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作者：豐寧
光子芯片根據(jù)基材的不同，大致可分為兩類(lèi)：一種是在以InP為代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片；另一種則是在以硅為代表的“無(wú)源材料”上制作的，即硅光芯片。
硅光芯片是將硅光材料和器件通過(guò)特殊工藝制造的集成電路，主要由光源、調(diào)制器、有源芯片等組成，通常將光器件集成在同一硅基襯底上。硅光芯片在保持光器件高靈敏度的基礎(chǔ)上兼具低成本、低功耗、高速、超小型化和超輕超薄等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
2021年阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布的2022年十大科技趨勢(shì)預(yù)測(cè)中，硅光芯片技術(shù)就位列其中。
硅光芯片集成技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，在消費(fèi)電子、激光雷達(dá)、人工智能計(jì)算、量子通信等領(lǐng)域都有較大發(fā)展空間。
硅光技術(shù)的應(yīng)用
首先是消費(fèi)電子和量子通信領(lǐng)域。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，硅光的高集成度特性非常適合消費(fèi)電子的需求，因?yàn)橹悄軅鞲?、移?dòng)終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件。因此，針對(duì)消費(fèi)電子的硅光應(yīng)用會(huì)有更多應(yīng)用場(chǎng)景。
在量子通信領(lǐng)域，由于硅光技術(shù)保密性強(qiáng)、集成度高、適合復(fù)雜光路控制等優(yōu)勢(shì)，有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。
其次是在人工智能和激光雷達(dá)的應(yīng)用。硅基光電子芯片憑借光子的獨(dú)特性質(zhì)，能夠在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算處理中發(fā)揮高帶寬、低時(shí)延等優(yōu)勢(shì)。在處理深度學(xué)習(xí)中大量的矩陣計(jì)算的乘加任務(wù)時(shí)，硅基光電子芯片擁有更高的處理速度和更低的能耗，從而有利于深度學(xué)習(xí)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算速度和性能的提升。
傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)通常使用離散的機(jī)械和光學(xué)組件來(lái)制造，從而導(dǎo)致解決方案的可靠性驗(yàn)證難度大，同時(shí)成本較高。如果通過(guò)半導(dǎo)體制造工藝，將數(shù)千個(gè)光學(xué)和電子元件組合到一個(gè)芯片上，便可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
國(guó)科光芯創(chuàng)始人劉敬偉曾表示：硅光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的最好路徑。硅光技術(shù)可將復(fù)雜的光學(xué)器件組成的激光雷達(dá)系統(tǒng)集成（或大部分集成）于一顆硅光芯片上，并采用CMOS工藝進(jìn)行加工，在實(shí)現(xiàn)很低成本的同時(shí)獲得卓越性能。近年來(lái)已經(jīng)有不少光通訊器件廠商開(kāi)始把下一個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)轉(zhuǎn)向激光雷達(dá)賽道，并將激光雷達(dá)核心收發(fā)功能集成到一顆芯片中。
不過(guò)，硅光子當(dāng)前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連收發(fā)器在內(nèi)的連接領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長(zhǎng)距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等。后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興應(yīng)用中。
硅光芯片成兵家必爭(zhēng)之地
縱觀硅光子在全球的發(fā)展情況，美國(guó)是硅光子最先興起的，也是目前發(fā)展最超前的國(guó)家。
早在1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，但是由于InP波導(dǎo)的高損耗和工藝落后難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術(shù)在當(dāng)時(shí)未能掀起波瀾，之后將這一技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大的是Intel。2010年Intel開(kāi)發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開(kāi)始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過(guò)并購(gòu)迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。
