硅光，大势所趋

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文章摘要

光纤传输因其速度和效率优势成为全球电信网络首选，但在机架或电路板间短距离传输中，需缩小光器件体积以发挥节能优势。人工智能工作负载需要在数据中心内部进行更多的数据传输，所需的带宽限制了整体性能，并且是功耗的主要来源。领先的高性能芯片可能将高达一半的总功耗用于数据传输。决定互连效率的关键指标包括有效距离、带宽密度、能量效率及计算效率。为缩小光器件尺寸，设计人员考虑可插拔组件、共封装光学器件及光输入输出模块三种方案，其中共封装光学器件将分立光学元件与电子控制电路集成在一起。

光子互连基本单元包含光源、调制器、波导、光电探测器及耦合器。数据中心通常使用磷化铟二极管激光器，但其可靠性需注意，集成模块需在封装前识别性能良好的激光器。调制器决定数据传输速率，铌酸锂材料虽效率高但体积大且存在污染风险，硅谐振器或有机玻璃发色团成为替代方案。硅并非一种高效的调制器，人们仍在寻找替代方案以降低损耗。硅是优异的低损耗波导材料，锗则是理想的光电探测器材料。耦合器负责在折射率不同的材料之间传输光，耦合损耗可能占整个系统损耗的很大一部分，设计不应引入光学缺陷。

电光集成旨在缩短互连距离，异构集成面临连接经济性及新问题分析。机械应力会导致光学畸变造成光损耗，设计工具需模拟热应力和机械应力带来的光学和电学效应。厚锗层外延沉积可能占到整个电路成本的百分之四十，成为成本控制的关键难点。磷化铟激光器可通过微转移印刷或晶圆键合技术集成，电路电子部分可在传统晶圆厂制造并通过铜混合键合连接。尽管开发出全集成光子互连技术仍有工作要做，但扩展东西向流量需要光互连已成为行业共识。设计人员通过缩短控制电子设备与光学元件之间的距离来提高性能并降低功耗，从而实现随着硅电路扩展而扩展的目标，最终满足高性能计算需求。