新材料—硅光，能否成为行业颠覆者

昨天，今天和明天都很“HOT”的“硅光” 

说它昨天热门是因为早在 30 年前，硅基光电子技术就开始发展了。

1985 年 Richard Scoref 等人认为：单晶硅可以作为光波导材料，可用于微电子应用同时实现光信号传递。一系列奠定硅光技术的理论基础随之出现，如 Sore 波导理论、激光放大理论、硅掺杂调制等等，但器件的发展开始是比较缓慢的。直到 2004 年，英特尔研制成功 1Gbps 的硅光调制器，标志着徘徊多年的硅光电子学研究，取得了突破性的进展。

说它现在热门，看看下面这张产业链图中的诸多大咖级玩家还需要小 K 再多说啥吗？正如浙江大学信息与电子工程学院储涛教授在 2018 年 9 月主题为“无所不在的硅光芯片技术”的演讲中说过的那样：

谁也不敢保证硅光能不能赚钱，

但是没有任何一家公司，

能承受不做硅光所带来的损失。

图 2：源自 Yole Development，April 2019

在目前出货的硅光模块产品中，主要有两大类：

■数据中心光模块：以Intel 为代表的厂商可提供 100G CWDM4 及 PSM4 硅光模块批量供货。

■中长距离相干光模块：用于数据中心之间DCI 连接或电信城域网骨干网远距离通信，Acacia、Macom、SiPhotonics、以及光迅牵头的国家信息光电子创新中心等均推出了相干硅光芯片产品，其中Acacia 和Macom 等硅光相干模块已经实现量产出货。

而说它将来热门，在下图可以看到来自 Yole 的预测数据显示，从 2018 年至 2024 年硅光的年复合增长率为 44.5% 。

“硅光子未来将有最高的年复合增长率，为 44.5%”

“该市场将从 2018 年的 4.55 亿美元，增长到 2024 年的 40 亿美元。”

——Yole 分析师 Eric Mounier

图 3：源自 Slicon Photonics and Photonics Integrated Circiuts 2019, Yole Development

硅光的优势和产业化挑战 

目前各大互联网巨头的数据中心已经普遍采用 100G 的互联技术，并还将升级至 400G 互联。因此，400G 光模块的实现技术成为业界关注的重点。在 2018 和 2019 年的 OFC 展会上，国内外各大公司都纷纷展出了 400G QSFP-DD 和 OSFP 的产品，而在硅光产业链中，可看到唯一一家横跨 Epi wafer、fabless、foundry、transceiver 领域的公司 Intel 量产并出货了很多 100G PSM4 和 CWDM4 的硅光产品,而且也在 2019 年的 interconnect day 上披露了400G 的硅光产品将在 2019 年末量产。

图 4：源自 Hong Hou Intel Silicon Photonics 400G DR4

可以从上图中看到模块的右侧灰色区域光输入和输出所用到的激光器，调制器和探测器部分都被集成在硅光芯片上，4 通道每通道 100G，最终实现 400G 速率。虽然看起来硅光产业化的进程和传统光模块几乎齐头并进，但从另一家光通信领域的市场研究公司 lightCounting 的分析报告来看，硅光器件目前在整个传输市场上其实只占据了 10% 的份额，它面临的最大竞争依然来自于传统的 InP和 GaAs 分立和集成器件/模块，传统产品由于技术路线比较成熟，市场化时间较长，应用也更普及，所以市场规模也远远大于硅光市场。硅光的前路漫漫，还需要依赖于 CMOS 兼容工艺，实现大量生产制造，分摊成本，最终在晶圆级制造，封装和测试技术上有竞争力，成为“后摩尔时代”的领军技术力量。

图 5：源自 LightCounting

在 Keysight World 上海 2019 的会议上，来自亨通洛克利的陈奔博士也坦言了目前硅光产业化的重重挑战：

该表源自2019 Keysight World上海 陈奔博士演讲稿

可能这时候就会有小伙伴想问：

“既然都在做 100G、400G 产品，硅基光产品和分立式、集成式的有什么区别呢？既然面临如此之多的挑战，为什么还要投资在硅光方向呢？”

在回答这个问题之前，我们还是要一起复习一下硅基光是什么。在这里，我们直接引用北京大学周治平教授的定义：

研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。

——周治平《硅基光电子学》

可以看出硅基光的几个重点也是采用这项技术的优势：

■光信号在传输过程中衰减小且传输带宽高，可得到超快速率和高抗干扰特性传输信号

■利用已有的微电子技术在大规模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的优势

■在硅芯片上集成光传输通道的工艺难度相对较低

■以硅材料为衬底，实现硅光，电，其他材料（主要指 III-V）等的 CMOS 集成

然后回到小伙伴们一开始的疑问，为什么业界都在做 100G、400G 产品了，还非要做基于硅基光的 100G，400G 产品？究其根本原因，还是因为硅光技术的低成本、低功耗、高集成度、高传输带宽的优势。从上图 LightCounting 的Transceiver 市场趋势图也可以看到，分立器件的份额持平而集成器件的份额和硅光产品的份额都呈增长趋势。由此可见把越来越多的器件集成在一起是大势所趋，而大家都看好硅光市场的原因有以下三点：

1. 光模块架构主要由光源、调制器、光纤/波导、探测器等几部分组成，传统工艺需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现将调制器、接收器以及无源光学器件等高度集成。相比传统分立式器件，硅光技术下的光模块基于 CMOS 制造工艺，在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工，使得体积大幅减小，材料成本、芯片成本、封装成本进一步优化，同时，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升。

