每次在硅光研討會(huì)上，有會(huì)被問到一個(gè)問題，那就是：“硅光的出現(xiàn)是否會(huì)顛覆目前的光通信市場(chǎng)？”

顯然大家對(duì)這個(gè)領(lǐng)域是既充滿好奇又滿是敬畏。簡(jiǎn)言之，如果能從下圖左側(cè)紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中解脫出來，化繁為簡(jiǎn)為右側(cè)一個(gè)集成度超高的芯片，這當(dāng)然非常值得為之奮斗并的確稱得上對(duì)既有技術(shù)和市場(chǎng)的顛覆。但事實(shí)究竟會(huì)是怎樣呢？

昨天今天明天都很熱的“硅光”

說它昨天熱門，是因?yàn)樵缭?0年前，硅基光電子技術(shù)就開始發(fā)展了。

1985年Richard Scoref等人認(rèn)為：?jiǎn)尉Ч杩梢宰鳛楣獠▽?dǎo)材料，可用于微電子應(yīng)用同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳遞。一系列奠定硅光技術(shù)的理論基礎(chǔ)隨之出現(xiàn)，如Sore波導(dǎo)理論、激光放大理論、硅摻雜調(diào)制等等，但器件的發(fā)展開始是比較緩慢的。

直到2004年，英特爾研制成功1Gbps的硅光調(diào)制器，標(biāo)志著徘徊多年的硅光電子學(xué)研究，取得了突破性的進(jìn)展。

說它現(xiàn)在熱門，看看下面這張產(chǎn)業(yè)鏈圖中的諸多大咖級(jí)玩家，還需要我再多說啥嗎？正如浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院儲(chǔ)濤教授在2018年9月主題為“無所不在的硅光芯片技術(shù)”的演講中說過的那樣：“誰也不敢保證硅光能不能賺錢，但是沒有任何一家公司，能承受不做硅光所帶來的損失?！?/p>

在目前出貨的硅光模塊產(chǎn)品中，主要有兩大類：

1.數(shù)據(jù)中心光模塊：以Intel為代表的廠商可提供100G CWDM4及PSM4硅光模塊批量供貨。

2.中長距離相干光模塊：用于數(shù)據(jù)中心之間DCI連接或電信城域網(wǎng)骨干網(wǎng)遠(yuǎn)距離通信，Acacia、Macom、SiPhotonics、以及光迅牽頭的國家信息光電子創(chuàng)新中心等均推出了相干硅光芯片產(chǎn)品，其中Acacia和Macom等硅光相干模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨。

而說它將來熱門，在下圖可以看到來自Yole的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從2018年至2024年硅光的年復(fù)合增長率為44.5%。

Yole分析師Eric Mounier表示：“硅光子未來將有最高的年復(fù)合增長率，為44.5%；該市場(chǎng)將從2018年的4.55億美元，增長到2024年的40億美元?！?/p>

硅光的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)

目前各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)普遍采用100G的互聯(lián)技術(shù)，并還將升級(jí)至400G互聯(lián)。因此，400G光模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。在2018和2019年的OFC展會(huì)上，國內(nèi)外各大公司都紛紛展出了400G QSFP-DD和OSFP的產(chǎn)品。

而在硅光產(chǎn)業(yè)鏈中，可看到唯一一家橫跨Epi wafer、fabless、foundry、transceiver領(lǐng)域的公司Intel量產(chǎn)并出貨了很多100G PSM4和CWDM4的硅光產(chǎn)品,而且也在2019年的interconnect day上披露400G的硅光產(chǎn)品將在2019年末量產(chǎn)。

可以從上圖中看到模塊的右側(cè)灰色區(qū)域光輸入和輸出所用到的激光器，調(diào)制器和探測(cè)器部分都被集成在硅光芯片上，4通道每通道100G，最終實(shí)現(xiàn)400G速率。

雖然看起來硅光產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程和傳統(tǒng)光模塊幾乎齊頭并進(jìn)，但從另一家光通信領(lǐng)域的市場(chǎng)研究公司lightCounting的分析報(bào)告來看，硅光器件目前在整個(gè)傳輸市場(chǎng)上其實(shí)只占據(jù)了10%的份額，它面臨的最大競(jìng)爭(zhēng)依然來自于傳統(tǒng)的InP和GaAs分立和集成器件/模塊。

傳統(tǒng)產(chǎn)品由于技術(shù)路線比較成熟，市場(chǎng)化時(shí)間較長，應(yīng)用也更普及，所以市場(chǎng)規(guī)模也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅光市場(chǎng)。

硅光的前路漫漫，還需要依賴于CMOS兼容工藝，實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)制造，分?jǐn)偝杀荆罱K在晶圓級(jí)制造，封裝和測(cè)試技術(shù)上有競(jìng)爭(zhēng)力，成為“后摩爾時(shí)代”的領(lǐng)軍技術(shù)力量。

