人工智能、云计算和高性能计算正催生出对更快数据传输速度的空前需求。传统的电气互连技术在带宽、能效和散热管理方面已接近其物理极限。
正是在这一领域，光子互连技术正在改变半导体技术。通过使用光信号代替电信号，它们不仅实现了更快、更高效的通信，还为下一代先进封装、硅光子学和高速计算系统提供了支持。
什么是光子互连？
光互连是一种通信路径，它利用光（光子）而非电信号在芯片、处理器、内存或网络设备之间传输数据。与通过铜质连接传输电信号不同，光互连利用沿光波导或光纤传播的激光来传输信息。
Think of a busy motorway during rush hour. As more vehicles enter, congestion slows everyone down. Traditional electrical interconnects face a similar problem as data traffic continues to increase. Photonic interconnects create additional high-speed “lanes” by transmitting information with light, allowing significantly more data to travel quickly and efficiently.
与传统的电气互连技术不同，光子互连技术在长距离传输时信号损耗要低得多，且发热量更小。这使得它在人工智能加速器、云基础设施、高性能计算（HPC）以及现代半导体制造领域变得越来越重要。
典型的光子互连结构结合了多种专用光学和电子元件，这些元件协同工作，以产生、引导、调制和检测光。
光互连的主要组成部分
1. Laser – Produces a continuous beam of stable light that acts as the information carrier.
2. Waveguides – Tiny optical pathways on a Photonic Integrated Circuit (PIC) that guide light with minimal loss.
3. Modulators – Encode electrical data onto the laser light by changing its intensity or phase.
4. Photodetectors – Convert incoming optical signals back into electrical signals for processing.
5. Optical Fibres – Carry light between chips, packages, servers, or networking equipment.
6. Couplers – Transfer light efficiently between optical fibres and photonic chips using technologies such as grating couplers or edge couplers.
这些组件共同构成了现代硅光子学的基础，使在日益复杂的半导体系统内实现高带宽光通信成为可能。
半导体行业为何正转向光子互连技术
满足人工智能需求的爆发式增长
人工智能和机器学习每秒都要处理海量数据集。光子互连技术提供了所需的带宽，可高效地在GPU、内存和处理系统之间传输这些数据。
支持高性能计算
现代高性能计算（HPC）系统需要在数千个处理器之间实现超高速通信。光互连技术可缓解通信瓶颈，并在大型计算集群中保持高速数据传输。
降低能耗
随着传输速度的提高，电气连接的功耗也会增加。光子互连技术在传输更大数据量的同时，能耗却显著降低，从而提高了系统的整体效率。
改进芯片间通信
先进处理器越来越依赖于多个芯片的协同工作。在先进封装架构中，光子互连技术可在微芯片、处理器和内存之间提供更快、更可靠的通信。
未来数据中心的扩展
云数据中心必须在不大幅增加发热量或能源成本的情况下，持续提升容量。光通信技术能够为下一代基础设施提供更高的带宽、更低的延迟以及更强的可扩展性。
光子互连的类型
片上光子互连
直接集成在光子集成电路中的光波导可在同一芯片上的不同功能模块之间传输数据，既能缓解电气拥堵，又能提高通信速度和能效。
芯片间光互连
这些光链路通过光纤或光波导将独立的半导体芯片连接起来，从而在处理器、存储器、加速器以及专用计算组件之间实现高带宽通信。
封装级光互连
Optical communication occurs inside advanced semiconductor packages, reducing electrical routing complexity while supporting faster communication between tightly integrated chips within a single package.
