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來源：果殼硬科技
作者：付斌
早在1979年，我國科學(xué)家錢學(xué)森就看好光子學(xué)，并圍繞光子學(xué)提出了光子工業(yè)的概念，而到現(xiàn)在很多設(shè)想依然沒有實(shí)現(xiàn)，許多價(jià)值還有待挖掘。[1]
如今，光芯片代表的光子學(xué)正與電子學(xué)引發(fā)一場科學(xué)革命，芯片從電到光，將是我國實(shí)現(xiàn)趕超的戰(zhàn)略機(jī)遇[2]。光子革命已至，但若要光為人所用，其實(shí)也沒有想象中那樣容易。
本文是“國產(chǎn)替代”系列的第十四篇，關(guān)注光芯片國產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：光芯片到底是什么，國產(chǎn)發(fā)展情況究竟如何，光芯片的未來。
光與電的完美配合
現(xiàn)代大多數(shù)芯片的本質(zhì)，就是將環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換為可精細(xì)操控的電信號(hào)，或?qū)⑻幚磉^的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為環(huán)境信號(hào)的一個(gè)過程（如用電產(chǎn)生電熱或用洛倫茲力產(chǎn)生磁場）。同理，光也可轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的核心器件，就是光芯片。沒有它，我們就無法與光交流。
光芯片早已深入每個(gè)人生活之中。你我都知道，家用電腦若要連接網(wǎng)絡(luò)，都要安裝光纖和“光貓”，讓這套系統(tǒng)正常運(yùn)作的功臣，就是光芯片。
為什么一定是光芯片？
這是因?yàn)楣庾幼鳛樾畔⑤d體具有先天的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)幾十Tb/s的信息傳輸速率，實(shí)現(xiàn)低交換延遲和高傳輸帶寬，實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)通信，同時(shí)擁有超低功耗的表現(xiàn)[2]。研究顯示，光基設(shè)備中的數(shù)據(jù)以光速移動(dòng)，相比普通電子電路，移動(dòng)速度快10倍。[3]
雖然光芯片是天賦型選手，但要在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，還是離不開電芯片。二者與PCB、結(jié)構(gòu)件、套管進(jìn)一步構(gòu)成光器件，并以此為基礎(chǔ)加工為光模塊實(shí)現(xiàn)最終功能，最終應(yīng)用于市場。
光芯片在產(chǎn)業(yè)鏈中的位置[4]
目前，光芯片的技術(shù)概念有多重含義，包括光通信、光計(jì)算、光量子等，應(yīng)用廣泛分布在工業(yè)、消費(fèi)、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。但它的典型應(yīng)用場景仍然是光通信，也是最核心的應(yīng)用領(lǐng)域。
光通信中的光芯片
光通信指以光纖為載體傳輸光信號(hào)的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。
在光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，光芯片是最核心的部分，一般分為2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各種調(diào)制速率，速率越快對(duì)應(yīng)的光模塊在單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男盘?hào)量就越大。
與此同時(shí)，光芯片也是光模塊物料成本結(jié)構(gòu)中占比最大的部分。通常而言，光芯片約占中端光模塊物料成本的40%，一些高端光模塊中它的物料成本甚至能占到50%以上[5]，反觀電芯片的成本通常占比為10%~30%，越高速、高端的光模塊電芯片成本占比越高。[6]
光芯片在光通信系統(tǒng)中應(yīng)用位置[4]
按功能，光芯片主要分為激光器芯片和探測器芯片兩類。激光器芯片用于發(fā)射信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，按出光結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分為面發(fā)射芯片和邊發(fā)射芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探測器芯片用于接收信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，主要包括PIN和APD。
對(duì)光芯片來說，市場最大的訴求是高速率和高帶寬。自上世紀(jì)60年代開始，光芯片就在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件集成和生產(chǎn)工藝方面不斷改進(jìn)。目前EML激光器芯片大規(guī)模商用最高速率已達(dá)100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大規(guī)模商用最高速率已達(dá)50Gb/s，與此同時(shí)，這些改變也讓光芯片擁有向更廣闊應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展提供底氣，諸如車載激光雷達(dá)、醫(yī)療等。[4]
不同光芯片的特性和應(yīng)用場景[4]
