隨著摩爾定律的放緩，人們開始將視線轉(zhuǎn)移到其他方式,。自2021年開始,，越來越多的人將視線投向了硅光,。2021年12月,，阿里巴巴達摩院發(fā)布2022十大科技趨勢之一是硅光芯片；同年,，英特爾研究院宣布成立集成光電研究中心,。
硅光技術(shù)成為了眾人期待的能夠延續(xù)摩爾定律的技術(shù)之一。作為一種新型技術(shù),，硅光芯片的發(fā)展已經(jīng)跨過了萌芽期,，目前我國硅光芯片進展如何？
01
硅光技術(shù)逐步使用
要聊硅光芯片,，首先了解一下這個新興的技術(shù),。據(jù)北京郵電大學教授、博士生導師李培剛解釋,，硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料,，利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝進行光器件開發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)超大規(guī)模,、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率,、超低功耗的優(yōu)勢。
為什么開始探索硅光芯片,？
一方面,，如前文所述，硅光芯片極有可能成為突破摩爾定律瓶頸的技術(shù),。一般來講,，硅材料適合大規(guī)模的集成，其工作溫度寬,、散熱性能好,、性能穩(wěn)定，有致密的氧化物鈍化層,。而硅集光電子集成芯片的興起,，可以利用成熟的硅工藝,，其晶圓尺寸大、單顆芯片成本低,；制程線寬小,，直接進入130nm/90nm/45nm。因此,，硅光芯片可以利用成熟的硅半導體代工供應(yīng)鏈,，與CMOS、SiGe等產(chǎn)業(yè)共享產(chǎn)能,。
另一方面,，硅光芯片的“超低功耗”，能夠使得在能耗日益增加的時代,，減少電力消耗,。舉一個例子，現(xiàn)在即使是在消費設(shè)備層面,，數(shù)據(jù)速率也開始超過傳統(tǒng)互連技術(shù)的能力,。比如，最新高清電視的非凡像素密度和高幀速率使傳統(tǒng)的銅質(zhì)HDMI電纜變得越來越無效,。即使在家庭娛樂系統(tǒng)中相對較短的距離內(nèi),，此類電纜的信號衰減程度也很嚴重。
這里的核心問題是,，傳統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要對電線進行充電和放電,，以便將一點數(shù)據(jù)從A點發(fā)送到B點。即使在CPU和RAM芯片內(nèi)部的微觀電線中,，這種充電-放電周期需要精力和時間,。
美國斯坦福大學應(yīng)用物理學家和電氣工程師大衛(wèi)·米勒也曾指出，信息處理中使用的大部分能量都用于通信,，而不是邏輯,。即使在柵極級，能量耗散的主要驅(qū)動因素是充電和放電的導線的電容,，每微米導線的電容約為200阿托法拉(10–18F),。在數(shù)據(jù)中心層面，*的服務(wù)器群可能消耗整個發(fā)電廠的電力,。如果將電纜和開關(guān)配置為使用光子而不是電子進行通信,，那么其中許多問題都將得到顯著緩解。
雖然硅光芯片在器件性能,、集成度還是應(yīng)用方面都有了眾多突破性進展,，但至今仍有很多主流光模塊廠商依然采用光電器件分立封裝的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光電性質(zhì)。例如,，硅材料間接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)使得它無法實現(xiàn)高效率的片上光源,，線性光電效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）限制了調(diào)制器的速度。
所以,，如果要實現(xiàn)真正意義上大規(guī)模光電集成芯片的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用,，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質(zhì)集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性,。其中包括磷化銦(InP)（激光器和其他可在光纖上推動光子的技術(shù)的黃金標準）和硅鍺(SiGe)（廣泛用于高速混合信號電子器件中,，使光受到控制）。