电路板级光互连
与完全依赖电路板上的铜质走线不同，光纤链接在多个电子元件之间传输高速信号，从而提高了带宽并减少了信号衰减。
机架间光通信
大型数据中心利用光纤在较远距离内连接服务器机架，在保持高速通信的同时，将延迟和信号损耗降至最低。
共封装光学器件（CPO）
共封装光器件将光通信组件与交换ASIC或AI处理器集成在同一封装内。这缩短了电气路径，降低了功耗，并实现了更高的带宽密度。
硅光子学
硅光子学通过将光子器件集成到硅晶圆上，将半导体制造与光通信相结合。这使得能够大规模生产适用于人工智能、电信和云计算领域的紧凑型、高性能光子集成电路。
光子互连的优势
带宽的飞速增长
光通过波分复用（WDM）等技术，能够同时传输多个独立的数据通道，从而在无需增加光纤的情况下，大幅提升总数据传输容量。
更快的数据传输
光子互连技术通过在光路中快速传输信息来最大限度地降低延迟，从而帮助处理器在处理高负载计算任务时更高效地交换数据。
更高的能源效率
与高速电信号传输相比，光通信的功耗要低得多，这不仅有助于降低运营成本，还能支持人工智能基础设施和半导体系统的可持续发展。
更优的散热性能
较低的电活动意味着发热量更少。热负荷的降低简化了散热要求，并提高了高密度封装半导体器件的可靠性。
更高的可靠性和可扩展性
光子互连技术能在较长距离内保持出色的信号完整性，且电磁干扰极小，因此非常适合未来的高密度半导体封装和超大规模计算环境。
为什么精密计量至关重要
Precision metrology plays a central role throughout photonic manufacturing. It verifies whether every critical feature matches the intended design before products move to the next production stage. Accurate measurement improves manufacturing consistency while reducing costly defects and production delays.
支持更优的工艺控制
精确的尺寸测量有助于工程师及早发现制造偏差，从而确保生产过程保持稳定，并减少意外的质量问题。
提高生产良率
最终组装前发现尺寸误差，可以减少废品率、提高首次良率，并增加每片晶圆上可生产的正常工作光子器件的数量。
验证关键尺寸
每个波导、耦合器及光学元件都必须符合精确的设计规范。关键尺寸测量可确保这些元件始终处于可接受的制造公差范围内。
确认光学对准
光纤、光子芯片和封装组件之间的精确对准有助于最大限度地提高耦合效率，并确保光通信的可靠性。
实现稳定的大批量生产
Automated measurement, statistical process control, and repeatable inspection methods support large-scale semiconductor manufacturing while maintaining consistent product quality.
需要进行测量的关键特征
每个光子集成电路都包含多个直接影响光学性能的微观结构。在制造和组装的全过程中对这些特征进行测量，有助于确保器件质量的一致性和制造过程的可重复性。
主要功能包括：
- Waveguide width – Determines how efficiently light travels through the photonic circuit.
- Waveguide spacing – Prevents unwanted optical interference between neighbouring waveguides.
- Critical dimensions (CD) – Confirms manufactured features match the intended semiconductor design.
- Coupler geometry – Ensures efficient light transfer between optical fibres and photonic chips.
- Optical connector dimensions – Maintain accurate fibre positioning for reliable optical communication.
- Alignment marks – Guide precise positioning during lithography, packaging, and semiconductor assembly.
- Bond pad locations – Ensure reliable electrical connections between semiconductor devices and packaging.
- Through-Silicon Vias (TSVs) – Verify vertical interconnections used in advanced packaging technologies.
- Microbumps – Maintain accurate chip-to-chip electrical and mechanical connections within multi-chip packages.
- Package alignment – Confirms all optical and electronic components are assembled in their correct positions.
- Overlay accuracy – Ensures multiple lithography layers align correctly throughout semiconductor fabrication.
光子制造中使用的测量技术
现代光子制造依赖于多种互补的测量技术。每种技术都能提供不同的信息，帮助工程师验证尺寸、检测缺陷并提高制造的一致性。
光学计量学
Optical metrology measures microscopic semiconductor features without physical contact. It delivers highly accurate dimensional information while protecting delicate photonic structures from damage during inspection.
非接触式计量学
非接触式测量采用光学成像技术，而非机械探针。这种方法在准确测量敏感的光子器件和先进半导体封装的同时，降低了检测风险。
基于视觉的测量
高分辨率相机可自动检测边缘、图案、对准标记以及关键半导体特征，从而在整个生产过程中实现快速且可重复的检测。
视频测量系统
视频测量系统融合了精密光学、数字成像和自动化软件，可对复杂的半导体和光子器件进行精确的尺寸测量。
自动尺寸测量
自动化测量系统能够快速检测数千个特征，同时减少操作人员带来的误差，既支持统计过程控制，也适用于大批量生产。
高倍成像
强大的光学成像技术能够揭示传统检测方法无法检测到的极其微小的制造缺陷、表面瑕疵和尺寸偏差。
表面轮廓测量
表面轮廓测量可测定高度、平整度以及影响光学对准、封装质量和制造一致性的表面特性。
坐标测量
坐标测量可确定半导体特征的精确位置，从而确保波导、键合垫、耦合器及光连接器的正确定位。
关键尺寸测量
关键尺寸（CD）测量用于验证关键光子结构的宽度、间距和几何形状，这些结构直接影响光学性能、波长精度和器件可靠性。
光子互连与先进封装
Advanced packaging has become one of the biggest drivers behind photonic interconnect development. As semiconductor devices become more compact and powerful, traditional electrical connections struggle to support growing bandwidth demands. Advanced packaging enables optical and electronic components to work together within highly integrated systems.
