[论文解读] Roadmapping the Next Generation of Silicon Photonics

Sudip Shekhar, Wim Bogaerts+5 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2023

Photonic and Optical Devices被引用 19

一句话总结

这是一份展望路线图，鉴别代际趋势、挑战与机遇，将 silicon photonics 从数百万单位扩展到数十亿单位，覆盖用于通信、传感与计算的器件、集成与封装。

ABSTRACT

Silicon photonics has developed into a mainstream technology driven by advances in optical communications. The current generation has led to a proliferation of integrated photonic devices from thousands to millions - mainly in the form of communication transceivers for data centers. Products in many exciting applications, such as sensing and computing, are around the corner. What will it take to increase the proliferation of silicon photonics from millions to billions of units shipped? What will the next generation of silicon photonics look like? What are the common threads in the integration and fabrication bottlenecks that silicon photonic applications face, and which emerging technologies can solve them? This perspective article is an attempt to answer such questions. We chart the generational trends in silicon photonics technology, drawing parallels from the generational definitions of CMOS technology. We identify the crucial challenges that must be solved to make giant strides in CMOS-foundry-compatible devices, circuits, integration, and packaging. We identify challenges critical to the next generation of systems and applications - in communication, signal processing, and sensing. By identifying and summarizing such challenges and opportunities, we aim to stimulate further research on devices, circuits, and systems for the silicon photonics ecosystem.

研究动机与目标

• 以与 CMOS 世代（SSI、MSI、LSI、VLSI）类比的方式描绘 silicon photonics 的代际趋势，并预测未来的扩展。
• 识别阻碍 CMOS-foundry 兼容的 silicon photonics 的集成、制造与封装瓶颈。
• 突出关键应用（通信、信号处理、传感）以及为实现更广泛部署必须解决的问题。
• 总结新兴技术与途径（材料、异质/混合集成、封装），以刺激进一步研究。
• 提供面向系统的视角，指导 silicon photonics 生态系统中的器件、电路与系统开发。

提出的方法

• 回顾并综合跨代（从 SSI 到 VLSI）的历史与当前 silicon photonics 进展。
• 使用 CMOS-foundry 基准来识别关键材料、器件与封装瓶颈。
• 评估新兴技术（例如 Ge 光探测器、SiN、LNOI、异质/混合集成、先进封装）作为潜在解决方案。
• 在系统层面背景下讨论 E/O 调制、激光集成、雪崩光探测器与时延/相位移机制。
• 提出将光子学与电子生态系统及协同设计机会联系起来的系统视角。

实验结果

研究问题

• RQ1 要把 silicon photonics 的普及从数百万台提升到数十亿台，需要哪些条件？
• RQ2 下一代 silicon photonics 在器件、集成与封装方面将长成什么样？
• RQ3 在 silicon photonics 应用中，集成与制造瓶颈存在哪些共同线索，哪些新兴技术能够解决它们？
• RQ4 如何推进 CMOS-foundry 兼容的工艺与封装，以实现用于通信、传感与计算的可扩展系统？
• RQ5 推动 silicon photonics 生态系统持续增长的战略路径（材料、集成与系统设计）是什么？

主要发现

• silicon photonics 遵循类似于 CMOS 的代际演变，从 SSI 到 MSI、LSI，向 VLSI 发展，PIC 的元件数量在持续增加。
• CMOS-foundry 的约束推动需要可扩展、低成本、高良率的集成，强调异质/混合集成和先进封装。
• 关键瓶颈包括 E/O 调制效率、激光器集成、无源对准封装以及时延/相位移机制，均影响密度和功耗。
• 新兴材料与方法（Ge 光探测器、SiN 波导、LNOI 调制器、BTO、聚合物、MEMS/NOEMS、相变材料）提供潜在改进，但需要与 CMOS 兼容的集成与热管理。
• 系统视角显示光子学与电子学生态系统之间存在强烈的相互依赖，具有共同设计优化数据链路、数字信号处理（DSP）以及热/空气/动态性能的机会。