芯片級硅光通信技術(shù)的特點

芯片級硅光通信技術(shù)是一種將光學(xué)元件與半導(dǎo)體器件集成在單個硅晶片上從而實現(xiàn)通信功能的技術(shù)。

• 技術(shù)結(jié)合性

• 硅光芯片整合了傳統(tǒng)的光學(xué)元件與半導(dǎo)體器件。這種集成是基于硅材料制造集成電路芯片，以用于光通信和光互聯(lián)領(lǐng)域。它通過將硅材料的光電特性與光學(xué)器件原理相結(jié)合來工作，在芯片上形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)光子傳播，同時集成了光調(diào)制器、激光器、光探測器等光學(xué)器件，光子與電子在其間通過光電效應(yīng)相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)光信號的調(diào)制、發(fā)射和接收。

• 硅光芯片的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋半導(dǎo)體激光器、光放大器、光濾波器、光交換器等，這是實現(xiàn)高效光通信的重要技術(shù)要素集成，通過這些技術(shù)使芯片能夠在光電之間進行信號的轉(zhuǎn)化、處理和優(yōu)化傳輸，每種技術(shù)在芯片內(nèi)部各司其職，共同協(xié)同保障光信號的有效傳輸和處理。

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• 性能優(yōu)勢

• 高效率與低功耗：硅光芯片的半導(dǎo)體特性讓其在高速傳輸數(shù)據(jù)時可以維持較低的功耗水平。這是因為其在芯片設(shè)計和制造過程中，材料與結(jié)構(gòu)的選擇使得電子在傳輸和進行運算等工作時能量損耗較小。而光學(xué)技術(shù)保證在長距離傳輸數(shù)據(jù)時的高效率，例如通過合理的光學(xué)設(shè)計，可優(yōu)化光的傳播路徑減少損耗，使得長距離傳輸中的信號衰減始終保持在可接受范圍并且相對較低，硅光芯片能夠承載更多信息和傳輸更遠(yuǎn)距離，這一特性使得它在面臨數(shù)據(jù)量持續(xù)增長以及它們需要長距離傳輸情況時非常有優(yōu)勢，特別是對于數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)通信。

• 體積小且成本低：單個硅晶片上整合光學(xué)元件與半導(dǎo)體器件的方式極大地減小了芯片的體積規(guī)模。這種緊湊的設(shè)計不僅方便在各類設(shè)備中的集成安裝，節(jié)省大量空間而且有助于降低整體成本。在生產(chǎn)過程中，由于硅材料成本相對較低，并且制造工藝的逐漸成熟和規(guī)模化，使得芯片的制造成本相較于傳統(tǒng)光通信技術(shù)成本更低，這更有利于大規(guī)模生產(chǎn)和推廣應(yīng)用，能夠被廣泛地應(yīng)用到各種不同環(huán)境下的設(shè)備和通信場景當(dāng)中，包括消費級電子設(shè)備、企業(yè)級數(shù)據(jù)中心等不同規(guī)模和需求的應(yīng)用場景。

• 發(fā)展挑戰(zhàn)點

• 多功能性待提高：現(xiàn)有的硅光芯片很多時候僅僅具備單一的功能，如只能用作光放大器或光交換器。市場上對于硅光芯片多功能一體化的要求越來越多。例如在一個復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，如果一個硅光芯片僅能進行信號放大，但是缺乏其他的如信號交換，信號過濾等功能的，在網(wǎng)絡(luò)布局時可能需要多個不同功能單一的芯片協(xié)作，這不僅增加成本而且網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度提升，對于實現(xiàn)高效小型化網(wǎng)絡(luò)來說是一個巨大阻礙。

• 高溫極端環(huán)境可靠性：由于硅光芯片包含半導(dǎo)體器件，而半導(dǎo)體在高溫環(huán)境下可靠性審核要求較高。在高溫下，半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能可能會發(fā)生變化，從而影響光信號的正常處理，以及可能造成光學(xué)元件與半導(dǎo)體器件間的集成穩(wěn)定性受到?jīng)_擊，進而對整個芯片的通信性能產(chǎn)生負(fù)面影響。這對于一些可能處于高溫環(huán)境下工作的設(shè)備通信芯片提出了很大的挑戰(zhàn)，例如汽車電子系統(tǒng)中的部分靠近引擎需要高溫環(huán)境下工作且需要依賴光通信的部件等。

