CUMEC公司硅基混合集成创新平台加速硅光“中国芯”落地

今日，由中国光博会与C114通信网联合主办的ldquo;2022中国光通信高质量发展论坛mdash;mdash;400G技术专场rdquo;顺利召开。联合微电子中心有限责任公司(CUMEC公司)高级工程师邵斯竹应邀出席会议，详细介绍了硅光技术在数据中心的应用，同时分享了CUMEC公司硅基混合集成创新平台的最新进展。

多方需求推动硅光高速发展

当前，数据流量高速增长已成为硅光技术需求的原生动力。数据中心、干线传输、城域传输三大应用场景均对光器件提出低成本、低功耗、小尺寸的需求，这驱动着光模块工作速率不断升级，有力推动硅光行业的快速发展。与此同时，来自AI、激光雷达、量子通信、传感集成等光系统领域的需求也为硅光技术提供了广阔的发展机遇。

邵斯竹表示，硅光的优势主要包括集成优势与材料优势。在集成方面，硅光芯片的波导具有较大的折率差，可以很好地限制光场，芯片尺寸能做到很小。相对于分立的器件，硅光芯片的封装界面减小，可以有效地减少器件与器件之间的封装工序和损耗，深受复杂系统的青睐。在材料方面，硅材料价格低廉且与CMOS工艺兼容，具有规模生产的优势，故而稳定性好、良率高，大规模生产能够有效降低成本。

近年来，硅光应用规模不断扩大。2016年，Yole预测2025年硅光市场规模将超过13亿美元，其中超过90%来自数据中心应用。2018年，Yole预测硅光市场规模将于2024年扩大至41.4亿美元。邵斯竹指出，在100G和400G时代，硅光开始渗透，主要聚焦短距和相干领域。800G时代，硅光可实现全应用领域的覆盖。

应用于数据中心的六类硅光技术

邵斯竹介绍，硅光技术在数据中心的应用主要有六类:

第一类是光源技术。由于硅材料是间接代谢的半导体，在通讯波段不具备发光能力，量子点结构方案是目前的重要研究方向。量子点的离散分布特点具有更好的未错容忍度，能够有效过滤未错缺陷对有源区的影响，可以制造高性能的片上光源。

第二类是低损波导技术。低损耗的波导是硅光芯片的核心技术，较大的波导损耗会限制系统的规模。系统越大，波导损耗的影响就越明显。

第三类是耦合技术。主要的耦合技术分为光栅耦合和端面耦合，两类方案各有优势。光栅耦合适用于镜面及测试，但光学带宽较小，需要将损耗降至最低，才能满足波动情况下的光模块应用。端面耦合的光学带宽很大，损耗易控，但晶圆级的测试难度较大。

第四类是高速调制技术。2004年Intel公司提出MOS型电光调制器，首次将硅基电光调制器速率提高到Gb/s量级。此后，业界提出反向偏置的PN结构，消除载流子扩散效应，将调制速率提高到50Gb/s以上。目前，通过PAM4、QAM16等高阶调制格式，硅基电光调制器的速率可轻松突破100Gb/s。

第五类是高速解调技术。硅材料对通信波段透明，需要通过硅外延技术实现通信波段的高速探测，当前业界已经实现100Gb/s以上的探测速率。

第六类是无源器件技术。硅光器件具有ldquo;木桶优势rdquo;，其各方面能力均衡的特征有利于为混合技术提供平台。例如，集成电光特性优异的磷酸锂或集成波导损耗和耦合损耗都很小的氮化硅。

CUMEC发力硅基混合集成技术

ldquo;随着速率不断提升，电器件的工艺节点会越来越高，从而导致单片集成的性价比不尽如人意。rdquo;邵斯竹表示，ldquo;CUMEC公司采用RDL、TSV先进封装技术，可以将光芯片与电芯片共封装成任何客户需要的光电系统，在实现高性能的同时提高系统的稳定性并降低功耗。混合集成技术将成为前述六类技术外的另一项重要技术。rdquo;

据了解，CUMEC公司的工艺线具备光刻、刻蚀、薄膜、扩散四大能力，已经实现硅光工艺PDK开发以及IPD器件PDK开发。2021年，CUMEC公司成功推出基于硅光芯片的第一代三维集成PDK，其TSV的1.4dB带宽大于50GHz，反射小于20dB，传输损耗达到国际领先水平。此外，CUMEC公司与合作伙伴展开100G DR1硅光芯片的模块验证，测试性能满足行业协议，实现了100G DR1芯片的国产化。

硅光技术是我国半导体产业实现ldquo;换道超车rdquo;的重要技术手段。CUMEC公司作为重庆市政府重磅打造的国家级、国际化新型研发机构，旨在构建我国新一代微电子关键核心技术自主创新能力，打造集设计、产品和工艺为一体的硅基混合集成创新中心，走超越摩尔定律的发展路线，成为国际一流、国家级的创新平台。