白皮书——硅光芯片技术工艺大参考

8/01/2022，光纤在线讯，硅基光子集成在过去十多年内得到了飞速发展，通过硅基光子集成可以将光场紧束缚于微米/纳米尺度的芯片结构上。硅基光电子集成技术利用成熟的微电子互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺设备，在绝缘体上硅（SOI）上制造用于光通信、光互连和光信号处理的光电子器件和芯片，可实现低成本、批量化生产。

目前，硅基光电子集成技术与器件的发展前景究竟如何？所面临的问题与挑战究竟怎样解决？它的发展对传统的信息技术和产业会造成怎样的影响？我们应该如何抓住机遇实现快速发展？等等，这些不仅涉及数据中心光互连需求、WDM光连接技术下沉、硅光集成技术、硅光封装工艺等核心技术问题，还和产业政策、技术演进策略等多方面因素有关。硅光的投资即是难得的机会，也面临巨大的挑战。本报告将详细解答。



在第一章首先回顾了半导体微电子芯片的集成与封装技术的发展历程；详细阐述了FlipChip/Bumping、晶圆级WLP、2.5D、3D等新型封装技术；为了给硅光集成技术做好铺垫，对芯片制造全工艺流程及关键工艺如薄膜沉积与生长、光刻、掺杂、异构芯片铜互连等进行了详细介绍和阐释。后摩尔时代SoC芯片继续微缩面临的压力，提出了研发突破口为向多维扩展要芯片性能的新发展空间的思路，即采用Chiplet技术延续摩尔定律生命力。研究了晶体管演进、逻辑与存储异构集成、ASIC交换与光模块异构集成等核心关键技术。

第二章研究了5G和数据中心的新需求，云网融合背景下的新基建需求。分析了通用化、智能化、开放化的WDM技术创新，以及低成本高速光连接技术向网络末端下沉的各种关键技术，包括低成本倍频技术、PAM-4、400G、PAM-4直调直捡、PAM-4+DSP、相干技术的下沉等。

第三章以硅光芯片集成技术为核心内容，首先回顾了集成光学、光子学、硅光学的发展历史，厘清了电子、光子、硅光、硅光子、Si基、PLC、PIC、SOI等名词的概念和关系；更进一步地，对硅光集成、硅基集成、混合集成、单片集成、光电集成也厘清了它们之间的相互关系；然后，分别从硅光多维度集成资源、硅光材料、硅光集成元器件等各种角度细致研究了硅光集成技术原理、分类特征和应用优势。

第四章系统研究了硅光芯片的高级集成技术及硅光异构芯片的先进封装工艺，分别详细研究了硅光集成的核心关键技术创新，包括：兼容CMOS、SiN新波导材料、光源集成、异构集成、异质外延生长集成、单片集成等工艺创新；对光源耦合、异质键合、外延层转移、TSV转接、多维封装、收发器单片集成等硅光芯片的新技术与新工艺原理都进行了深入的研究。首次系统分析了CPO概念、原理、应用系统设计、载板工艺和商用系统开发创新核心研发方向；最后对Intel等公司的硅光集成封装平台进行了简要介绍。

第五章将前面两个章节关于硅光集成技术与封装工艺原理全部落实到高速并行400G光模块的产品开发上，着重研究了400G的技术标准、封装规格、400G硅光光模块的并行方案设计、400G集成封装工艺、400G光模块应用方案，还详细分析了业界已商用化发布的400G硅光光模块产品的优化改进思路。作为后续演进方向的顺延，还研究了800G光模块的技术选择与硅光工艺的实现方案。

第六章逐一介绍了基于硅光集成技术制造的各种有源、无源光器件和光芯片。有：光栅、光频梳、耦合器、微环谐振器、偏振分束器、多维复用/交换芯片、各种复用/解复用器、MZI/MRR型电光调制器、硅基调制器、可重构硅光集成器件、光开关阵列、隔离器……。

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