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片上激光器：专访 Scintil Photonics 首席执行官 Matt Crowley

这篇内容探讨了硅光子学的一个核心局限——它无法自行产生光。因此，行业正在转向“异构集成”方案，即在单一芯片上整合多种材料。Scintil Photonics 公司通过其专有的“翻转键合”（flip-and-bond）技术，将产光材料（磷化铟）集成到标准的硅光子晶圆上，旨在解决这一问题。该公司的商业模式并非出售其工艺，而是利用此工艺制造自有的、更智能的“软件定义激光阵列”，这种产品具备实时监控和诊断功能，最终目标是使激光器从一个简单的商品组件转变为一个智能系统。

硅的局限与光子学的演进

硅是制造光子芯片的理想材料，可以用来引导、分割、切换和探测光。但它有一个根本性的弱点：它不能有效地产生光（也就是激光）或放大光。因为硅是一种间接带隙半导体。所以，历史上所有的硅光子芯片都需要一个从外部附加的独立激光器，这种方式笨拙且难以规模化。

随着 AI 数据中心等场景对数据传输量的需求爆炸性增长，业界正加速用光学器件取代铜线。但这面临一个制造难题，正如一篇文章所指出的：

光学器件一直以来都采用缓慢的方式制造，由分立的部件手工组装并粘合在一起，你无法用手工方式满足巨型数据中心所需的产量。

为此，光子学的发展被看作经历了三个时代：

  • 分立时代： 所有组件都是不同产品，在不同工厂生产，然后手工粘合在一起。
  • 硅光子时代： 实现了高度集成，但仍需外部芯片来提供激光和放大功能。
  • 异构时代： 将不同功能的材料，如用于产生激光的磷化铟，直接集成到硅晶圆上。

什么是异构集成？

异构集成的核心理念是，不再试图用一种材料完成所有任务。相反，它主张为每个任务选择性能最佳的材料，然后将它们干净、廉价地键合（Bond）到同一块晶圆上。

  • 硅（Silicon） 非常适合用于无源电路和探测器。
  • 磷化铟（InP） 是产生激光和增益的理想材料。
  • 铌酸锂（TFLN） 则擅长高速调制。

最终的赢家，将是那个能够将所有这些材料完美封装在一起的公司。

Scintil 的解决方案：翻转与键合

Scintil 公司源自法国研究机构 CEA-Leti，其技术专注于将激光器、光放大器和调制器直接制造在标准的硅光子晶圆上。

这个过程的核心是一种被称为 “SHIP”（Scintil's Heterogeneous Integration Process） 的“翻转键合”技术。其工作原理大致如下：

  1. 从 Tower 等代工厂获取标准的硅光子晶圆。这些晶圆已经通过精密的光刻技术预制了激光器所需的光栅结构。
  2. 将这片晶圆翻转过来。
  3. 将微小的磷化铟“小片”精确地键合到晶圆上，与下方的硅波导对齐。
  4. 光通过一种称为“倏逝波耦合”的现象，从磷化铟层进入硅波导。两者之间的氧化层极薄，约 50 纳米。
  5. 最后，用硅将所有结构封装起来，形成一个单一、完整的芯片。

这种方法的优势在于，它利用了现有成熟的硅光子制造流程和设备，无需代工厂对前 75% 的工艺进行重新开发，只需在其晶圆上进行后端加工。这使得该技术与代工厂的合作模式高度兼容。

商业模式：制造工艺即产品

一个关键问题是：光子学市场会遵循哪种发展模式？是像 CMOS（互补金属氧化物半导体）还是更像 MEMS（微机电系统）？

  • CMOS 模式： 制造过程被标准化为设计规则手册（PDK），设计与制造分离。这催生了像高通和英伟达这样的无晶圆厂（Fabless）设计公司，以及像台积电这样的代工巨头。
  • MEMS 模式： 制造过程本身就是核心知识产权（IP）。性能与具体的制造细节（如薄膜应力、蚀刻深度）紧密相关，配方难以标准化。因此，公司拥有自己的专有工艺，即使它在别人的工厂里运行。

Scintil 的 CEO Matt Crowley 认为，光子学更接近 MEMS 模型。连接产光材料与硅芯片的工艺本身就是产品。因此，Scintil 的商业模式是一种 “拥有专属工艺的无晶圆厂”模式：

  • 他们不向外界出售其 SHIP 工艺或提供 PDK。
  • 他们利用这个专有工艺，在 Tower 等合作代工厂生产自己的产品，例如激光器阵列。
  • 核心价值在于这个独特的集成配方，它构成了公司的护城河。

“突然之间，制造又变得重要了，材料也再次变得重要了，因为 CMOS 代工厂让一切看起来都很容易，而光子学还没那么容易。”

愿景：软件定义的激光器

将所有组件集成到一块芯片上，带来的不仅仅是成本和尺寸的优势，它彻底改变了系统架构。Scintil 可以在芯片上 近乎免费地集成大量的光电探测器。

这使得一种全新的产品形态成为可能——软件定义的激光阵列。

  • Scintil 设计了一款定制的 ASIC，它包含一个 ARM 内核，可以实时分析来自芯片上所有探测器的数据。
  • 这为激光器提供了实时的遥测数据，让数据中心运营商能够监控每一个激光源的健康状况和性能。
  • 通过数据分析，可以实现预测性维护和内置自检，甚至可以诊断整个光链路的状况（例如，探测另一端的芯片上是否有灰尘）。

通过这种方式，Scintil 希望将激光器从一个同质化的商品组件，提升为一个能够感知和分析其工作环境的智能系统。