跨行业应用
加速器与机器学习
AI训练集群每秒都在GPU、内存和处理器之间传输海量数据。光子互连技术可提供高带宽、低延迟的通信，从而提高计算效率，并支持更大规模的AI模型。
高性能计算与云基础设施
超级计算机和超大规模云数据中心需要在数千个计算节点之间实现高速通信。光互连技术能够缓解瓶颈、提升可扩展性，并在高负载情况下保持可靠的性能。
电信和数据中心
现代通信网络依赖光纤连接来处理日益增长的互联网流量。光子互连技术不仅能提高带宽、提升传输效率，还能以更低的能耗支持不断扩展的网络基础设施。
量子计算与科学研究
新兴的量子计算系统和先进的研究设施需要极其精确的光通信和光子集成技术，才能高效地处理复杂的计算和实验数据。
国防、航空航天、医疗和汽车系统
高速光通信在关键任务应用中的应用日益广泛，在这些应用中，可靠性、低延迟以及抗电磁干扰能力对于长期性能至关重要。
关于 VIEW 微计量
随着光子互连技术日益先进，精密测量在确保制造精度和性能稳定性方面发挥着至关重要的作用。
VIEW Micro Metrology 致力于开发高性能光学计量、非接触式计量、视频测量系统以及关键尺寸测量解决方案，以支持半导体检测和先进封装应用。
To learn how precision measurement can support your manufacturing processes, connect with our sales team today.
结论
光子互连是现代半导体技术领域最重要的进步之一。通过用光通信取代传统的电信号传输路径，它为人工智能系统、云基础设施、电信和高性能计算带来了显著更高的带宽、更低的延迟、更高的能效以及更强的可扩展性。
然而，构建可靠的光子互连技术远不止于创新的芯片设计。每一个波导、耦合器、光接口和光子集成电路（PIC）都必须以极高的精度制造。微小的尺寸偏差、对准误差或封装不一致，都会直接影响光学性能、耦合效率以及器件的长期可靠性。
常见问题解答
什么是光子互连？
光子互连技术利用光而非电，在半导体元件之间传输高速数据。
光子互连是如何工作的？
激光光通过波导或光纤在发射和接收光子器件之间传输编码数据。
为什么光子互连正在取代电气互连？
它们为现代计算系统提供了更高的带宽、更低的延迟、更低的功耗以及更强的可扩展性。
通常使用哪些材料？
硅、氮化硅、磷化铟、铌酸锂、光学玻璃以及特种半导体材料被广泛应用。
什么是硅光子学？
硅光子学利用半导体制造技术将光学元件集成到硅芯片上，以实现可扩展的光通信。
什么是共封装光学器件？
共封装光学器件将光通信组件直接放置在处理器或网络芯片旁边，以提升带宽和能效。
光子互连是如何制造的？
它们是通过半导体工艺、精密光刻、先进封装、对准、检测以及严格的尺寸验证等工序制造而成的。
为什么尺寸测量很重要？
精确的尺寸测量可确保光学元件符合设计公差，从而保持性能、良率和制造的一致性。
通常采用哪些检测方法？
光学测量、非接触式测量、基于机器视觉的测量、视频测量以及关键尺寸测量已被广泛应用。
哪些挑战会影响制造业的良率？
对准误差、尺寸公差、晶圆缺陷、工艺不一致、封装复杂性以及光学耦合损耗都会降低制造良率。
哪些行业使用光子互连技术？
人工智能、云计算、电信、数据中心、航空航天、国防、汽车、医疗技术以及科学研究等领域都从中受益。
光学计量如何提高生产质量？
光学计量技术可验证尺寸、检测缺陷、改善工艺控制，并支持可重复的大规模半导体制造。