在Keysight World上海 2019 的會(huì)議上，來自亨通洛克利的陳奔博士也坦言了目前硅光產(chǎn)業(yè)化的重重挑戰(zhàn)：

可能這時(shí)候就會(huì)有小伙伴想問：“既然都在做100G、400G產(chǎn)品，硅基光產(chǎn)品和分立式、集成式的有什么區(qū)別呢？既然面臨如此之多的挑戰(zhàn)，為什么還要投資在硅光方向呢？”

在回答這個(gè)問題之前，我們還是要一起復(fù)習(xí)一下硅基光是什么。在這里，我們直接引用北京大學(xué)周治平教授的定義：

研究和開發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。其核心內(nèi)容就是研究如何將光子器件“小型化”、“硅片化”并與納米電子器件相集成，即利用硅或與硅兼容的其他材料，應(yīng)用硅工藝，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級(jí)，以光子和/或電子為載體的信息功能器件，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模集成芯片?！苤纹健豆杌怆娮訉W(xué)》

可以看出硅基光的幾個(gè)重點(diǎn)也是采用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：

1.光信號(hào)在傳輸過程中衰減小且傳輸帶寬高，可得到超快速率和高抗干擾特性傳輸信號(hào)

2.利用已有的微電子技術(shù)在大規(guī)模 CMOS 集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢(shì)

3.在硅芯片上集成光傳輸通道的工藝難度相對(duì)較低

4.以硅材料為襯底，實(shí)現(xiàn)硅光，電，其他材料（主要指 III-V）等的 CMOS 集成

然后回到小伙伴們一開始的疑問，為什么業(yè)界都在做100G、400G產(chǎn)品了，還非要做基于硅基光的100G和400G產(chǎn)品？

究其根本原因，還是因?yàn)楣韫饧夹g(shù)的低成本、低功耗、高集成度、高傳輸帶寬的優(yōu)勢(shì)。

從上圖LightCounting的Transceiver市場(chǎng)趨勢(shì)圖也可以看到，分立器件的份額持平而集成器件的份額和硅光產(chǎn)品的份額都呈增長趨勢(shì)。由此可見把越來越多的器件集成在一起是大勢(shì)所趨，而大家都看好硅光市場(chǎng)的原因有以下三點(diǎn)：

1.光模塊架構(gòu)主要由光源、調(diào)制器、光纖/波導(dǎo)、探測(cè)器等幾部分組成，傳統(tǒng)工藝需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對(duì)準(zhǔn)組件、光纖端面等器件，最終實(shí)現(xiàn)將調(diào)制器、接收器以及無源光學(xué)器件等高度集成。

相比傳統(tǒng)分立式器件，硅光技術(shù)下的光模塊基于CMOS 制造工藝，在硅基底上利用蝕刻工藝可以快速加工，使得體積大幅減小，材料成本、芯片成本、封裝成本進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)，硅光技術(shù)可以通過晶圓測(cè)試等方法進(jìn)行批量測(cè)試，測(cè)試效率顯著提升。

2.傳統(tǒng)的光通信模塊主要是由III-V族半導(dǎo)體芯片、高速電路芯片、無源光組件及光纖封裝而成。但隨著晶體管尺寸不斷變小，電互連面臨諸多局限，業(yè)界發(fā)現(xiàn)摩爾定律不再適用，50Gbps已經(jīng)接近傳統(tǒng)銅電路極限，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及芯片層面的“光進(jìn)銅退”成為必然。

硅光，即采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)器件與電子元件整合在一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，在硅片上用光取代銅線作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，以提升芯片與芯片間的連接速度。

3.大規(guī)模集成化對(duì)于成本和功耗的降低也是顯而易見的。以Intel 100G短距離PSM4光模塊為例，傳統(tǒng)的100G PSM4方案中，使用了4個(gè)25G激光器分別調(diào)制4路信號(hào)經(jīng)4根光纖傳輸100G信號(hào)，而Intel的硅光100G光模塊高度集成了調(diào)制器和無源光路，只使用1個(gè)25G激光器，實(shí)現(xiàn)4路信號(hào)的調(diào)制和傳輸，非常具有成本優(yōu)勢(shì)。

這里重點(diǎn)要說的是硅是間接帶隙半導(dǎo)體，很難成為光源材料，要使硅基集成光路產(chǎn)生光源，需要把 III-V 族和硅材料做異質(zhì)集成。而這種將幾種材料結(jié)合在一起的方式，既可以利用 III-V 材料實(shí)現(xiàn)片上有源功能，又可以利用硅基集成工藝的優(yōu)勢(shì)，所以硅光并不是單單指Silicon哦。

