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光子集成将是光器件主流技术

2019-01-29  来源:中国信息产业网-人民邮电报  作者:刘璐
全球信息技术正处于创新活跃期,在新型业务及应用的驱动下,数据流量呈爆发式增长,对底层互连系统和器件在带宽、容量、成本及功耗方面均提出了严峻挑战,全波段、高速率、大容量和智能化的光网络运作也要求芯片功能的集成化。光子集成电路(PIC)相对于传统分立的光-电-光处理方式降低了复杂度,提高了可靠性,能够以更低的成本构建一个具有更多节点的全新的网络结构,虽然目前仍处于初级发展阶段,不过其成为光器件的主流发展趋势已成必然。PIC单片集成方式增长迅速,硅基材料发展势头强劲。产业发展模式多样,产业链不断构建,新产品与应用进展也在不断推进。相关厂商众多集中度低,我国的储备相当薄弱,因此非常有必要加快发展该通信底层核心技术,提高国际竞争力。 混合集成占据主导 单片集成上升明显 按照集成的元器件是否采用同种材料,PIC可分为单片集成和混合集成。其中混合集成采用不同的材料实现不同器件,而后将这些不同的功能部件固定在一个统一的基片上。混合集成的好处是每种器件都由最合适的材料制成,性能较好,但元器件集成时需要精密的位置调整和固定,增加封装的复杂性,限制集成规模。而单片集成则是在单一衬底上实现预期的各种功能,结构紧凑、可靠性强,不过目前实现起来仍有较大的技术难度。 目前,混合集成是光子集成的主要集成技术,占PIC全球市场收入的主体,并且预计在未来几年内这一情况仍将持续。不过单片集成作为业界的长期目标,正在以很快的速度增长,预计2015年至2022年期间复合年均增长率将达到26.5%。 制备材料丰富多样 硅基发展势头强劲 光子集成的制备材料丰富多样,主要包括以下几类:铌酸锂、聚合物、光学玻璃、绝缘体上硅(SOI)、二氧化硅/硅、氮氧化硅/二氧化硅以及三五族化合物半导体。目前,磷化铟(InP)和SOI共同占据市场营收的主体。InP的主导地位主要归因于其将光电功能集成到光学系统芯片的能力。而硅基作为PIC制造平台能够基于全球历时五十年、投入数千亿美元打造的微电子芯片制造基础设施,利用成熟、发达的半导体集成电路工艺提高集成光学工业化水平,进行低成本规模化生产。 虽然目前硅光子还面临很多技术瓶颈,但在整个产业界的向心力下,正在被一个一个地克服,产业界对硅光子大规模商用也抱有极大的信心。尤其是数据中心的短距离应用,让硅光子找到了用武之地。根据市场研究公司Yole Développements报告,数据中心以及其他几项新应用将在2025年以前为硅光子技术带来数十亿美元的市场。 发展模式多样化 产业链不断构建 2010年以来,光子集成技术进入了高速发展时期。光子集成技术主要有以下几种发展模式:一是国家项目资助,如美国国防部监管的“美国制造集成光子研究所”、日本内阁府资助的研究开发组织“光电子融合系统基础技术开发”等;二是像英特尔、IBM等IT巨头的巨额投入;三是小型创业公司前期靠风险资金进入,后期被大企业并购再持续投入,该模式已成为一种重要发展模式;最后是一些新崛起的初创公司,如Acacia、SiFotonics等。 光子集成技术产业仍在发展,产业链不断构建,目前已初步覆盖前沿技术研究机构、设计工具提供商、器件芯片模块商、Foundry、IT企业、系统设备商、用户等各个环节。然而,光子集成供应链相比于集成电路(IC)仍然落后,尤其在软件和封装环节较为薄弱。
关键词:光子集成 混合集成 PIC 光器件 光子计算机