集成光子学的曙光

无论是数据通信、航空航天传感器还是自动驾驶汽车，无论是生物光子学还是医学，集成光子学正在突破技术界限。未来，随着世界各地数据流量快速增长，这项技术将大有前途。这项新兴技术的重要参与者将于6月25日至30日在世界光子学大会上齐聚一堂，并于6月27日在慕尼黑举行的德国慕尼黑国际光博会上相聚一堂。

光子集成电路代表着计算机行业的未来

在自然科学领域，可能没有奇迹，但来自TRUMPF、蔡司和Fraunhofer IOF的团队获得2020年德国未来奖的EUV（极端紫外线）曝光工艺，将在行业创造新的奇迹。在他们的工艺中，为了提供具有个位数纳米范围（nm）结构的最先进的半导体芯片，每秒50000个锡滴被高性能CO2激光器的两个脉冲轰击。以这种方式点燃的锡等离子体发射芯片曝光所需的极短波（13.5nm）EUV辐射。这一过程基于精确的光学系统，该光学系统可以精确地引导激光束，使其能够从地球上击中放在月球上的高尔夫球。

得益于激光技术和高端光学的结合，芯片技术正在以超乎想象的规模发展。几年前，在指甲表面安装100亿颗晶体管是可能的；这个数字现在已经接近万亿大关。根据摩尔定律，集成电路中的晶体管数量每18个月翻一番。由于纳米规模的生产已经达到了技术上可行的极限，因此需要“超越摩尔”的概念。它仍然是关于通过2.5D中间步骤进入第三维度的芯片设计。但从长远来看，即使是3D芯片也不足以应对全球快速增长的数据量。

ASML的EUV光刻系统汇集了当前世界上最先进的激光技术和光学系统

集成光子学可以突破界限

一种解决方案是：以光子集成电路（PIC）的形式将光子直接集成到芯片、传感器和其他技术组件中，而不是使用光子工艺来制造电子芯片。一种有前途且具有成本效益的解决方案是在传统硅片上制造这种光学电路。这是因为半导体行业现有的生产基础设施只需要选择性地补充，就可以使用既定的脉冲蚀刻工艺将基于光的电路引入硅中。

原则上，这意味着具有激光源、光导、耦合器、滤波器、信号调制器、环形谐振器和光电探测器的整个光子系统可以集成到芯片中。由于制造业的世界也将在纳米尺度上继续发展，因此需要最大的精度。实现这一点需要迭代、互锁的设计、验证和制造过程。需要数百个工艺步骤来实现纳米精确对准，并利用最佳的热校正选项。光学电路的推动者来自激光界：纳米定位技术、超精密测试和测量方法，以及选择性补偿硅光子缺陷的III-V族半导体。

Synopsys和Cornerstone等模拟和设计工具、制造解决方案（FiconTEC、finetech、LIGENTEC）的领先提供商，以及测试和测量解决方案、定位技术和半导体的提供商，将在慕尼黑国际光博会上展示他们的创新。在A2展厅，将有一个集成光子以及面向应用演示的重点区域。世界光子学大会将在慕尼黑聚集数千名国际专家，也将彻底解决集成（硅）光子学问题。这项技术的潜力是巨大的。

巨大的潜力

在PICs中用光代替电可以消除诸如强烈的发热、将光学远程传输的数据转换为电信号（反之亦然）以及电子光学组件的空间要求等缺点。而且，由于数据是在小型化的PICs中以多种模式在多个波长上传输和处理的，因此以更高的速度、低的热效应和最佳的集成能力相结合，创造了一个可行的前景，可以成倍地增强，更有效地处理不断增长的全球数据量。

在十年内，集成光子学已经发展成为数据中心的关键技术。从全球光纤网络中的光数据传输开始，在服务器场中以光收发器的形式发展，然后提供芯片到芯片的连接，现在正在发展到单个微芯片。由于相对较低的发热量，这项年轻的技术还将降低数据中心的能耗，而数据中心的二氧化碳排放量约占全球二氧化碳排放量的2%。根据Yole Intelligence的预测，在该应用的推动下，到2027年，硅光子学的全球销售额预计将增至9720亿美元，与2021相比，增长6.5倍。

然而，集成光子学的市场潜力远非这些。该技术还可以应用于小型激光雷达传感器，从而帮助自动驾驶技术更好地发展。研究实验室正在使用带有集成光子电路的微米细针，以非常有针对性的方式刺激活体组织中的荧光效应。世界各地都有项目使用PICs开发智能植入物、微型诊断和分析设备或微型传感器，用于航空航天、农业、食品工业和许多其他应用领域。简言之：集成光子学有潜力开创一种新时代的技术。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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