简介
随着人工智能、云计算和物联网（IoT）的发展，数据需求不断激增，传统电子数据传输的局限性日益明显。利用光速进行数据传输的硅基光电子技术正在成为克服这些瓶颈的关键解决方案。两大封测巨头探讨了硅基光电子的制造工艺、挑战和最新创新[1]。
制造工艺
硅基光电子技术将光学功能集成到硅衬底上，使电子和光子组件在同一芯片上共存。日月光销售与市场营销高级副总裁 Yin Chang 说："各公司在通过基板承载带宽方面已达到极限。如果你无法满足这些要求，那么光电子技术就是唯一的选择"。
制造过程首先是在硅基板上成像和蚀刻无源光学器件，如波导和耦合器。艾克尔（Amkor） 公司产品营销和业务开发高级总监 Vik Chaudhry 解释说："将光集成到芯片上是一项挑战。你必须产生激光，还必须进行光学对准，这对制造来说是完全不同的。
为了制造高效的波导，我们采用了曲线掩膜等先进技术，以产生更平滑的曲线，减少信号损耗。绝缘体上硅（SOI）晶圆因其绝缘的埋入氧化层而受到青睐，该层可最大限度地减少基底的光信号损耗。
由于硅的间接带隙阻碍了光的有效发射和检测，因此需要在芯片上沉积砷化镓和锗等材料，以实现这些关键功能。正如 Chaudhry 所说："硅基光电子技术面临的挑战是在大批量生产环境中增加这些技术，必须拥有能够以每周数百万的产量重复进行的工艺。今天，硅基光电子技术仍然是一个非常手工的过程。
封装和测试挑战
硅基光电子技术器件的包装和测试因其敏感性和复杂性而面临巨大挑战。Vik Chaudhry 强调说："我们可以看到光电共封装（CPO）技术出现，将光学器件连接到芯片，然后将多个芯片连接在一起，这是一项挑战。"
精确的光学对准对于保持信号完整性重要，通常需要耗时的主动对准技术。热管理也是一个值得关注的问题，因为硅基光电子电路对温度变化非常敏感。Promex Industries 公司首席运营官兼工程副总裁 David Fromm 解释说："从 CTE 角度来看，这些材料的性能通常很差。由于它们的转变温度较低，因此很容易出现 CTE 远远大于周围其他材料的情况，要针对光学进行了优化，这就产生了很多问题"。
封装和测试可占光子器件总成本的 80%，而电子电路的这一比例要小得多。来自 ASE 的 Yin Chang 指出："最近人们对光子技术，尤其是CPO光电器件非常感兴趣。我们正在研究多种不同的封装光电子工艺，以大幅提高数据传输的带宽，目标是创造更好的性能和更高的效率。
最新创新
为了应对硅基光电子制造的挑战，各公司正在探索新的材料和设计方法：
应用和未来展望
硅基光电子技术已经在数据中心发挥了重要作用，促进了高速、节能的通信，但其潜力远不止于此。正如 Broadcom 光学系统营销和运营副总裁 Manish Mehta 所说："由于人工智能集群的增长，光学的使用量也在显着增加。从API服务器到汇聚交换机，架构实际上都是光学的。"
用于汽车安全和自动驾驶汽车的激光雷达系统可受益于结构紧凑、成本效益高的硅基光电子解决方案。图像投影技术可以带来革命性的变化，为增强现实（AR）头盔等应用提供微型高分辨率投影仪。
然而，由于缺乏能够制造这些器建的开放式代工厂，硅基光电子技术的普及目前受到阻碍。正如两大巨头所指出的，"要想发挥硅基光电子技术技术的潜力，就必须投资扩大这些开放式代工厂，为更多行业参与者提供创新能力，并将产品推向市场"。
结论
硅基光电子技术是克服电子数据传输限制的关键解决方案，利用光的速度实现更快、更高效的数据传输。虽然在制造工艺、封装和创新设计方面取得了重大进展，但在扩大生产规模、热管理和使用专用代工厂方面仍然存在挑战。随着各公司继续投资于研发，硅基光电子技术不仅将为数据中心带来革命性的变化，而且还将为从汽车激光雷达到增强现实显示器等广泛的应用带来革命性的变化。
参考文献
[1] G. Haley，"硅基光电子学制造加速"，2024 年 3 月 21 日。[在线]。网址：https://semiengineering.com/silicon-photonics-manufacturing-ramps-up/. [访问日期：2024 年 3 月 24 日]。
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