半导体黑科技新宠~硅光子技术
在摩尔定律的推动下，经过几十年的发展，电子芯片逐渐遇到性能瓶颈，尤其是速度与大数据带来的巨大压力。光子芯片具有明显的速度优势，可使芯片运算速度得到巨大提升。伴随着人工智能、物联网发展，光子芯片在智能终端、大数据、超算等领域将发挥巨大作用。
当互联网流量在用户和数据中心之间传递时，越来越多数据通信发生在数据中心，让现有数据中心交换互联变得更加困难，成本越来越高，由此技术创新变得十分重要与紧迫。
现在有一种半导体技术——硅光子，具有市场出货量与成本成反比的优势，相比传统的光子技术，硅光器件可以满足数据中心对更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和可靠性的依赖。
近几年，多家国内外有影响力的知名公司斥资大量金钱进入硅光子芯片技术领域，中国信息通信科技集团宣布，我国首款商用“100G硅光收发芯片”正式研制投产；上海市政府将硅光子列为首批市级科技重大专项，予以全力支持；国内上市公司亨通光电宣布在硅光芯片上获得突破。
什么是硅光子学
相比传统技术， 硅光PID技术在功耗上占据极大优势
随着芯片设计人员迫切需要不断提高的数据速率，将带有红外光子信号的波分复用（WDM）用作数据传输介质的方法越来越多地运用于基于CMOS硅的器件中。这种技术被称为“硅光子学”（SiPh），不仅被用于取代传统的电气互连，而且还被广泛用于包括激光雷达，量子计算和生物传感在内的各种应用
什么是硅光子技术
硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。
为何关注硅光子？
全球数据流量正在高速发展。尤其是正在到来的5G引爆的各种引用，将会进一步推动数据中心流量的增长，这就对其内部的传输提出了新的需求，硅光子就是为了解决这个问题而产生的。
目前，传统光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成，本质上属于“电互联”。而随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶颈，在此背景下，硅光子技术运用而生。
2018~2024年硅光子收发器市场预测
硅光学技术的种类
硅基光子材料
1，硅基纳米发光材料
目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长;在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长;扫描探针显微术的表面纳米加工;全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。
2、硅基光子晶体
光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。
硅基光子集成
硅基光子集成
研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题;制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题;电互连、光互连与光耦合等问题。结构设计与制作工艺的相容性问题则是能否实现硅基光子集成的关键所在。
硅基光子器件
硅基光子器件
1、硅基发光二极管
作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管(Si-LED)的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光;从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。研究人员已尝试了三种硅基纳米材料用于高效率Si-LED的制作，即硅纳米量子点，高纯体单晶硅和掺Er3+的硅纳米晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx膜层中的硅纳米量子点所制成的电致发光LED，室温下的外量子效率可高达1.6%。
2、硅基激光器
目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳米晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅(SOI，Silicon-On-Insulator)光波导结构。2005年2月17日的《Nature》杂志上报道了Intel公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。
3、硅基光探测器
硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm波长的响应率分别为：600mA/W、520 mA/W、100 mA/W。该探测器能够覆盖光通信整个C band和大部分L band范围，具有2.5GHz的3dB带宽，在1310nm和1550nm的性能能够和目前用于通信的商用铟镓砷(InGaAs)探测器相比拟。
4、硅基光调制器
光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。2004年2月，Intel率先在享有很高声誉的《Nature》科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s的硅光调制器。仅过了一年，Intel的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s
在硅光子晶圆上要实现的测量及对设备要求
例如纯参数光学：插入损耗（IL），偏振相关损耗（PDL）测量，光学/电S参数，EE， EO，OE，OO，光学眼，抖动，发射机和色散眼图闭合（TDEC），例如在接收机端的误码率（BER）测试。
要求集成非常精确的单光纤和/或多光纤阵列对准系统，并结合常见的直流电和射频电信号。光纤探头臂与设备的工作波长和梯度耦合器的角度相匹配。自动化且高精度的Z感应，可将光纤与光学I / O保持恒定的微米级距离。高机械稳定性和振动隔离控制，以最大程度地减少例如跨阻放大器（TIA）输出电压变化。
探针台测试解决方案
TS3000SiPh为硅光子晶圆上测试设计了专用的SiPH升级 。该系统具有高刚性的探针台板，并提供了最短的台板到卡盘的距离，从而使短而低质量的光纤臂具有更高的机械稳定性和更低的测量噪声。SiPH探针系统可以轻松配置多达6轴的精确光纤定位台和相关软件，以满足不同的要求。如果需求不断变化，那么简单的升级路径可确保预算和时间的安全。提供仅适用于单光纤或多光纤阵列的解决方案，所有解决方案均与自动Z传感单元集成在一起，以恒定距离光学I / O几微米的距离。TS3000 SiPH提供独特的安全概念，提供集成的碰撞保护功能，不仅可以防止晶圆在初始设置时与光纤发生碰撞，而且可以防止独立的I / O光纤/臂发生碰撞。无缝的集成式测量机架可容纳控制器，驱动器，非常紧密且易于操作，无需占用额外的地面空间。
MPI 硅光探针台系统
TS3000-SiPh
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