數(shù)字計(jì)算與通信的未來，將同時(shí)涉及電子學(xué)（用電處理數(shù)據(jù)）和光子學(xué)（用光處理數(shù)據(jù)）。兩者的結(jié)合有望以更高能效實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)流量的指數(shù)級增長。

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系Thomas Lord講席教授、微光子中心主任Lionel Kimerling表示：關(guān)鍵在于，將光子學(xué)與電子學(xué)集成至同一封裝內(nèi)，就是21世紀(jì)的晶體管技術(shù)。如果無法攻克這一難題，就無法實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代。

圖中綠色標(biāo)注的MIT器件可能是實(shí)現(xiàn)更快速、更節(jié)能數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵。它解決了電子芯片（中央黑色部分）與光子芯片（周圍八個(gè)方形模塊）共封裝的核心難題。圖中還展示了自動化工具正在將最后一塊光子芯片精準(zhǔn)定位的過程

為此，麻省理工學(xué)院新成立了FUTUR-IC研究團(tuán)隊(duì)。“我們的目標(biāo)是構(gòu)建資源高效的微芯片產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、材料研究實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家Anu Agarwal解釋道。

近期，Agarwal與Kimerling等FUTUR-IC研究人員開發(fā)出新型光子-電子芯片共封裝方案，解決了當(dāng)前工藝中的多項(xiàng)難題。其優(yōu)勢在于：該共封裝器件可利用傳統(tǒng)電子代工廠現(xiàn)有設(shè)備制造，且采用成本更低的被動對準(zhǔn)工藝，因此具有顯著經(jīng)濟(jì)性。

相關(guān)論文已獲專利保護(hù)，今年早些時(shí)候作為封面文章發(fā)表于《先進(jìn)工程材料》。去年秋季，論文第一作者、材料科學(xué)與工程系研究生Drew Weninger在第57屆國際微電子研討會上報(bào)告了該成果，并榮獲最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。其他合著者包括布里奇沃特州立大學(xué)的Samuel Serna及DMSE研究生Luigi Ranno。

詳細(xì)展示制造流程的圖示。a)呈現(xiàn)了芯片間耦合原型器件的制造與封裝工藝流程；b)通過截面SEM圖像展示了SOI和SiN??的最小與最大特征尺寸；c,d)分別為測試臺上的芯片間耦合原型與獨(dú)立玻璃芯片；e)為測試裝置原理示意圖

構(gòu)建資源高效的微芯片產(chǎn)業(yè)
據(jù)Kimerling預(yù)測，在2020年，接入“云端”數(shù)據(jù)中心的手機(jī)、GPS等設(shè)備就已經(jīng)突破500億臺。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)中心流量每10年增長1000倍。這種通信需要消耗能源，而由于GDP增速無法匹配，必須將能耗控制在當(dāng)前水平。解決方案要么增加能源供給，要么提升信息技術(shù)能效。

將光子學(xué)與現(xiàn)有電子芯片集成屬于后者——光數(shù)據(jù)傳輸能效更高。“我們的理念是用電子負(fù)責(zé)計(jì)算，用光子負(fù)責(zé)通信，從而化解能源危機(jī)。”Agarwal指出。但這一方案存在技術(shù)挑戰(zhàn)。

例如，當(dāng)前在單一封裝內(nèi)連接電子芯片與光子芯片成本高昂。這是因?yàn)楣饫w纖芯（直徑10微米）與光子芯片（截面尺寸僅0.2×0.5微米）必須近乎完美對準(zhǔn)，否則會導(dǎo)致光信號逸散。因此現(xiàn)有工藝每個(gè)連接點(diǎn)都需激光主動校準(zhǔn)。

“隨著數(shù)據(jù)通信需求呈指數(shù)增長，這種主動對準(zhǔn)工藝將無法滿足規(guī)?；枨?。”Weninger表示。

更寬松的容差空間
這種名為“倏逝波耦合器”的新型器件，為電子-光子封裝中的光纖連接提供了更大容差空間。傳統(tǒng)耦合器僅單點(diǎn)耦合，對準(zhǔn)精度要求嚴(yán)苛。而新型耦合器通過延長相互作用距離放寬了對準(zhǔn)要求。這使得機(jī)器人可進(jìn)行被動組裝（無需激光主動校準(zhǔn)），同時(shí)保證更低的光損耗。

另一項(xiàng)突破在于：該耦合器實(shí)現(xiàn)了芯片堆疊層間的“垂直光傳輸”。Ranno強(qiáng)調(diào)：這在技術(shù)上極具挑戰(zhàn)，因?yàn)楣馔ǔｋy以脫離水平面?zhèn)鞑ァ?ldquo;電子可以輕松實(shí)現(xiàn)三維流動，但光波天然抗拒直角轉(zhuǎn)向。”Weninger對比道。而新型耦合器成功實(shí)現(xiàn)了光在堆疊芯片間的跨層傳輸。

Ranno總結(jié)道：我們開發(fā)的封裝方案兼具高可靠性、大容差、低光損和小尺寸等優(yōu)勢，完美滿足了高效功能性互連的所有需求。該研究部分工作在MIT.nano實(shí)驗(yàn)平臺完成，并得到麻省理工學(xué)院電子-光子封裝聯(lián)盟的支持。