硅光（SiP）已經受益于通信行業的強力推動。通過利用業界龐大的CMOS和相關的大批量硅工藝、材料和封裝專業知識，SiP正在超越電信和數據通信領域，將硅制造的經濟和性能帶到汽車和生物技術應用中。

隨著全球經濟陸續從新冠疫情中復蘇，以及世界各地經濟活動的節奏加快，寬帶連接的重要性不言而喻。各國都在擴大其寬帶覆蓋范圍，用戶亦需更高的數據速率，以滿足他們不斷增長的視頻和應用需求。由此導致過去十年數據流量激增。曲線顯示了思科網絡數據對未來十年的推斷，這是一個必然的結論；數據流量很大，而且增長很快。

紅色曲線表示IP (Internet Protocol)數據流量，表示所有的傳輸數據，無論這些數據是通過無線網絡還是有線網絡傳輸的。這一數據推斷預測，在預測期內，預測流量將增加125倍。更令人印象深刻的是藍線所顯示的數據量。這條曲線表示數據中心的預期數據流量。這種短距離的數據流量是IP數據的5到6倍，它反映了數據通信的重要性日益增加，因為我們越來越適應云計算，家庭成為我們與世界許多互動的中心。

這種通信活動的規模正變得越來越清晰。隨著5G無線標準的出現，手機終端數量將超過10億臺，整個電子產品市場也將受到影響。有報告稱，光模塊總出貨量將在未來5年內達到10億，數據中心端口年出貨量將在未來幾年超過6000萬。

這種通信技術的需求，對硅光和光集成電路(PIC)生態系統的發展和成熟中起到了推動作用。雖然目前的通信需求推動了光學市場，但該行業正在關注其他快速增長、大批量的應用，這些應用可以從器件和網絡中更多的光產品中受益。

硅光

光器件面臨著與電子器件相同的壓力，即體積更小、價格更低、性能更好以實現更多的功能。面對這些挑戰，光學元件制造商采用的是更多的一體化方案。光集成電路設計和制造技術隨著組件發展方向的發展，在光模塊中包含更多的電氣和光學功能。這些模塊是直接和相干檢測方案的混合體，這意味著需要各種化合物半導體來優化線性功能，同時還需要越來越多的數字硅來提高性能特性。

圖2顯示了光集成電路必須解決的功能概念框圖。隨著數字處理和控制能力在光學應用中變得越來越重要，硅成為集成介質的自然選擇。這為利用硅技術的大規模加工和制造基礎設施提供了相對較小的批量機會。除了生成功能外，制造商在圖2所示的所有功能中都使用現有的基于硅cmos的工藝。硅是一種間接帶隙材料，因此它不會發射光子，這意味著生成功能需要另一種技術。硅光器件成為一個光集成電路的子集，硅光集成電路完成了除激光器以外的所有功能。

新的市場應用

總的來說，光學行業對傳感應用的潛力感到非常興奮。隨著汽車行業向更多電動汽車、更復雜的ADAS(高級駕駛輔助系統)功能和完全自動駕駛發展，汽車平臺引起了人們的極大興趣。在受到新冠肺炎的沉重打擊后，汽車行業正朝著每年1億輛的全球銷量趨勢發展，如圖3所示，汽車的傳感和檢測機會正在增加，并變得非常復雜。各種尺寸和用途的車輛平臺正在成為傳感器輸入網絡。

“傳感器”這個術語，包含許多不同的功能和技術。隨著汽車開始融入更多的計算機化功能，傳感器在汽車應用中變得越來越重要。隨著半導體檢測和處理能力的提高，駕駛輔助的范圍也在擴大。全面深入地討論傳感器的應用和技術超出了本文的討論范圍，但目前出售的大多數車輛都結合使用了不同頻率的攝像頭、超聲波傳感器和雷達，以實現自適應巡航控制、停車輔助、自動緊急制動和盲點監控等功能。這些技術有優點也有缺點，光電子行業對建立早期成功的激光雷達系統特別感興趣，以幫助汽車行業向完全自動化發展。

LiDAR激光雷達(光探測和測距)使用與Radar雷達(無線電探測和測距)相同的原理，兩個系統都發射電信號，然后探測來自遠處物體的反射。主要的區別是雷達信號的波長是厘米或毫米，而LiDAR使用波長為納米的光信號。這一點很重要，因為兩種系統的分辨率都與波長有關。由此帶來的分辨率的提高使LiDAR系統能夠繪制出一個開始接近實際圖像的三維圖像，如圖4所示。通過使用一個或多個旋轉收發器，該系統可以創建車輛周圍360度的3D圖像。當然，LiDAR技術也面臨著挑戰，這也是硅光行業被認可的增值之處。

