随着物理定律与数据量的指数增长相冲突，传统电路缩放正逐渐遇到瓶颈，这迫使芯片制造商将目光转向硅光子学，将数据从收集地迅速传输到处理和存储地。

物理定律是永恒不变的。简单来说，电子在铜导线中的传输速度是有限的。尽管在宏观尺度上，电子的传输速度很快，但随着路径的缩小，电子会遇到更大的阻力，导致发热和电力效率下降。与之相比，硅光子学利用光子的速度绕过了这些电子限制。光子以光速传播，不受铜等材料的电阻限制。相对于电子，光子产生的热量较少，且具有更高的频率，可以携带更多的数据，同时受到较少的信号衰减。

日月光半导体负责销售和市场营销的高级副总裁尹昌表示：“公司在基板上承载的带宽方面已经达到了极限。”“如果不能满足这些需求，光子学是唯一的选择。”

硅光子学在数据中心中扮演着举足轻重的角色，尤其在高带宽和高能效的数据传输方面。随着人工智能、云计算和物联网设备的普及，对于高效数据处理的需求也与日俱增。在这种情况下，光子集成电路(PICs)可以在降低功耗的同时，保持对于更高数据传输速率的需求。这些创新表明，硅光子学在需要快速、海量数据通信的场景中有着广阔的应用前景。

博通光学系统的营销和运营副总裁Manish Mehta表示：“随着人工智能集群的增长，光学的使用量正在显著增长。”无论是API服务器还是聚合交换机，这些架构都在广泛采用光传输技术。

根据Vantage Market Research的一份报告，2022年全球硅光子学市场价值为12.6亿美元，预计到2030年，复合年增长率将达到25.7%，市场价值预计将达到78.6亿美元。

除了在数据中心中的应用，硅光子学在其他领域也占据着领先地位，比如在汽车中的激光雷达技术，它与摄像头和雷达一起被视为物体探测的关键技术。此外，硅光子学还在先进成像系统、增强现实(AR)显示器和超高清全息投影等领域进行了创新应用。

尽管取得了重大进步并且市场前景广阔，但现有的制造工艺限制了硅光子学组件的可扩展性和大规模生产。由于制造光学元件所需的复杂性和精度，制造过程通常是手工且劳动密集型的。

硅光子学制造过程将光学功能集成到硅衬底上，使光学和电子设备能够共存于同一集成电路芯片上。在这个过程中，需要解决的挑战包括材料沉积、波导制造和掺杂等问题，以确保硅光子学器件的高性能和稳定性。

随着对高性能封装的巨大需求，向光子学的过渡变得更加复杂。与传统的电子元件不同，光子元件需要精确的对准来保持信号完整性，通常采用有源对准技术，这增加了组装的复杂性，使制造商面临着如何经济有效地扩展这些操作的难题。

日月光半导体首席执行官乔杜里表示：“我们可以看到共封装光学器件即将问世，人们正在询问如何将硅光子学结合起来。”“将光学元件连接到芯片上，然后将多个芯片连接在一起，这是一个挑战。”此外，光子电路的设计目前正在经历一次彻底的改革。现在的芯片设计包括复杂的路由系统和光学谐振器，如微环谐振器和阵列波导光栅，它们可以以光速分类和引导信息。

然而，随着这种复杂性的增加，需要PIC适应光子元件的热敏性。诸如片上温度控制系统(如热调谐器和局部冷却)的创新正在开发中，以确保PIC在操作环境发生变化时仍能保持一致的性能。

光子学设备已经在数据中心中发挥了至关重要的作用，促进了密集的服务器机架和互连存储单元之间的高速节能通信。但是硅光子学的潜在应用远远超出了数据中心。

例如，激光雷达依靠激光脉冲来测量距离，并生成精确的环境3D地图。硅光子学可以通过为汽车安全系统、自动驾驶汽车和环境监测提供紧凑且具有成本效益的解决方案来增强激光雷达系统。

硅光子学也准备彻底改变图像投影技术。通过利用其精确操纵光的能力，硅光子学可以开发微型高分辨率投影仪，用于从移动设备到增强现实耳机的各种应用。

然而，硅光子学研究和进步的机会受到有能力生产它们的代工厂数量的限制。开放访问的代工厂允许各种商业客户使用其制造设施，对于没有资源建立内部生产线的小型公司和研究机构来说至关重要。这一瓶颈扼杀了创新，减缓了新光子设计测试和推向市场的步伐。这类设备的缺乏可能会延迟原型制作，并增加小规模生产商的成本，潜在地扼杀了光子解决方案的多样性和扩散。

此外，硅光子学的特殊要求，例如需要以纳米级精度集成电子和光子组件，意味着只有少数代工厂有能力制造这些芯片。为了使硅光子学发挥其潜力，投资扩大这些开放的代工厂是必不可少的，以提供更多的行业参与者创新和将产品推向市场的能力。

光子电路对于温度变化高度敏感，因此需要复杂的冷却解决方案。这给封装过程增加了另一层复杂性。

Promex Industries首席运营官兼工程副总裁大卫·弗洛姆表示：“从CTE的角度来看，这些材料的性能通常很差。“因为它们具有较低的转变温度，你可以很容易地达到一个点，CTE比你正在处理的其他东西大得多，而且材料本身通常不是针对CTE进行优化的。它们针对光学进行了优化。这就产生了很多问题。”

与电子电路相比，封装和组装成本通常只是成本的一小部分，但集成PIC的复杂性颠覆了这一比例。一些研究估计，封装、组装和测试光子器件的成本高达总模块成本的80%。

“最近人们对光子学很感兴趣，尤其是在共封装光学领域，”日月光半导体的Chang补充道。“我们正在研究许多不同的封装光子工艺，以显著增加数据传输的带宽。我们的目标是创造更好的性能和更高的效率。”

每个光学元件——从波导到调制器和光电探测器——都必须以一种保护其功能的方式封装，同时也使其能够与电子元件无缝交互。此外，封装必须支持光子结构的稳定，最大限度地减少可能破坏光信号完整性的任何位移或振动。

电子和光学测试对于保证信号路径的完整性和芯片上每个光学元件的性能也至关重要。这包括仔细检查波导的任何潜在光损耗，评估调制器和检测器的效率，并彻底评估整体数据传输能力。

尽管面临挑战，但也有进步。其中一个突破就是超低损耗波导的发展。目前的问题是找到一种方法，使光在通过芯片的过程中使信号衰减最小。现在，新材料和精密的制造技术可以实现这一目标。

工程师们正在探索新旧材料，以提高光效和控制硅衬底。这包括已经使用了50年的氮化硅(Si3N4)和Hydex，这是一种光子玻璃材料，其特点是在近红外范围内具有高折射率和超低光学损耗，使其在电信领域的应用特别有效。Hydex可以在制造过程中精心定制特定的光机械性能，从而增加光子组件的集成密度和功能。

Hydex玻璃是通过专门的溶胶-凝胶工艺生产的，该工艺包括将溶液转变为固体凝胶相。从那里，它被进一步加工成玻璃。通过调整条件和前驱体溶液的组成，制造商可以改变玻璃的最终性能，例如其热光学系数或相对于包层材料的折射率对比。

光子工程师也在开发可以在同一结构内处理多种模式和偏振光的波导。这意味着这些电路可以携带更多的信息而不需要增加物理尺寸。

此外，它们还集成了长度复用特性，这极大地提高了光子集成电路(PIC)的数据吞吐量。通过将波分复用元件直接集成到芯片上，可以同时使用多个波长的光，从而允许并行数据流——类似于在高速公路上开辟多条车道以加快交通流量。

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