02
硅光芯片的歷程
硅光子技術(shù)最早在1969年由貝爾實驗室提出,，全球硅光子技術(shù)歷經(jīng)50多年發(fā)展,，已進入產(chǎn)業(yè)化。歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進入硅光子領(lǐng)域搶占高地,。
2004年,，英特爾研制出*款1Gb/s速率的硅光調(diào)制器之后，人們才看到硅芯片中“光進銅退”的可能性,。其后,，在IBM,、康奈爾大學,、貝爾實驗室、MIT等單位共同推動下,，硅光芯片工作速率在2013年左右達到了50Gb/s,，首次超越當時主流的光電子器件，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化大幕就此揭開,。
之后,，硅光技術(shù)持續(xù)演進，光模塊朝著提升波特率一直邁進,。從10Gb/s,、25Gb/s、50Gb/s,、100Gb/s,、400Gb/s。2016年英特爾利用片上鍵合異質(zhì)集成技術(shù)已開發(fā)出100Gbps4通道硅光模塊,，至2021年已實現(xiàn)500萬顆以上模塊的銷售,。
2020年不少企業(yè)紛紛研發(fā)出不同類型的400G光模塊，海思更是發(fā)布了《400G全場景光模塊白皮書》,，探討400G光模塊應(yīng)用場景,。
2022年是800G光模塊的啟動年，各大廠商紛紛布局800G光模塊的“研發(fā)-量產(chǎn)”之路。國內(nèi)的華工科技也在2022年推出應(yīng)用于超大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域,、高速率可插拔800G OSFP DR8 SiPh光模塊,。
整體而言，目前100Gb/s硅光模塊已成熟應(yīng)用,，400Gb/s硅光模塊正在進入規(guī)?；逃秒A段，800Gb/s硅光模塊已研制成功,，下一步將向著1.6Tb/s發(fā)展,。
03
光模塊和光芯片國產(chǎn)化率差異
光模塊中最核心的部分是光芯片，激光器芯片和探測器芯片合稱為光通信芯片,，激光器芯片技術(shù)壁壘較高,，依照結(jié)構(gòu)不同又可分為VCSEL、FP,、DFB,、EML等不同種類。光通信芯片在中端和高端光模塊成本中占比超過50%,。
目前,，國內(nèi)光模塊和光芯片國產(chǎn)化率出現(xiàn)了明顯的差異。根據(jù)Lightcounting和ICC的數(shù)據(jù),，2022年全球光模塊份額前十的廠商中有7家中國廠商,，分別為中際旭創(chuàng)（排名并列第1）、華為（排名第4）,、光迅科技（排名第5）,、海信寬帶（排名第6）、新易盛（排名第7）,、華工正源（排名第8）,、索爾思光電（排名第10）。
而25G光芯片的國產(chǎn)化率為20%,，25G以上光芯片的國產(chǎn)化率僅5%,。也就是說，盡管我國光模塊廠商發(fā)展勢頭良好,，但絕大多數(shù)模塊廠商并不具備光芯片研發(fā)自給能力,，需要進口采購，依賴外部合作或者海外光芯片供應(yīng)商的長期供應(yīng),。
例如劍橋科技光芯片就長期依賴美國光學巨頭Lumentum供應(yīng),。在今年回答投資者提問時，表示：“硅光芯片有幾個渠道,，最深度合作的就是思科,，這是長期的合作,。最近也投資了南通賽勒公司,，公司還在評估北美另外一家,。”
目前國內(nèi)做光芯片的企業(yè)包括源杰科技,，仕佳光子和長華光芯,。首先來看源杰科技，其以IDM模式深耕光芯片,，主要產(chǎn)品包括2.5G,、10G和25G及更高速率激光器芯片。在今年的業(yè)績發(fā)布會上,，源杰科技表示面向800G等高速光模塊,，公司有對應(yīng)的100G光芯片產(chǎn)品。目前,，100G產(chǎn)品研發(fā)進展比較順利,，主要的核心工藝難點、設(shè)計難點已經(jīng)實現(xiàn)了突破,，目前在和客戶對標送樣準備中,。