第一個挑戰是合適的系統波長。LiDAR系統接收到的反射光必須在環境照明中被識別為信號。850nm-940nm波長范圍內的太陽輻照量比波長1500nm的水平高三倍。這種增多的太陽輻照量轉化為系統噪音，但在850nm波長處具有實質性的顯影活動，這開始讓我們了解到硅光的優勢和機會。

檢測反射信號的能力取決于傳感器的材料特性。硅在大約1000納米的波長下是有反應的，但在更長的波長檢測需要一種化合物半導體材料。LiDAR系統的探測器已經從PIN二極管發展到雪崩光電二極管，再到單光子雪崩二極管(SPAD)和硅光電倍增管(SiPM)，后兩種方法能夠被制造成具有更多能力的陣列。盡管更高的太陽輻照度帶來了挑戰，但可以被硅半導體探測和處理的波長提供了成本和性能優勢。

早些時候，我們提到通過旋轉LiDAR系統實現360度覆蓋，雖然早期版本使用這種方法，但LiDAR制造商的目標是開發一種陣列方法，在方位角和仰角方向引導光束。MEMS和鏡子，以及液晶超表面，都是正在開發的陣列組件，但光電子行業正試圖開發一種光學相控陣（OPA）。就像它的射頻對應物一樣，OPA需要一個包括啁啾或脈沖激光源、隔離器、放大器、調制器和分流器的發射路徑，以及一個包括合路器和探測器的接收路徑。這兩條路徑還需要傳輸、濾波和其他無源結構，檢測到的信號將經過大量的處理，以產生像我們在圖4中所見的詳細呈現。

除了激光，所有必要的功能構件都存在于目前從事光產品的硅代工廠里的工藝設計套件（PDK）中。需要使用非硅技術的分立激光器是一個挑戰，但新興的硅光機會已經在接受和優化這一障礙。這代表了一種可以接受的讓步，以進入大型和資本雄厚的硅代工和封裝行業。

一些觀察人士認為，由于技術限制，LiDAR的部署已經放緩。解決這些挑戰的辦法是通過集成和挖掘更多具有成本效益的制造和生產技術，使電路和面積小型化。隨著生態系統的成熟和發展，新興的硅光組件行業正在解決所有這些問題。以上這些特點，再加上不斷縮小的硅節點中更多的數字處理能力，使得硅可能成為LiDAR在汽車應用中具有潛力的技術選擇。

LiDAR也已經進入了其他商業應用。蘋果公司在其最新的一系列設備上加入了這一功能。LiDAR功能提高了分辨率和深度，使圖片更加逼真。隨著增強型和虛擬現實設備的普及，這種能力正變得越來越重要。LiDAR允許在3-D元素疊加之前對空間進行測繪。無人機和機器人使用該技術進行更精確的測繪和定位。

在更廣泛的范圍內，硅在波長小于1000納米（可見和近紅外光譜）的檢測能力使其成為生物傳感器的絕佳選擇。這開啟了一系列健康應用，如葡萄糖監測、癌癥或其他傳染病的早期檢測，目前有公司正在開發基于PIC的生物傳感器，以開發COVID-19的快速檢測。人們正在討論將這些功能納入智能手表，以實時提供醫療遙測數據。生物傳感器技術的其他應用包括檢測環境中的污染物和食品工業中的化學殘留物和傳染病。

結論

隨著消費者和企業接受更復雜的數字功能，數據流量正在急劇增加。實現這種流量爆炸的規模意味著網絡和設備越來越多地轉向光傳輸，因為這種技術具有巨大的帶寬能力。就像任何電子產品的性能一樣，隨著數量和性能的增長，尺寸、重量、成本和性能變得越來越重要。對于光市場來說，這意味著越來越依賴使用多種技術和混合組裝方法的光子集成電路，以及新興的硅光子器件，將除激光以外的所有所需功能集成到硅CMOS技術中。

硅光生態系統相對較新，但它正在迅速發展，它利用了大型的、成熟的CMOS制造基礎設施。雖然硅光解決方案很新，但通信和連接應用卻不是，這些市場機會的規模是硅光收入的一個巨大增長引擎。

來自通信需求的強大推動，使光行業能夠關注周邊的應用，這些應用將從硅光和光集成電路的優勢中受益。汽車應用中的LiDAR正在成為光子學更令人興奮的周邊應用之一，因為該行業正在向更多的自主內容和能力發展。汽車產量很大，雖然仍有一些挑戰需要解決，但硅光生態系統對此很感興趣，他們正在開發令人信服的解決方案來應對這些挑戰。這種強大的增長引擎與新興的汽車和傳感器機會的結合，支撐著我們看好光市場的前景。

審核編輯：湯梓紅