光芯片的生產(chǎn)制造是難點(diǎn)。生產(chǎn)工序依序?yàn)镸OCVD外延生長、光柵工藝、光波導(dǎo)制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動(dòng)化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗(yàn)證等。其中，外延工藝是光芯片生產(chǎn)中最主要和最高技術(shù)門檻的環(huán)節(jié)，工藝水平直接決定了成本的性能指標(biāo)和可靠性。一款優(yōu)秀的光芯片背后，是高昂的投入、極長的研發(fā)周期、較大的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)以及極快的技術(shù)更新速度。
由于光芯片處在產(chǎn)業(yè)鏈上游，會(huì)牽扯出復(fù)雜的原材料問題。其本身一般由化合物半導(dǎo)體所制造，主要以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的III-V族材料為襯底，通過內(nèi)部能級(jí)躍遷過程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換。除此之外，制造過程中還會(huì)用到電子特氣、光刻膠、濕電子化學(xué)品等原材料。
光芯片的主要分類[4]
光芯片作為上游元件，市場主要受下游光模塊拉動(dòng)。據(jù)國信證券測算，以光模塊行業(yè)平均25%的毛利率及Light Counting對(duì)光模塊全球超150億美元的市場規(guī)模預(yù)測估算，2021年光芯片全球市場規(guī)模約為35億美元，預(yù)計(jì)2025年可達(dá)60億美元。[7]
光通信產(chǎn)業(yè)鏈及市場規(guī)模[7]
隨著數(shù)據(jù)量需求爆炸式增長，人們對(duì)光芯片的速率要求越來越高，而學(xué)術(shù)界和工業(yè)界則將目光放到了硅光芯片上。
把光子和電子糅在一起
展望未來3年，硅光芯片（或光電融合）將是光通信的一大趨勢，它將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。目前，硅光芯片技術(shù)研究由美國、歐洲和日本引領(lǐng)，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列產(chǎn)品占據(jù)全球相干光模塊市場約30%以上。[8]
顧名思義，硅光芯片就是在硅光子和硅電子芯片上取長補(bǔ)短，發(fā)揮二者優(yōu)勢。這一概念早在40年前就已誕生，但硅基發(fā)光一直是巨大難題，因此一般是以硅材料為基底，引入多種材料實(shí)現(xiàn)發(fā)光[9]，分為SOI（絕緣體上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅襯底上鈮酸鋰薄膜四種制造平臺(tái)。[10]
復(fù)雜的材料學(xué)問題引發(fā)更多技術(shù)難題，諸如硅光耦合工藝、晶圓自動(dòng)測試及切割、硅光芯片的設(shè)計(jì)工具等技術(shù)挑戰(zhàn)。另外，受制于產(chǎn)業(yè)鏈、工藝水平限制，硅光芯片還沒有在產(chǎn)能、成本、良率上凸顯優(yōu)勢。不過，硅光芯片的顛覆性引發(fā)了研究熱潮，技術(shù)日趨成熟，即將進(jìn)入規(guī)?；逃秒A段。[11]
硅光芯片的作用遠(yuǎn)不至此，它具有高運(yùn)算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)，在制造工藝上，與微電子器件類似，但又不必追求工藝尺寸的極限縮小，也許是幫助人們突破摩爾定律天花板的關(guān)鍵[12]。更重要的是，做好它就相當(dāng)于打通光子工業(yè)的關(guān)節(jié)?？茖W(xué)家普遍認(rèn)為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息，其中光計(jì)算就是重要先進(jìn)領(lǐng)域之一。光通信的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以應(yīng)用在光計(jì)算中，而光計(jì)算所要求的低損耗、高密度光子集成也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)光通信發(fā)展。未來5年~10年，以硅光芯片為基礎(chǔ)的光計(jì)算將逐步取代電子芯片的部分計(jì)算場景。[13]
據(jù)Yole預(yù)測，從2020年到2026年，硅光芯片的全球市場規(guī)模將從8700萬美元升至11億美元。其中，消費(fèi)者健康、數(shù)據(jù)中心、光子計(jì)算、共封裝引擎、長距離收發(fā)器將是主要細(xì)分市場。[14]
硅光領(lǐng)域近年并購動(dòng)作頻繁[15]
理想是豐滿的，想要走那么遠(yuǎn)，還是要腳踏實(shí)地，先做好現(xiàn)有的光通信芯片。
光芯片的追逐者
歐美日在光芯片上技術(shù)起步早、積累多，是市場的主導(dǎo)者。這些國家的研究機(jī)構(gòu)和先進(jìn)企業(yè)通過不斷積累核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，建立起了極高的行業(yè)壁壘。
反觀國內(nèi)則起步較晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴(yán)重依賴進(jìn)口，與國外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在明顯差距。數(shù)據(jù)顯示，我國2.5Gb/s光通信芯片國產(chǎn)化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國產(chǎn)化率卻不超過5%，非常依賴Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
與此同時(shí)，雖然光芯片國產(chǎn)商普遍擁有晶圓外延環(huán)節(jié)以外的后端加工能力，但核心的外延技術(shù)并不成熟，高端的外延片需要進(jìn)口，大大限制了高端光芯片發(fā)展。
光芯片市場主要參與者[17]
