欧洲INSPIRE项目开发新工艺，混合光子芯片的大规模制造时代来临？

2022-04-02 15:05

更快、更节能的信息通信技术(ICT)和传感器，可以应用于高精度检测等方方面面。荷兰埃因霍温技术大学(TU/e)领导的一个欧洲联盟正努力实现这些应用落地。

自2020年以来，INSPIRE项目一直在开发一种新型打印方法，以实现混合光子芯片的大规模制造。这些技术结合了多种技术，为相关应用程序落地创造了新的可能性。

欧洲INSPIRE项目开发新工艺，混合光子芯片的大规模制造时代要来了？

（图片来源：INSPIRE项目官网）

片上光源具有更高的集成密度和更小的体积，在能效和能量比例方面具有更好的性能。然而，在硅片上集成激光光源仍是一项困难而复杂的工艺。Photonic Integration教授和INSPIRE的协调者Martijn Heck指出，目前的光子芯片主要有硅、氮化硅、磷化铟三种类型，它们都有各自的优缺点。

硅，特别是氮化硅，可以在芯片上以低损耗的性能进行光的传输。对于许多应用来说，最佳的设备应该是硅、这两种材料的组合。硅（特别是氮化硅），可以在芯片上以低损耗传输光，硅基芯片可以用现有的半导体制造技术生产出来。但如果要产生高性能光数据传输需要用的激光，就得用上磷化铟。

为了攻克这些难点，INSPIRE项目探索了三个专门的应用案例：

第一个是由项目合作伙伴泰雷兹(Thales)提出的分布式光纤传感读数器。泰利斯公司希望研制出一种可以借助光纤检测大型结构(如建筑物和桥梁)故障的系统。在这个方案中，一束激光脉冲被送入光纤。一旦结构出现故障，就会导致光纤故障，例如扭曲或断裂。

第二个应用案例涉及微波光子学，它被用于无线通信。泰雷兹也作为最终用户参与其中。研究人员们正在建造一个脉冲发生器，它将无线信号编码成微波光子信号，然后送入光纤，这项技术对军事雷达应用非常有用。

第三个应用案例是与剑桥大学合作开发的用于降低数据中心能源消耗的光开关，其挑战是为能够同时交换大量数据的全光开关设计新的设计。他们的目标是制作一个完全集成的设备，只有一个光纤输入接口和一个光纤输出接口，而研究人员需要找到方法，将数百个光放大器、相位调制器和波导分频器集成在一个芯片上，同时处理好它们将产生的热量。

在这三个用例之上，他们还在考虑开展第四个应用案例：光学量子处理器。如果能将磷化铟作为量子通讯的平台技术，那将有望进一步引爆这种技术巨大潜力。近期，已有研究机构进行了量子记忆电阻器的首次实验演示。通过在同一芯片中集成光学和电子元件，该器件可以得到增强；研究人员认为，这可以通过目前的半导体技术来实现。

当集成在一个芯片上时，多个光子元件（如波导、激光器、调制器和探测器）形成了光子集成电路。与传统集成电路相比，光子集成电路具有速度快、带宽宽、功率效率高的特点。

据ReportLinker的一份报告，2020年全球光子集成电路(PIC)市场规模约为8.702亿美元，预计到2026年将达到29亿美元，期间复合年增长率为21.7%。

据估计，到2021年，美国的光子集成电路(PIC)市场将达到3.867亿美元。据Cloudscene的数据，美国拥有全球最多的数据中心，全国大约有2600个数据中心——这几乎是全世界的33%。

欧洲INSPIRE项目开发新工艺，混合光子芯片的大规模制造时代要来了？

（制图：维科网·光通讯）

中国目前在全球市场上占有38%的份额，预计在2026年将达到3.853亿美元的市场规模，2020-2026年期间的复合年增长率为34.5%。其他值得注意的地理市场包括日本和加拿大，预计在此期间各自将分别增长16.2%和18.7%。在欧洲，德国预计将以约18.4%的复合年增长率增长，而其他欧洲市场在2026年结束时这一市场规模将达到5.227亿美元。

据观察统计，随着数据速率和带宽需求的增加，不少厂商与研究机构已经开始推动传统集成电路向光子集成电路(PIC)转变。

2021年11月，普渡大学的研究人员引入了一种新的光学隔离技术，消除了对磁铁的需求，并制成了专门的无磁光隔离器。近期，牛津大学的一组科学家建立了一种新型计算机存储单元，可以同时通过电和光信号对其进行访问或写入。这一令人意想不到的突破意味着芯片级光子学的可行性有望快速提升。

全球光子集成电路市场竞争较为激烈，有Neophotonics Corporation、POET Technologies、II-VI、Cisco Systems、Infinera Corporation、Intel Corporation等主要玩家。随着创新和技术的进步，许多公司正在通过签订新合同和开发新市场来扩大它们的市场占有率。

2022年3月，EFFECT Photonics和Jabil Photonics宣布他们将合作开发新一代相干光模块。新一代的相干光模块能够满足数据流、业务连续性、安全问题、全球扩展和可持续性的需求。

2022年3月，ColorChip集团和Skorpios Technologies建立了战略合作伙伴关系，使用Skorpios的颠覆性光学技术生产光模块，成本大大降低。

2021年9月，NeoPhotonics宣布推出其400G多速率cft2-dco相干可插拔收发器的高输出功率版本，输出功率为0 dBm，主要应用于地铁、区域和长距离基于ROADM的光网络。它基于NeoPhotonics垂直集成的磷化铟技术平台，包括超纯纳米可调谐激光器和40级相干驱动调制器(CDM)和相干接收器(ICR)。

2021年10月，思科系统与加州大学圣巴巴拉分校的研究人员合作，开发量子技术的新技术应用。这次合作是思科量子技术发展计划的一部分。