中國(guó)真正開(kāi)始大規(guī)模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學(xué)術(shù)上的研究，起步晚導(dǎo)致中國(guó)在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國(guó)。但中國(guó)對(duì)于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規(guī)模投入，使得國(guó)內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)與國(guó)外差距并沒(méi)有十年之久。2017年中國(guó)的硅光產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展。
從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，從基礎(chǔ)研發(fā)到商業(yè)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)均有代表性的企業(yè)。
其中以Intel、思科、Inphi為代表的美國(guó)企業(yè)占據(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。國(guó)內(nèi)廠商主要有中際旭創(chuàng)、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、華為、亨通光電等。雖然國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場(chǎng)份額相對(duì)較小，但是通過(guò)近年來(lái)在技術(shù)上的快速追趕，國(guó)產(chǎn)廠商與國(guó)外廠商在技術(shù)上的差距已經(jīng)在逐步縮小。
100G已多點(diǎn)開(kāi)花
2018年8月，中國(guó)自行研制的“100G硅光收發(fā)芯片”在武漢投產(chǎn)使用，并通過(guò)了用戶現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠。這標(biāo)志著中國(guó)商用100G硅光芯片正式研制成功，此后中國(guó)自主硅光芯片技術(shù)也邁上了新的臺(tái)階。
此外還有多家硅光模塊廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn)100G硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化商用。比如：
蘇州熹聯(lián)光于2021年10月成功并購(gòu)行業(yè)領(lǐng)先的sicoya，目前熹聯(lián)光芯的100G光模塊已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，400G光學(xué)引擎及光模塊已進(jìn)入客戶送樣認(rèn)證階段。
2018年，由國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、光迅科技公司、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)信息通信科技集團(tuán)聯(lián)合研制成功的“100G硅光收發(fā)芯片”正式投產(chǎn)使用。實(shí)現(xiàn)100G/200G全集成硅基相干光收發(fā)集成芯片和器件的量產(chǎn)，并通過(guò)了用戶現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試，性能穩(wěn)定可靠，為80公里以上跨距的100G/200G相干光通信設(shè)備提供超小型、高性能、通用化的解決方案。
2018年，亨通光電與英國(guó)洛克利硅光子公司合作的100G硅光子模塊項(xiàng)目完成了100Gbps硅光芯片的首件試制和可靠性測(cè)試，完成了硅光子芯片測(cè)試平臺(tái)搭建，隨后便將這一產(chǎn)品納入量產(chǎn)計(jì)劃。
其實(shí)，不只是100G硅光模塊，在400G、800G硅光模塊領(lǐng)域也不乏佼佼者的出現(xiàn)。
400G強(qiáng)者云集
從長(zhǎng)期來(lái)看，硅光方案已是大勢(shì)所趨，在400G光模塊時(shí)代或?qū)⒋笠?guī)模發(fā)力。
400G是優(yōu)勢(shì)釋放的拐點(diǎn)。因?yàn)樵?00G短距CWDM4和100G中長(zhǎng)距相干光模塊中，硅光模塊成本優(yōu)勢(shì)不明顯。而在400G及以上的高速率的場(chǎng)景中，傳統(tǒng)DML和EML成本較高，硅光模塊成本優(yōu)勢(shì)更為顯著。
國(guó)內(nèi)也有不少硅光模塊廠商已經(jīng)出樣給客戶，想必距離大規(guī)模應(yīng)用無(wú)需太久。
2021年亨通光電宣布，旗下子公司亨通洛克利科技有限公司在100G硅光AOC產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步充實(shí)數(shù)通高速模塊產(chǎn)品系列，推出了量產(chǎn)版400GQSFP-DDDR4硅光模塊和基于傳統(tǒng)方案的400GQSFP-DDFR4光模塊。
2022年中際旭創(chuàng)曾在其投資者關(guān)系活動(dòng)中回答稱，公司800G 硅光模塊已送樣海外部分客戶，400G 硅光模塊已進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入階段，正在接受海外客戶認(rèn)證。公司擁有自主研發(fā)的硅光芯片核心技術(shù)與能力，能夠把握未來(lái)硅光發(fā)展方向，為客戶主動(dòng)推送更高速率的硅光解決方案。
光迅科技是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的能夠?qū)?00G硅光數(shù)通模塊進(jìn)行商業(yè)出貨的公司，目前其國(guó)內(nèi)的最大客戶是阿里。近日，有投資者在投資者互動(dòng)平臺(tái)提問(wèn)：400G硅光模塊出貨量如何？訂單多嗎？國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用400G硅光模塊的市場(chǎng)狀況如何？