2017年，中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》中指出，我國廠商只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探測器、調(diào)制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工藝和配套IC的設(shè)計(jì)、封測能力，高端芯片能力比國際落后1~2代以上，且缺乏完整、穩(wěn)定的光芯片加工平臺(tái)和人才，導(dǎo)致芯片研發(fā)周期長、效率低，逐漸與國外的差距拉大。彼時(shí)明確了重點(diǎn)是25Gb/s及以上速率激光器和探測器芯片。[18]
2017年光收發(fā)模塊及光芯片、電芯片國產(chǎn)化率測算[18]
到了2022年，國產(chǎn)高端光芯片有明顯突破，但依舊大幅落后于國際巨頭。而關(guān)鍵的25Gb/s激光器和探測器芯片方面，源杰科技、武漢敏芯、云嶺光電、光迅科技等企業(yè)開始量產(chǎn)，不過整體銷售規(guī)模仍然較小。以源杰科技為例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列產(chǎn)品出貨量在國內(nèi)同類產(chǎn)品中已名列前茅，但其2022年上半年銷售額僅為4100萬元。[19]
對(duì)國產(chǎn)光芯片追逐者來說，分工模式是關(guān)鍵。芯片行業(yè)分為Fabless（設(shè)計(jì)公司）和IDM（設(shè)計(jì)、制造、封裝全流程）兩種模式，其中IDM模式是主導(dǎo)光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圓外延技術(shù)；另一方面，由于采用III-V族半導(dǎo)體材料，因此要求光芯片設(shè)計(jì)與晶圓制造環(huán)節(jié)相互反饋驗(yàn)證。
不同分工模式的區(qū)別[20]
縱覽市場，國產(chǎn)光芯片典型玩家均選擇了IDM模式，如仕佳光子、長光華芯、源杰科技。一方面，IDM能夠及時(shí)響應(yīng)市場需求，靈活調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)；另一方面，能夠高效排查問題，精準(zhǔn)觸達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試環(huán)節(jié)問題；另外，IDM模式形成了完整的閉環(huán)流程，不僅全部自主可控，同時(shí)能夠有效保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。[21]
國產(chǎn)光芯片典型玩家情況，制表丨果殼硬科技
參考丨公司招股書
近兩年，光芯片在投融資界也熱鬧異常。據(jù)果殼硬科技統(tǒng)計(jì)，25Gb/s及以上高速率光芯片、車用激光雷達(dá)芯片和硅光電子（光電融合）是最為熱門和吸金的賽道，也是商業(yè)化較近的項(xiàng)目。另一些項(xiàng)目則更聚焦在未來，如光計(jì)算、光量子，這些項(xiàng)目商業(yè)化進(jìn)程動(dòng)輒十年、二十年，非常具有前瞻性。
近期國產(chǎn)光芯片融資不完全統(tǒng)計(jì)，制表丨果殼硬科技
掌握先進(jìn)的光芯片技術(shù)，是各國爭相競逐的關(guān)鍵。以美國為例，不僅在政策上不斷傾斜，以IBM、Intel為代表的工業(yè)巨頭、以MIT、UCSB為代表的學(xué)術(shù)界領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)都在不遺余力地發(fā)展大規(guī)模光子集成芯片。另外，歐盟的“地平線 2020”計(jì)劃和日本的“先端研究開發(fā)計(jì)劃”中也涉及光電子集成研究項(xiàng)目。[22]
種種動(dòng)作，預(yù)示著一場以光為核心的科技革命，正在醞釀之中。
中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊曾提出“米70定律”，即光學(xué)技術(shù)是推動(dòng)科技產(chǎn)品進(jìn)步的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，光學(xué)成本占未來所有科技產(chǎn)品成本的70％。[23]
縱觀歷史，科技革命的擴(kuò)散周期大約為60年，集成電路從20世紀(jì)60年代誕生至今也已過去60年[2]，光芯片無疑是引領(lǐng)下一個(gè)60年的關(guān)鍵。當(dāng)然，光子也并不是要完全替代掉電子，而是相互協(xié)同。
屬于光芯片的時(shí)代已經(jīng)到來，但芯片行業(yè)一直殘酷地循環(huán)著優(yōu)勝劣汰和洗牌，誰能追逐得更快，誰才會(huì)成功。
References：
[1] 錢學(xué)森.光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工業(yè)[J].中國激光,1979,6(1):1.
https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ157c3606f52a17a5/Abstract
[2] 《瞭望》：以科技革命的戰(zhàn)略眼光布局光子芯片.2022.1.10.http://lw.news.cn/2022-01/10/c_1310416707.htm
[3] Leslie M. Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J]. Engineering, 2021, 7(9): 1195-1196.
[4] 源杰科技：首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市招股說明書.2022.9.19.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202209/ed2747384cb447b2a20b040ced45e098.pdf
[5] 頭豹研究院：2022年中國光模塊行業(yè)研究報(bào)告（摘要版）.2022.6.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202207221576465739_1.pdf