硅光通信技術(shù)的市場現(xiàn)狀

• 發(fā)展階段與進程

• 硅光技術(shù)的發(fā)展歷程較長，從1969年美國貝爾實驗室提出集成光學(xué)開始，到 21世紀(jì)Intel等企業(yè)開始進入硅光領(lǐng)域協(xié)助突破發(fā)展。硅光子技術(shù)開始進入產(chǎn)業(yè)化技術(shù)突破階段，2008年后，Luxtera、Intel等公司開始推出商用硅光集成產(chǎn)品，硅光芯片開始正式進入市場化階段[]7]()。其發(fā)展整體可分為四個階段：第一階段是通過硅基材料制造光通信的底層器件，逐步取代光分立器件；第二階段，集成技術(shù)從混合集成逐漸向單片集成發(fā)展，當(dāng)前就處于這個階段，也就是將各類器件通過不同組合實現(xiàn)不同功能的單片集成；未來的第三階段預(yù)計將通過光電一體技術(shù)融合，實現(xiàn)光電全集成融合；第四階段是將器件分解為多個硅單元排列組合，矩陣化表征類，通過編程自定義全功能，實現(xiàn)可編程芯片[]7]()。

• 市場規(guī)模與增長趨勢

• 目前，硅光技術(shù)市場呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，市場規(guī)模不斷擴大。據(jù)市場研究機構(gòu)Yole數(shù)據(jù)顯示，2022年硅光芯片市場價值為6,800萬美元，預(yù)計到2028年將超過6億美元，2022 - 2028年的復(fù)合年均增長率為44%。LightCounting預(yù)計硅光芯片的銷售額將從2023年的8億美元增至2029年的略高于30億美元。全球硅光市場規(guī)模有望在2026年達(dá)到300億美元，年復(fù)合增長率高達(dá)20%。從地區(qū)分布來看，亞洲地區(qū)尤其是中國和日本是硅光技術(shù)市場的主要增長動力；北美和歐洲市場也占據(jù)一定份額[]7]()[]8]()。

• 主要應(yīng)用領(lǐng)域分布

• 數(shù)據(jù)通信用途主導(dǎo)：數(shù)通應(yīng)用在硅光應(yīng)用中占比達(dá)90%以上。其中推動增長的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學(xué)習(xí)的800G可插拔光模塊，數(shù)通光模塊的應(yīng)用占硅光芯片市場的93%，復(fù)合增長44%。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和數(shù)據(jù)中心之間建立高速、大帶寬的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是目前硅光芯片在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的重要應(yīng)用場景，這是因為硅光芯片的高效率、低功耗、小體積等特性可以很好地滿足數(shù)據(jù)中心對于大量數(shù)據(jù)處理和快速信息交互的要求。

• 其他領(lǐng)域嶄露頭角：除數(shù)據(jù)通信外，在電信領(lǐng)域、光學(xué)激光雷達(dá)、量子計算、光計算以及在醫(yī)療保健領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。例如在電信領(lǐng)域，硅光芯片可以實現(xiàn)高集成度、高性能和低成本的光學(xué)通信解決方案；在醫(yī)療保健領(lǐng)域，可用于生物醫(yī)學(xué)成像、生物分析和藥物篩選等方面，利用高靈敏度的光傳感來達(dá)成相應(yīng)的功能；在光計算方面，可以利用光的高速傳輸和并行處理能力，提供更高效、快速的計算和數(shù)據(jù)處理能力[]7]()。

芯片級硅光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

• 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)

• 數(shù)據(jù)中心需要處理海量的數(shù)據(jù)。硅光芯片憑借其高效率、大帶寬的光通信能力，可以為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部服務(wù)器之間、不同數(shù)據(jù)中心之間提供高速連接。例如在大型云計算數(shù)據(jù)中心，大量的服務(wù)器和存儲設(shè)備之間需要進行持續(xù)的數(shù)據(jù)交互，硅光芯片能夠確保數(shù)據(jù)快速而穩(wěn)定地傳輸，滿足海量數(shù)據(jù)對高速傳輸?shù)男枨?。其低功耗特性在?shù)據(jù)中心這種大規(guī)模集群設(shè)備中優(yōu)勢巨大，能夠有效降低能源消耗成本。同時，隨著數(shù)據(jù)中心對于降低延遲、提高吞吐量需求的增加，硅光芯片作為800G可插拔光模塊的主要應(yīng)用技術(shù)，有助于推動數(shù)據(jù)中心向更高性能發(fā)展。