再來看仕佳光子，憑借在PLC和AWG光芯片的突破成為國內(nèi)無源光芯片*,，是全球*PLC分路器芯片制造商,，全球市占率*，達到53.92%,。2023上半年,，仕佳光子重點對400G/800G光模塊用AWG,、平行光組件,、連續(xù)波高功率激光器等芯片及組件，相干通訊用超寬帶密集波分復用AWG等關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)攻堅,，現(xiàn)已實現(xiàn)客戶驗證及小批量出貨。
最后看長華光芯,。長光華芯在2014年就開始了VCSEL的工藝研發(fā)（3英寸）,，2017年開始建設(shè)6英寸量產(chǎn)線,，相當于是硅基半導體的12英寸量產(chǎn)線,。
目前，長光華芯已擁有2英寸,、3英寸,、6英寸三大半導體激光芯片晶圓垂直整合生產(chǎn)線，擁有邊發(fā)射激光芯片（EEL）和面發(fā)射激光芯片（VCSEL）兩大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，GaN（氮化鎵）,、GaAs（砷化鎵）和InP（磷化銦）三大材料體系,。
今年5月，長華光芯發(fā)布了單波100Gbps（56Gbaud四電平脈沖幅度調(diào)制(PAM4)）電吸收調(diào)制器激光二極管（EML）芯片,，支持四個波長的粗波分復用（CWDM）,，達到了使用4顆芯片實現(xiàn)400Gbps傳輸速率，或8顆芯片實現(xiàn)800Gbps傳輸速率的應(yīng)用目標,，產(chǎn)品可用于400G/800G超算數(shù)據(jù)中心互連光模塊,。
光模塊廠商方面，光迅科技,、華為海思,、海信寬帶、華工正源等也是具備光芯片研發(fā)和生產(chǎn)能力,。
光迅科技是國內(nèi)*量產(chǎn)10G以下DFB,、APD芯片的廠，也是國內(nèi)*具備自主研發(fā)全系列PLC芯片并規(guī)模生產(chǎn)的廠商,。光迅科技有能力出貨8000萬芯片/年,。
海思光電目前在100GE～400GE數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)光芯片均有產(chǎn)品,，在2020年時,，面向數(shù)據(jù)中心400G光模塊主要包括400GE-SR8、400GE-DR4/DR4+和400GE-FR4三種,。
華工正源自2001年成立，主要研究包括光芯片,、光模塊,、光組件、智能終端等,，其市場規(guī)模位居全球光電器件廠商TOP8。2021年Q1,，實現(xiàn)400G全系列數(shù)通光模塊批量交付,、自研400G硅光芯片實現(xiàn)量產(chǎn)；2022年Q3,，實現(xiàn)800G全系列發(fā)布,。
值得注意的是，光模塊已經(jīng)開啟了800G時代,。行業(yè)知名調(diào)研機構(gòu)LC預測,，預計2024年,，800G光模塊將超過400G光模塊的銷售額，市場容量達70億美元,。
2010年左右,，100G的交換芯片出現(xiàn)，2016年100G交換機開始規(guī)模部署,。2017年*400G交換芯片Tomahawk3送樣,，2020年200G和400G光模塊開始規(guī)模部署。博通于2022年8月推出Tomahawk5交換芯片,，標志著800G光模塊規(guī)模部署的先決條件逐步具備,。
今年，隨著海外AI數(shù)據(jù)中心的交換機互聯(lián)速率逐步由400G向800G升級,，在數(shù)據(jù)中心間（DCI）,、葉交換機和脊交換機上已開始使用800G光模塊,。
目前,，國際上僅少數(shù)公司實現(xiàn)了400G-800Gb/s硅光芯片的商用，這方面中國內(nèi)產(chǎn)商走在了前列,。2020年,，光迅科技和中際旭創(chuàng)率先發(fā)布了800G相關(guān)產(chǎn)品。
中際旭創(chuàng)在今年透露,，公司重點客戶明年對800G光模塊需求較今年將達成幾倍的增長,，公司對相關(guān)產(chǎn)品的擴產(chǎn)將一直會持續(xù)到明年上半年；劍橋科技表示,，客戶目前已經(jīng)開始接受800G硅光光模塊產(chǎn)品送樣并且有小批量發(fā)貨,；華工科技400G硅光芯片已開始量產(chǎn)，800G硅光芯片也具備了小批量生產(chǎn)能力,。