光迅科技7月4日在投資者互動(dòng)平臺(tái)表示，400G光模塊國(guó)內(nèi)市場(chǎng)今年有一定需求，二季度環(huán)比一季度有所增長(zhǎng)，是否采用硅光方案取決于客戶需求，暫不方便披露細(xì)節(jié)。
再加上文提及的熹聯(lián)光芯以及華工科技、新易盛、博創(chuàng)科技等公司的400G硅光模塊產(chǎn)品均可圈可點(diǎn)。
800G是未來(lái)主要增長(zhǎng)點(diǎn)
去年，在投資者互動(dòng)平臺(tái)上，華工科技回復(fù)投資者提問(wèn)時(shí)透露，公司400G硅光芯片已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，800G硅光芯片預(yù)計(jì)今年實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。至于價(jià)格，華工科技稱具體產(chǎn)品單價(jià)屬于非公開(kāi)信息，無(wú)法披露。
中際旭創(chuàng)的400G/800G硅光模塊也已采用自研的硅光芯片。
近日，光迅科技在其發(fā)布股票交易異動(dòng)公告中稱，公司800G光模塊產(chǎn)品仍處于客戶送樣驗(yàn)證及小批量出貨階段，對(duì)業(yè)績(jī)的影響還很小。
如今，硅光模塊在速度、能耗、成本等方面將全面超越普通光模塊。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的進(jìn)一步拓展，數(shù)據(jù)傳輸需求不斷增長(zhǎng)，400G硅光模塊的高速率市場(chǎng)正在逐步打開(kāi)。未來(lái)，硅光子的主要技術(shù)演進(jìn)將集中在更高集成度，800G硅光模塊將成為未來(lái)幾年的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。
光子是否會(huì)代替電子
硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個(gè)追逐的目標(biāo)。隨著產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的不斷成熟，產(chǎn)業(yè)環(huán)境不斷優(yōu)化，我國(guó)硅光芯片產(chǎn)業(yè)正蓄勢(shì)待發(fā)。根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)，到2025年，基于硅光芯片的應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到26.15億美金，2020—2025年復(fù)合增速達(dá)到38%。到2025年，硅光模塊總和市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到18.91億美金，占據(jù)硅光芯片應(yīng)用的近72.3%。同時(shí)硅光技術(shù)在光模塊中的總體應(yīng)用占比將從2020年的5.7%提升至2025年的15%以上。
面對(duì)硅光優(yōu)越的性能以及廣闊的市場(chǎng)前景不禁有人發(fā)問(wèn)：光子會(huì)代替電子嗎？
首先，光芯片的概念很好，但是在實(shí)施應(yīng)用推廣上，還存在很多不如意的地方，相比較電子芯片全流程相對(duì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)很成熟的產(chǎn)品來(lái)講，同質(zhì)產(chǎn)品用光芯片來(lái)代替，無(wú)論是客戶還是市場(chǎng)，都需要一定時(shí)間來(lái)接受。
其次，硅光子技術(shù)當(dāng)前還面臨硅上發(fā)光研發(fā)難度大、光模塊封裝成本高、硅光子在CMOS工藝上難以完全適應(yīng)等研發(fā)挑戰(zhàn)。此外硅光技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短在產(chǎn)業(yè)生態(tài)上也仍存在諸多不足。比如：技術(shù)路線多樣，硅光芯片方案不同，各廠家模塊設(shè)計(jì)方案不同；設(shè)計(jì)套件非標(biāo)化，設(shè)計(jì)與Fab分離，缺乏標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與仿真工具，以及PDK套件；晶圓自動(dòng)測(cè)試及切割，定制化硅光芯片，需要廠家具備晶圓測(cè)試及自動(dòng)分割的能力。
北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛曾表示，“目前來(lái)看，光和電是在兩個(gè)‘賽道’上，各有自己的應(yīng)用場(chǎng)景。在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，未來(lái)的趨勢(shì)是光電集成，要實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算還需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間?！崩钆鄤傔€強(qiáng)調(diào)“光有光的優(yōu)勢(shì)，電有電的優(yōu)勢(shì)。在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，兩者有競(jìng)爭(zhēng)，但更多的時(shí)候，二者是共贏關(guān)系?！?/p>
硅光技術(shù)因其諸多特性，已經(jīng)成為業(yè)界下一個(gè)追逐的目標(biāo)。未來(lái)我們可以充分利用光子集成電路高速率傳輸和電子集成電路多功能、智能化的優(yōu)點(diǎn)，在新的賽道上能跑出更好成績(jī)。
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