• 超級計算領(lǐng)域

• 在超級計算中，其需要處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)以及應(yīng)對復(fù)雜的計算任務(wù)。傳統(tǒng)電子器件在速度和帶寬方面已經(jīng)逐漸不能滿足需求。硅光芯片的光子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸和處理，通過光子進行數(shù)據(jù)的快速運輸和交換，能夠提高超級計算機整體的運算速度和效率。比如在一些科學(xué)計算場景下，如氣象模擬、基因測序等大規(guī)模數(shù)據(jù)運算場景中，硅光芯片幫助計算機系統(tǒng)更快地傳輸在運算過程中所需的各種數(shù)據(jù)，保證計算效率的提升，同時減少在傳輸過程中的數(shù)據(jù)誤差和信號衰減可能造成的計算結(jié)果偏差。

• 光互聯(lián)領(lǐng)域

• 是通過光纖或光波導(dǎo)將不同設(shè)備如計算機芯片之間，不同的計算機硬件系統(tǒng)之間等連接起來形成一個高速、高容量的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。硅光芯片作為光互聯(lián)的關(guān)鍵部分，可以實現(xiàn)不同設(shè)備間光信號的傳輸和轉(zhuǎn)換。芯片級的硅光芯片通過將光學(xué)器件和半導(dǎo)體器件集成，可以縮小光互聯(lián)的設(shè)備占用體積，并且實現(xiàn)低功耗運行，這有利于構(gòu)建更加復(fù)雜、高效、大規(guī)模的光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。例如在5G通信設(shè)備基站后的傳輸網(wǎng)絡(luò)中，光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建通過應(yīng)用硅光芯片可以更好地承載不斷增長的5G網(wǎng)絡(luò)流量傳輸需求。

• 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

• 在生物醫(yī)學(xué)成像過程中，如光學(xué)成像需要較高的分辨率和靈敏度。硅光芯片可以被應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，提供高分辨率和高靈敏度的光信號處理，進而幫助醫(yī)療人員得到更清晰準(zhǔn)確的影像以便進行疾病的診斷。并且在生物分析和藥物篩選等方面，硅光芯片可以通過其精確的光信號調(diào)控和感知，對生物樣本進行各類檢測分析以及觀察藥物對于生物細(xì)胞等的作用效果。例如在檢測血液樣本中的特定癌細(xì)胞標(biāo)記物時，利用硅光芯片的生物傳感功能，可以通過構(gòu)建特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)來探測癌細(xì)胞標(biāo)記物分子與光學(xué)傳感器之間發(fā)生的光學(xué)變化，從而精準(zhǔn)判斷癌細(xì)胞標(biāo)記物情況，為癌癥早期診斷提供輔助信息。

影響芯片級硅光通信技術(shù)市場應(yīng)用的因素

• 技術(shù)特性本身的因素

• 多功能集成挑戰(zhàn)：前面提到當(dāng)前硅光芯片多數(shù)功能單一，這限制了其在某些復(fù)雜通信系統(tǒng)中的直接應(yīng)用。如果想要擴大市場應(yīng)用，需要解決如何將多種光通信功能集成到一個硅光芯片之中的問題。例如在一些小型化、集成化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備當(dāng)中，希望一個芯片能夠集成光放大器、光交換器以及光濾波器等多種功能，但目前技術(shù)在多功能集成上進展仍需要突破。

• 高溫可靠性：硅光芯片內(nèi)的半導(dǎo)體器件在高溫環(huán)境下可靠性受到挑戰(zhàn)，這會影響到在像汽車發(fā)動機周邊電子設(shè)備或者一些高溫工況下工業(yè)控制設(shè)備中的應(yīng)用推廣。因為這些環(huán)境中溫度過高時可能引起芯片的光學(xué)性能和電氣性能變化，造成通信故障或數(shù)據(jù)丟失等情況[]1]()[]2]()[]6]()。

