材料与芯片平台

异质集成

Heterogeneous Integration
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定义

把不同材料体系的器件(硅、InP、铌酸锂等)集成到同一平台上,各取所长。

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横轴=调制带宽能力 · 纵轴=能否在同一材料体系内自己发激光能发光 ↑需外挂光源 / 无源 ↓调制带宽 高 →PLC无源SiN低损耗无源硅光CMOS 级集成TFLN带宽最高GaAs850nm VCSELInP光源 + 高速调制没有任何一种材料同时占据右上角。现实组合:硅光做集成底座 + InP 供光 + TFLN 做高性能调制。
材料平台定位 把材料平台放在「能否自己发光」和「调制带宽」两个维度上,就能看清各自的位置:右上角是空的。InP 能发光但集成度低,硅光集成度高但自己不发光,TFLN 带宽最好但同样要外挂光源。这就是为什么异质集成和「外置光源」会成为产业必答题。
硅光 PIC 的典型构成 · 硅自己不会发光,光源必须从外面来外置光源InP CW 激光器ELS硅光芯片 SiPh PIC · CMOS 晶圆级制造光栅耦合器或端面耦合分束 / 合波MZI · AWG调制器阵列MZM / 微环探测器阵列Ge PD硅波导 · 无源光路(把以上器件连起来的那层)电接口 / DSP驱动与跨阻把上排的「调制器阵列」换成 TFLN 薄膜铌酸锂调制器,就是当前最受关注的异质集成方案。CPO/NPO 的底座通常就是这块芯片,它决定了整机能不能做小、做便宜、做量产。
硅光芯片典型构成 硅光芯片把调制器、探测器、分束器、波导做在同一片硅上,用 CMOS 产线量产,这是它能做到低成本高集成的根本原因。但它不能自己发激光——光源必须从外部引进来,这就是「外置光源 ELS」在 CPO/NPO 方案里反复出现的原因。

说明

异质集成指把不同材料体系的器件集成到同一平台上,各自发挥所长。在光互连领域,最典型的组合是:硅光做波导与集成底座 + InP 提供光源 + 铌酸锂做高性能调制

之所以必须异质集成,是因为没有任何一种材料能同时满足「能发光、带宽高、易于大规模集成、成本低」这四个条件。材料平台的坐标图上,右上角是空的——这就是异质集成存在的根本理由。

实现路径主要有两类:一是晶圆键合(把不同材料整片贴合后再加工),二是外延生长(在一种材料上生长另一种材料)。前者的成熟度相对更高,也是当前 TFLN 与硅光结合的主要方式。

工程上的难点集中在热膨胀系数失配、界面损耗、以及良率控制——异质界面的任何缺陷都会同时影响光损耗和器件可靠性。

关键数字

硅光 + InP + 铌酸锂典型三方组合
晶圆键合 / 外延两条主要实现路径
热失配与界面关键技术难点

关键要点

  • 典型组合:硅光负责无源与调制 + InP 提供光源 + TFLN 提供高性能调制。
  • 是绕开单一材料短板的现实路径,也是 1.6T/3.2T 方案的主流工程选择。
  • 实现方式包括键合、外延、微转印等,界面损耗与热失配是主要难点。
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