光子集成電路（PIC）是如何發(fā)展的？

  集成電路（IC），也被稱為芯片或微芯片，最早開發(fā)于20世紀(jì)50年代末，是今天使用的幾乎所有電子設(shè)備中的關(guān)鍵器件。大多數(shù)現(xiàn)代集成電路芯片由半導(dǎo)體晶圓制成并由電驅(qū)動(dòng)，都以平方毫米為單位衡量其面積，可以由數(shù)千或數(shù)百萬個(gè)微小的電阻器、電容器、二極管和晶體管組成。

  然而，隨著芯片的日益微型化，我們正在迅速接近這樣一個(gè)地步：在晶圓上再裝更多的元件在物理上是不可能的。這個(gè)被稱為 "后摩爾定律 "的世界最早可能在2036年出現(xiàn)，并可能對(duì)半導(dǎo)體制程的進(jìn)一步發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

  更糟糕的是，目前的集成電路芯片已經(jīng)受到大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備和人工智能（AI）帶來的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)使用量的壓力。簡(jiǎn)單地說，目前的IC架構(gòu)無法應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致了帶寬瓶頸和數(shù)據(jù)傳輸速度下降。

  幸運(yùn)的是，近年來，集成光子學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)展迅速擴(kuò)大，并可能形成一種新型的集成電路架構(gòu)的基礎(chǔ)，這種架構(gòu)使用光而不是電來傳送信號(hào)和驅(qū)動(dòng)組件。

  什么是集成光子學(xué)？

  光子集成電路（PIC），也被稱為光子芯片，是一種使用兩個(gè)或更多的光子元件來形成一個(gè)功能電路的微芯片。光子芯片與電子芯片的不同之處在于，它使用光粒子（光子）而不是電（電子）來感知和傳輸信息。

  與電子芯片相比，光子可以提供更大的帶寬。此外，光子不會(huì)像電子那樣遇到任何相互間的阻力，這就轉(zhuǎn)化為更快的數(shù)據(jù)傳輸速度和更低的熱效應(yīng)。

  使光子芯片有別于電子芯片的另一點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)中使用的基底材料。在大多數(shù)電子芯片中，硅是首選，因?yàn)樗哂懈邔?dǎo)電性、低成本和成熟的加工技術(shù)。

  然而，對(duì)于光子學(xué)來說，硅不是一種可行的材料，因?yàn)樗墓獍l(fā)射性能很差。相反，在光子發(fā)展中出現(xiàn)了三種不同的基材，即磷化銦（InP）、氮化硅（SiN）和硅/硅基光電子（SiP）。無論芯片制造商選擇使用何種材料，都將取決于芯片的預(yù)期應(yīng)用，因?yàn)槊糠N基材都有自己的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。從理論上講，也許有一天可以將這三種材料結(jié)合起來，創(chuàng)造出最終的PIC，但鑒于目前PIC市場(chǎng)的規(guī)模有限，對(duì)于制造商來說，現(xiàn)在追求這種努力還沒有經(jīng)濟(jì)意義。

  數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的光子技術(shù)

  光子芯片的主要好處之一是改善數(shù)據(jù)通信，這導(dǎo)致了PIC在不同行業(yè)領(lǐng)域的許多應(yīng)用，包括自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、國(guó)防和航空航天。但是，從光子學(xué)的進(jìn)步中獲益最多的兩個(gè)部門也許是數(shù)據(jù)管理和電信部門。這就是光子芯片可能在未來幾十年對(duì)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生最大影響的地方。

  數(shù)據(jù)中心的集成光子學(xué)

  從2010年到2018年，全球互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了10倍以上，而全球數(shù)據(jù)中心的存儲(chǔ)容量增加了25倍。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來的新的可能性，這種每天產(chǎn)生和消耗的數(shù)據(jù)量的巨大增長(zhǎng)只會(huì)繼續(xù)下去。由于這些不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求，用于連接服務(wù)器的傳統(tǒng)銅纜正在遭受帶寬瓶頸，影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

  銅纜往往在幾個(gè)Gbps的范圍內(nèi)就達(dá)到了帶寬的極限，而光纖的極限幾乎是無限的，可以以超低的延遲達(dá)到數(shù)百Gbps或Tbps的傳輸速度。此外，數(shù)據(jù)中心還可以將光子芯片與高帶寬發(fā)射器和接收器等板載部件集成在一起，使系統(tǒng)性能和可靠性得到顯著提高。

  節(jié)省能源使用成本

  電子在通過銅線時(shí)遇到的阻力的后果之一是產(chǎn)生大量的熱量。這對(duì)電子芯片中使用的硅來說是一個(gè)很大的問題，因?yàn)楣柙跓釕?yīng)力下往往會(huì)迅速破壞。出于這個(gè)原因，需要大量的冷卻來保持?jǐn)?shù)據(jù)中心的運(yùn)行，這反過來又導(dǎo)致了大量的能源消耗和高碳排放。據(jù)估計(jì)，僅冷卻就占了數(shù)據(jù)中心所消耗能源的33%。

  相比之下，PICs產(chǎn)生的熱量要少得多。事實(shí)上，它們產(chǎn)生的熱量如此之少，以至于它們不需要任何專門的冷卻系統(tǒng)。這種極端的能源效率在未來幾年可能會(huì)變得更加重要，因?yàn)樽鳛闇p少碳排放努力的一部分，數(shù)據(jù)中心面臨著削減能源消耗的壓力。

  下一代6G網(wǎng)絡(luò)

  即使在5G繼續(xù)在世界各地推出的時(shí)候，電信公司已經(jīng)在討論6G的潛在設(shè)計(jì)，它有望比5G快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)計(jì)在本世紀(jì)末推出的6G可以提供高達(dá)1 Tbps的速度，為3D全息視頻、8K流媒體以及改進(jìn)的人工現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備的新進(jìn)展打開大門。光子學(xué)肯定會(huì)成為6G的決定性技術(shù)，因?yàn)樗梢栽趲捄蛡鬏斔俣确矫姹入娮訉W(xué)有明顯的改進(jìn)。

  最后的思考

  在未來的十年里，很明顯，光子芯片將成為數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的首選。它們能夠在寬廣的帶寬上提供閃電般的速度，并具有低熱效應(yīng)，這使它們成為處理快速數(shù)字化社會(huì)中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的最佳解決方案。盡管如此，必須牢記，這只是光子學(xué)的開始。不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求肯定會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)它們的發(fā)展，導(dǎo)致新的用例和擴(kuò)大的市場(chǎng)，在未來五年內(nèi)可能達(dá)到新的高度。