• 市場競爭與格局的因素

• 市場份額競爭：在光通信市場中，基于GaAs和InP等材料的光模塊也占據(jù)一定份額，并且目前在一些特定應(yīng)用場景中的優(yōu)勢明顯。這對硅光芯片的市場擴張產(chǎn)生競爭壓力。例如在一些傳統(tǒng)光通信網(wǎng)絡(luò)升級緩慢的地區(qū)和場景下，已有的基于GaAs和InP的光模塊有穩(wěn)固的市場份額，并且從產(chǎn)業(yè)鏈的適應(yīng)和配套上，新的硅光芯片技術(shù)切入的成本和難度較大[]7]()。

• 傳統(tǒng)光學(xué)企業(yè)的轉(zhuǎn)型策略：傳統(tǒng)的光模塊制造企業(yè)如果積極轉(zhuǎn)型到硅光技術(shù)領(lǐng)域則會加劇市場競爭，如果轉(zhuǎn)型不積極則可能導(dǎo)致硅光技術(shù)市場供應(yīng)體系不夠完善，缺乏足夠的產(chǎn)業(yè)鏈支撐。例如一些老牌光模塊廠如果不能及時跟上硅光技術(shù)的發(fā)展，可能導(dǎo)致一些和傳統(tǒng)光模塊配套的設(shè)備在更新到硅光技術(shù)時出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈脫節(jié)情況，影響芯片級硅光通信技術(shù)的全面市場化推廣[]21]()。

• 行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢影響

• 新技術(shù)融合需求：隨著通信技術(shù)發(fā)展光通信和其他技術(shù)融合性需求日增，如硅光技術(shù)和量子通信技術(shù)、高速計算技術(shù)等融合，要求硅光芯片也適應(yīng)這種產(chǎn)業(yè)技術(shù)融合發(fā)展的態(tài)勢。如果硅光芯片的技術(shù)發(fā)展不能跨步到與其他技術(shù)融合的前沿則會漸漸失去一些潛在市場，例如在量子計算如果需要借助光通信來實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)的交互傳輸時，硅光芯片不能及時整合量子通信的相關(guān)協(xié)議、技術(shù)特點等則不能在這個新興領(lǐng)域獲得良好的市場應(yīng)用。

• 封裝技術(shù)變革：例如當(dāng)前在光模塊的封裝上，共同封裝光學(xué)（CPO）等新型封裝技術(shù)的出現(xiàn)，如果硅光芯片的封裝工藝不能與之協(xié)同發(fā)展，則在性能發(fā)揮和成本控制上將受到限制。在CPO技術(shù)被認(rèn)為可以有效解決數(shù)據(jù)中心的電氣鏈路長度、提高互連頻寬密度和能源效率的情況下，硅光芯片如果不能兼容這種封裝方式，那么在以數(shù)據(jù)中心為代表的這類極需效率提升和成本降低的市場場景中競爭力將大為下降[]19]()。

芯片級硅光通信技術(shù)未來發(fā)展趨勢

• 集成度不斷提高

• 在未來，硅光芯片會朝著更高的集成度方向發(fā)展。一方面是光電集成度的提高，例如會加強光芯片與電芯片之間的融合程度，不但能夠?qū)崿F(xiàn)光路與電路的同步制造（像單片集成方式），也能夠借助先進封裝工藝將光芯片與電芯片更精準(zhǔn)地集成，在降低功耗的同時提高整體性能，讓整個系統(tǒng)更加小型化、緊湊化，適應(yīng)更多對空間要求嚴(yán)格的設(shè)備應(yīng)用場景[]26]()。另一方面將是多功能的集成，在一個硅光芯片內(nèi)集成更多諸如光調(diào)制、光放大、光過濾等不同功能的光學(xué)器件，實現(xiàn)硅光芯片的多功能一體，滿足不同場景下對于硅光芯片功能的多樣化需求，從而進一步擴展其在不同應(yīng)用場景下的適用性。

• 新材料與性能提升

• 新材料的探索應(yīng)用：為了克服硅材料本身的局限性，研究人員將會探索更多新型材料與硅光芯片技術(shù)相結(jié)合。例如低維材料、磁光材料等新興材料的加入將為硅光集成技術(shù)帶來更多的可能性與突破點[]26]()。這些新材料可能會給硅光芯片帶來不同的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，如可能改善光的吸收、發(fā)射效率以及調(diào)制性能等。

