突出了英特尔和思科等主要参与者的主导地位。

  k! l& [* R) ~8 `% ^3 j: [然而，这一格局正在快速演变，新进入者和合作正在重塑供应链。晶圆厂、设计公司和封装公司都在争夺不断增长的硅基光电子市场份额。
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) n2 x5 b, l& G5 w7 n: x2 i! ]( f图9说明了硅基光电子供应链，展示了设计公司、晶圆厂、模块Assembly公司和最终客户之间的关系。

结论
. Z+ f5 U; h6 V0 p硅基光电子技术代表了数据中心互连的范式转变，为实现空前的带宽、能效和集成密度提供了可能。随着技术的不断成熟，可以预期在数据中心及其他领域将广泛采用这项技术。

主要要点：

硅基光电子技术实现了在硅芯片上进行高速、高能效的光通信。

III-V族激光器与硅的集成仍然是一个挑战，但解决方案正在不断改进。

行业正朝着更集成的架构（如光电共封装）发展。

硅基光电子市场预计将快速增长，由数据中心和新兴应用驱动。

跨供应链的合作对推进硅基光电子技术发展至关重要。
( A. n4 o! V; y6 j+ M% E5 t4 E
参考文献
  Q% }2 j, Z+ |0 o- ~1 P/ I[1] C. Chang, "Silicon Photonics Technologies, Materials and Market," Industrial Technology Research Institute, May 29, 2024. [Online presentation].
END

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