IDTechEx | 光电子集成芯片和硅基光电子的演进

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引言
本文探讨光电子集成芯片（PIC）和硅基光电子（SiPh）技术的发展、重要性及其对人工智能和数据中心等领域的影响[1]。

了解光电子集成芯片
光电子集成芯片代表了微芯片技术的突破。与使用电子进行数据传输的传统电子集成线路（EIC）不同，光电子集成芯片利用光或光子进行数据传输。这一根本区别使得光电子集成芯片能够实现比电子对应物更高的速度和更大的带宽。

9 }- r" l, K" Y4 T0 d, {- d光电子集成芯片的优势包括：

速度：数据传输以光速进行，远快于基于电子的系统。

带宽：光电子集成芯片可同时处理更大量的数据。

能源效率：光子质量为零，在传输过程中消耗更少的能量，产生更少的热量。

电磁免疫：基于光的系统不受电磁干扰影响。
( u' Z. E6 Z( I- X! }
6 j. b4 V8 |" F3 I% t这些特性使光电子集成芯片非常适合在保持高可靠性的同时扩展数据传输能力。
+ F7 I7 J  {% V/ W* p$ q) [, _
; Y. U9 p- Z% e4 w$ n, R硅基光电子
) k% ]; _5 n8 ]; E! F+ |4 j硅基光电子是光电子集成芯片技术的一个子集，专门在硅基底上集成光子元件。这种方法利用了成熟的硅制造基础设施，同时引入了先进的光学功能。

; @) i7 |% }# n& O硅基光电子的关键组件包括：

激光器

波导

调制器

光检测器

耦合器

开关

谐振器

多路复用器/解复用器
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  B: F5 R4 n# ?1 M& Q7 \" o/ b  ^光电子集成芯片和硅基光电子的兴起
AI和数据中心不断增长的需求推动了光电子集成芯片和硅基光电子技术的发展。随着AI模型和数据集在复杂性和规模上的增长，对高效、高带宽通信的需求变得越来越重要。光电子集成芯片和硅基光电子技术能够满足这些需求，为AI加速器和现代数据基础设施提供必要的高速数据传输。

* p8 ^+ P* \, l! @. S- f! d硅基光电子的材料进展
4 j: h$ ?6 R8 d硅基光电子的发展与材料科学的进步密切相关。虽然硅仍然是主要基底，但其他材料被引入以解决硅的局限性：

氮化硅（SiN）：由于其低光学损耗和宽波长范围，用于无源组件。

绝缘体上硅（SOI）晶圆：提供强光限制，实现组件集成。

III-V族化合物半导体：对激光器集成至关重要，通常使用倒装芯片焊接或异质集成等方法。

新兴材料：探索钛酸钡和薄膜铌酸锂，以实现低驱动电压的高速调制。

硅锗（SiGe）：用于光检测器，可与硅基光电子线路无缝集成。
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% w: b# X: A( V/ N, `5 T+ ?* E光电共封装：改变游戏规则的趋势
该领域最重要的趋势之一是光电共封装（COP）的出现。这种方法将光学引擎直接与交换机ASIC集成在同一封装中，提供多项优势：
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降低功耗

降低延迟

提高带宽密度

改善信号完整性
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! [8 h5 T. }" f/ i; @. C$ s) R图1：比较了传统可插拔光学模块与光电共封装，说明了光电共封装中电信号传输距离的减少。
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+ g* _9 I8 M% o3 M4 S3 d2 [0 C; F光电共封装技术对高密度集成线路特别有益，在以太网交换机中的应用也在增加，以支持更高的数据速率。

硅基光电子的集成方法
硅基光电子领域采用多种集成方法，每种方法都有其优势：

单片集成：在单个基底上以统一的过程制造所有组件。

异质集成：将来自不同基底的元件键合或附着到单个基底上，通常使用芯片到晶圆或晶圆到晶圆的键合技术。

混合集成：在封装或板级将单独的芯片或模块组装成单个光子系统。
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1 F  V3 P- X+ F& ^  W4 p图2：说明了硅基光电子中使用的三种主要集成方法：单片集成、异质集成和混合集成。
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未来趋势和挑战
, f/ s; m/ p8 E4 Q& ]+ g7 q' g随着光电子集成芯片和硅基光电子技术的不断发展，出现了几个趋势和挑战：
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大规模集成：推动在单个芯片上集成更多组件，以实现更复杂的系统。

先进封装技术：开发光子线键合等方法，以提高效率和可扩展性。

有源组件集成：重点关注将激光器和调制器直接集成到光电子集成芯片平台上。

材料创新：持续研究新材料，以提高性能并克服当前的局限性。

  a- p; t$ `1 C( M: O" r结论
$ d- Z% N1 P' k6 q2 q6 E0 G: Y: p光电子集成芯片和硅基光电子代表了数据处理和传输技术的前沿。利用光的能力为这些技术提供了高速、大带宽和高效率，使其在AI、数据中心和高性能计算的未来发展中不可或缺。
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參考來源
[1] X. He, "The Evolution of Photonic Integrated Circuits and Silicon Photonics," EE Times Europe, Sep. 26, 2024. [Online]. Available: https://www.eetimes.eu/the-evolution-of-photonic-integrated-circuits-and-silicon-photonics/ [Accessed: Insert date you accessed the article]
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