• 性能增強方向：除了在速率高、帶寬大、功耗低等特性上繼續(xù)優(yōu)化外，還會注重提升硅光芯片在高速數(shù)據(jù)傳輸下的穩(wěn)定性和可靠性，例如優(yōu)化芯片的光學(xué)元件設(shè)計、減少因長距離傳輸或者復(fù)雜環(huán)境下的信號干擾等。對于不同環(huán)境下的適應(yīng)能力會增強，特別是提高在高溫、高濕度等極端環(huán)境下的可靠性，確保在各類工業(yè)、軍事、戶外等場景下都能正常工作[]26]()。

• 多領(lǐng)域深耕拓展

• 在通信領(lǐng)域內(nèi)部的鞏固加深，硅光芯片將在更多通信場景下取代傳統(tǒng)的光通信技術(shù)和光電器件。例如在5G以及未來6G通信網(wǎng)鋪設(shè)、運營中的光信號處理環(huán)節(jié)占據(jù)更主導(dǎo)的地位。隨著數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)需求增長，如大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能處理對于數(shù)據(jù)傳輸和處理要求提高，硅光芯片在數(shù)據(jù)中心的各個層級的設(shè)備和連接中將起到更加不可替代的作用[]26]()。

• 新興領(lǐng)域的開拓性應(yīng)用：除了在傳統(tǒng)的光通信和光互聯(lián)領(lǐng)域進一步發(fā)展，硅光芯片還將在光計算、量子計算等領(lǐng)域發(fā)揮核心驅(qū)動作用[]26]()。在光計算領(lǐng)域硅光芯片可以利用光的高速傳輸和并行處理能力提供更高效、快速的計算和數(shù)據(jù)處理能力；在量子計算中如果這些技術(shù)能相互結(jié)合也許能夠為量子信息的處理和傳輸提供新的發(fā)展思路和實現(xiàn)途徑。

 芯片封裝清洗介紹

·         合明科技研發(fā)的水基清洗劑配合合適的清洗工藝能為芯片封裝前提供潔凈的界面條件。

·         水基清洗的工藝和設(shè)備配置選擇對清洗精密器件尤其重要，一旦選定，就會作為一個長期的使用和運行方式。水基清洗劑必須滿足清洗、漂洗、干燥的全工藝流程。

·         污染物有多種，可歸納為離子型和非離子型兩大類。離子型污染物接觸到環(huán)境中的濕氣，通電后發(fā)生電化學(xué)遷移，形成樹枝狀結(jié)構(gòu)體，造成低電阻通路，破壞了電路板功能。非離子型污染物可穿透PC B 的絕緣層，在PCB板表層下生長枝晶。除了離子型和非離子型污染物，還有粒狀污染物，例如焊料球、焊料槽內(nèi)的浮點、灰塵、塵埃等，這些污染物會導(dǎo)致焊點質(zhì)量降低、焊接時焊點拉尖、產(chǎn)生氣孔、短路等等多種不良現(xiàn)象。

·         這么多污染物，到底哪些才是最備受關(guān)注的呢？助焊劑或錫膏普遍應(yīng)用于回流焊和波峰焊工藝中，它們主要由溶劑、潤濕劑、樹脂、緩蝕劑和活化劑等多種成分，焊后必然存在熱改性生成物，這些物質(zhì)在所有污染物中的占據(jù)主導(dǎo)，從產(chǎn)品失效情況來而言，焊后殘余物是影響產(chǎn)品質(zhì)量最主要的影響因素，離子型殘留物易引起電遷移使絕緣電阻下降，松香樹脂殘留物易吸附灰塵或雜質(zhì)引發(fā)接觸電阻增大，嚴(yán)重者導(dǎo)致開路失效，因此焊后必須進行嚴(yán)格的清洗，才能保障電路板的質(zhì)量。

·         合明科技運用自身原創(chuàng)的產(chǎn)品技術(shù)，滿足芯片封裝工藝制程清洗的高難度技術(shù)要求，打破國外廠商在行業(yè)中的壟斷地位，為芯片封裝材料全面國產(chǎn)自主提供強有力的支持。