图 6：源自 OFWEEK

2. 传统的光通信模块主要是由 III-V 族半导体芯片、高速电路芯片、无源光组件及光纤封装而成。但随着晶体管尺寸不断变小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用，50Gbps 已经接近传统铜电路极限。数据中心内部及芯片层面的“光进铜退”成为必然。硅光，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合在一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度。

3.大规模集成化对于成本和功耗的降低也是显而易见的。以 Intel 100G 短距离 PSM4 光模块为例，传统的 100G PSM4 方案中，使用了 4 个 25G 激光器分别调制 4 路信号经 4  根光纤传输 100G 信号，而Intel的硅光100G光模块高度集成了调制器和无源光路，只使用 1 个 25G 激光器，实现 4 路信号的调制和传输，非常具有成本优势。

图 7：源自 Intel Silicon Photonics 100G PSM4 QFSP28 Transceiver report

这里重点要说的是硅是间接带隙半导体，很难成为光源材料，要使硅基集成光路产生光源，需要把 III-V 族和硅材料做异质集成。而这种将几种材料结合在一起的方式，既可以利用 III-V 材料实现片上有源功能，又可以利用硅基集成工艺的优势，所以硅光并不是单单指 Silicon 哦。

硅光的应用领域和发展方向

云计算、物联网(IoT)、流媒体视频、5G迫使数据中心呈指数级增长且对整个通信网络在能耗，时延，安全可靠等方面有新的诉求。所有这些因素都是硅光产业化的一个转折点。硅光，有望带来一波新的芯片、模块、系统，以满足对更快、更多数据的日益增长的需求。

与传统的电路和系统相比，硅光系统利用光传输更多的数据，效率更高，传输速度更快，同时能耗低。硅光技术提供了一种解决方案，使数据中心内部和之间的带宽传输显著提高和更有效。与通过铜线传输电信号的系统相比，基于光通讯的系统使用光在光纤线路上传输数据更快、更有效。同时多电平脉冲幅度调制（PAM4） ，先进的光学调制格式，如正交幅度调制（QAM）和正交频分复用（OFDM），以及相干检测技术提高了频谱效率。硅光的覆盖范围从短距离芯片到芯片到局域网(LANs)和广域网（WANs）超过 100 公里的传输距离。对于电信领域，硅光技术增加了在相同光纤线路上传输的数据量，而不需要扩展光纤电缆。对于距离通常小于 80 公里的数据中心互连，硅光承载了更高的容量和更有效的数据传输。随着新技术的不断发展，硅光子学技术将使半导体、芯片、光学元件和整个数据系统的新设计成为可能。这些新的光学元件将比传统的电子系统提供更高的带宽、更高的功率效率和更快的速度。

图 8：硅光的应用领域

在目前来看，大部分的硅光模块是应用于数据中心和城域骨干网领域，占比几乎超过 90% 以上。而随着 5G 规模商用的临近，仅 5G 前传就有约 5000 万只 25G/50G 光模块的需求， 5G 对传输速率，超低延时、高稳定性是最基本的要求，这些无疑都是硅光技术最擅长的领域。业内普遍也认为硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域将会存在更大需求，比如智能传感、智能驾驶、激光雷达、量子通信等领域有很大的发展空间。

但是由于整个产业链还处于发展早期，整体出货量低，无法实现 CMOS 大规模生产带来的成本效应，也无法支撑良率提升和生产制造工艺的优化。在成本，功耗和性能上，与传统光模块产品相比并未显示颠覆性优势。但是整体光模块行业以每年 10% 的年复合增长率扩张，硅光的份额也水涨船高，逐步有提升。

硅光的优势是集成化，那么终极目标是不是就是把目前光模块中的有源器件，无源器件，电路都集成在一起呢？在 2018 年 OFC 上看到亨通洛克利展出的一款硅光芯片：激光外置，在交换芯片上集成了光收发的功能，相当于把光模块与交换机芯片的距离无限拉近在一起。

图 9：源自 OFC 2018 亨通洛克利展示

Co-packaging 固然有很多好处，正如 Pennies Consulting 在 2019 年 OFC 的 PIC workshop 指出的那样：

“它可以实现电路和光路部分分立的高速，高带宽设计，通过集成连接器和光路部分的组合可以实现自动化大规模生产，多通道扩容并能使用到电封装中先进的电路和散热封装技术。”

——Pennies Consulting

图 10：源自Pennies Consulting 在 2019 年 OFC 的 PIC workshop 的演讲稿

但还应考虑到 Co-package 后将面临的重重测试验证挑战，首当其冲的就是信号完整性和电源完整性问题，集成度超高以后还需考虑到测试时的探测问题，模块的散热问题以及整合测试等： 

结束语

虽然硅光芯片产业面临着诸多困难，但不可否认它广阔的市场前景。现在所面临的一系列技术问题，正在慢慢得到解决。国内首款商用“100G 硅光收发芯片”取得的突破性进展，预示着芯片层面的“光进铜退”将是大势所趋，硅光技术实现规模商用化未来可期。一些主流公司纷纷开始通过各种方式布局硅光子芯片、器件，一是可预见到的市场机会，二是也需要优化自身产品结构，从而形成竞争优势。然而面临产量，良品率，生产工艺等至关重要的问题，我们也会发现硅光并不是颠覆者，也许在未来的 5-10 年间，它会和 III-V 共存相当长的一段时间，但是硅光对于推动光通信行业发展的巨大影响力却是毋容置疑的。

最后，关于针对基于硅光的有源，无源芯片， 器件和模块，是德科技都可以提供相应的测试方案。在 2019 年 3 月的 OFC 展会上，是德科技还与 Form Factor 一起联合展示了真实的 on-wafer 硅光测试场景。

图 11：是德科技与 FormFactor 在 2019 年 OFC 的硅光测试方案联合展示