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矽光子在未來的挑戰與機會

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科技產業資訊室 - 陳品蓁 發表於 2019年7月15日

圖、矽光子在未來的挑戰與機會

將光子和電子整合在同一個晶片上還有很長的路要走,但在矽光子(silicon photonics)的先進封裝技術進步,使得將光通訊用於各種新應用逐漸成為可能。
 
利用晶片之間或基於獨立模組的光通訊,最終可能對晶片設計產生重大影響。通過波傳導的移動光子比銅線中的移動電子快得多,並且驅動光訊號所需的功率遠小於電訊號。除此之外,實際上整個光譜中所提供可使用的光線選項,大多數都具有可忽略的散熱。到目前為止,這仍然是半導體設計中尚未開發的選項,但隨著製造製程和封裝開始成熟,這種狀況開始發生變化。
 
這些應用範圍可以從麥克風到醫療設備,其中,反射光可以用於測量振動或溫度變化。例如,在光學麥克風中,用光學雷射光束照射反射膜,當聲波擊中該反射膜時,可以測量反射光並將其轉換成音頻訊號。更特別而有趣的是,麥克風頭和電子元件可以分開以限制各種類型的干擾,並且光訊號不受磁場的影響。雖然這適用於典型的麥克風,但它也打開了使用光進行磁共振成像(MRI)的大門,因為訊號不受電磁干擾的影響。
 
另外,處理過程須考慮到如何降低耗能的議題。
 
利用光進行大量數據傳送。在伺服器和外部記憶體之間,利用光去傳送大量數據,或在封裝內晶片之間移動,這些是很大不同方式。但它確實顯示了光通訊的進展程度。直到幾年前,甚至沒有標準方法可將光訊號連接到晶片,或者光纖連接到數據中心伺服器內部。這已經發生了顯著變化,現在可以將光通訊推向裝置設備(device)等級。
 
業界專業人士認為,封裝光子模組將成為電光整合(electro-optical integration)發展的下一個重要步驟,也是該技術的主要推動因素。安裝在電路板上的封裝不會接近完全的光電整合,但它們是超越機台頂部連接或連接機箱與伺服器前板的光學端口的進步,這是當前標準的電光連接(electro-optical connections)。
 
最終的目標是將電子IC、光子IC(photonic integrated circuit , PIC)、以及基於CMOS用於收發器/接收器,甚至雷射驅動器,全部一起整合放在同一晶片上。但,實現這一目標還有很長的路要走。
 
實際上,只需將包括光子接口的封裝連接到內部基板上,就可以超越伺服器機箱外部的光子連接。共同封裝光學元件(Co-packaged optics)是現在正在發生的事情,但我們沒有盡可能拉近處理器和記憶體。例如:Rockley公司展示一種裝置設備,它們取代了長脊銅軌道(long ridge copper track),該設備具有非常短距離的電氣連接,而且將所有光纖帶全都封裝起來。
 
光纖運行到伺服器的能力將在數據中心運作,數據中心正在大量覆蓋用戶和機器生成的數據。這推動了光子晶片製造商走出電信和光網路市場相對低銷量的世界,進入數據中心伺服器市場,因為這需要大規模量產以及需要設計和規劃效率。
 
從長遠來看,矽中介層(silicon interposer)實際上可以作為光子IC,現在它已成為光子IC的基礎平台。
 
這也開始為光子學增加經濟規模、降低成本,並使其對電子設計自動化(Electronic design automation, EDA)和設備公司對該行業投入資源更具吸引力。幾年前,適合EDA開發工具也沒有。但現在Ayar Labs與英特爾(Intel)合作並推動CMOS光電子技術。這是一個成熟的平台,將光子學與數位化相結合,接下來下一步,就是需要製造跟設計。
 
長期以來,光網路(Optical networking)主要應用於電信市場,已建立的設計和製造的最佳的實踐,很有可能針對數據中心市場進行傳輸低量的規範,而且驗證過程也很有可能是如此。
 
可用於個人網際網路通訊器(personal internet communicator, PIC)設計的工具數量可能低於可用於電子產品的數量,但這對他們來說並不重要。反而,將他們整合起來,才是重要的事。所以先弄清楚如何將這些東西整合到一個共同設計的IC電路環境中,而且PIC的成本現在可以是封裝的80%到90%。電子就像過去經驗一樣,當所有東西都整合到一個元件時,它們都將被整合到電路板中,也代表著這將會降低價格。
 
然而,矽光子發展不僅因缺乏工具而受到阻礙。光子學電路的市場規模和物理特性,都與電子元素有很大的不同,很難將它們連接到同一IC表面,更不用說讓它們有效地協同工作。
 
由於光子是巨大的微米(Microns),所以不必使用到奈米級模組的成本,它會佔用大量的空間。之前,投入研究光子研究較少。所以,光子還需要一種新的思考晶片設計方法。組裝和封裝也不同,將光纖連接對準晶片邊緣以向下漏斗到波傳導,意味著將一個可能為200奈米的元件,與另一個僅能以微米測量的元素匹配,但元素的對準必須達到3D上完美接合,甚至是比銅上的電連接更精確,或使光不能通過。
 
曲線元件(Curving components)和光子佈局與原理圖(layout-vs-schematic, LVS)測試設計規則檢查(design rule checking, DRC)的差異,使得驗證更加複雜。若缺少光子元件的特定指南,工具和規格也會使電路模擬變得更加困難。
 
測試和其他挑戰。同時,測試選項也很少,以至於很多公司最終都建立了自己的光子學自動測試儀器(automatic test equipment, ATE),因為傳統獨立的ATE並沒有考慮到光子設計的特異之處。
 
對於大多數封裝零件,你不能只將光子收發器放在典型的插座中。儀器接口與電源管理IP或DAC和ADC非常不同,它們不僅提供電壓和電流,還提供光源。因此,很少的測試設備能夠處理它。
 
熱敏感度是另一個問題。雖然光本身產生很少或幾乎沒有熱能,但是其他電路和雷射本身的散熱可能會導致問題。所以,必須確保可以控制溫度,而不僅僅是防止過熱。整個封裝,包括雷射器、波傳導管、電子IC、PIC、以及CMOS驅動器,應該是個別和共同對溫度變化靈敏的。將存在電感(inductance)、串擾(crosstalk)、訊號完整性、電源完整性、高頻元件的影響、熱應力、以及機械應力,進行溫度控制。但如果無法控制封裝內部的熱梯度(thermal gradient),就無法控制矽光子的性能。這是矽光子學3D-IC階段的成敗問題。(1985字;圖1)
 
 
參考資料:
Silicon Photonics Begins To Make Inroads. SEMICONDUCTOR ENGINEERING. JULY 9TH, 2019
 

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