硅光的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向

云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、流媒體視頻、5G迫使數(shù)據(jù)中心呈指數(shù)級(jí)增長且對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)在能耗，時(shí)延，安全可靠等方面有新的訴求。所有這些因素都是硅光產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。硅光，有望帶來一波新的芯片、模塊、系統(tǒng)，以滿足對(duì)更快、更多數(shù)據(jù)的日益增長的需求。

與傳統(tǒng)的電路和系統(tǒng)相比，硅光系統(tǒng)利用光傳輸更多的數(shù)據(jù)，效率更高，傳輸速度更快，同時(shí)能耗低。硅光技術(shù)提供了一種解決方案，使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和之間的帶寬傳輸顯著提高和更有效。與通過銅線傳輸電信號(hào)的系統(tǒng)相比，基于光通訊的系統(tǒng)使用光在光纖線路上傳輸數(shù)據(jù)更快、更有效。

同時(shí)多電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4） ，先進(jìn)的光學(xué)調(diào)制格式，如正交幅度調(diào)制（QAM）和正交頻分復(fù)用（OFDM），以及相干檢測(cè)技術(shù)提高了頻譜效率。硅光的覆蓋范圍從短距離芯片到芯片到局域網(wǎng)(LANs)和廣域網(wǎng)（WANs）超過100公里的傳輸距離。

對(duì)于電信領(lǐng)域，硅光技術(shù)增加了在相同光纖線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，而不需要擴(kuò)展光纖電纜。對(duì)于距離通常小于80公里的數(shù)據(jù)中心互連，硅光承載了更高的容量和更有效的數(shù)據(jù)傳輸。

隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，硅光子學(xué)技術(shù)將使半導(dǎo)體、芯片、光學(xué)元件和整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)成為可能。這些新的光學(xué)元件將比傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)提供更高的帶寬、更高的功率效率和更快的速度。

硅光的應(yīng)用領(lǐng)域

在目前來看，大部分的硅光模塊是應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和城域骨干網(wǎng)領(lǐng)域，占比幾乎超過90%以上。而隨著5G規(guī)模商用的臨近，僅5G前傳就有約5000萬只25G/50G光模塊的需求， 5G 對(duì)傳輸速率，超低延時(shí)、高穩(wěn)定性是最基本的要求，這些無疑都是硅光技術(shù)最擅長的領(lǐng)域。

業(yè)內(nèi)普遍也認(rèn)為硅光技術(shù)的高度集成特性在對(duì)尺寸更加敏感的消費(fèi)領(lǐng)域?qū)?huì)存在更大需求，比如智能傳感、智能駕駛、激光雷達(dá)、量子通信等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

但是由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還處于發(fā)展早期，整體出貨量低，無法實(shí)現(xiàn)CMOS大規(guī)模生產(chǎn)帶來的成本效應(yīng)，也無法支撐良率提升和生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化。在成本，功耗和性能上，與傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)品相比并未顯示顛覆性優(yōu)勢(shì)。但是整體光模塊行業(yè)以每年10%的年復(fù)合增長率擴(kuò)張，硅光的份額也水漲船高，逐步有提升。

硅光的優(yōu)勢(shì)是集成化，那么終極目標(biāo)是不是就是把目前光模塊中的有源器件，無源器件，電路都集成在一起呢？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，在交換芯片上集成了光收發(fā)的功能，相當(dāng)于把光模塊與交換機(jī)芯片的距離無限拉近在一起。

Co-packaging固然有很多好處，正如Pennies Consulting在2019年OFC的PIC workshop指出的那樣：“它可以實(shí)現(xiàn)電路和光路部分分立的高速，高帶寬設(shè)計(jì)，通過集成連接器和光路部分的組合可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，多通道擴(kuò)容并能使用到電封裝中先進(jìn)的電路和散熱封裝技術(shù)。”

但還應(yīng)考慮到Co-package后將面臨的重重測(cè)試驗(yàn)證挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的就是信號(hào)完整性和電源完整性問題，集成度超高以后還需考慮到測(cè)試時(shí)的探測(cè)問題，模塊的散熱問題以及整合測(cè)試等。

小結(jié)

雖然硅光芯片產(chǎn)業(yè)面臨著諸多困難，但不可否認(rèn)它廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)在所面臨的一系列技術(shù)問題，正在慢慢得到解決。

國內(nèi)首款商用“100G硅光收發(fā)芯片”取得的突破性進(jìn)展，預(yù)示著芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢(shì)所趨，硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化未來可期。

一些主流公司紛紛開始通過各種方式布局硅光子芯片、器件，一是可預(yù)見到的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，二是也需要優(yōu)化自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

然而面臨產(chǎn)量，良品率，生產(chǎn)工藝等至關(guān)重要的問題，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)硅光并不是顛覆者，也許在未來的5-10年間，它會(huì)和III-V共存相當(dāng)長的一段時(shí)間，但是硅光對(duì)于推動(dòng)光通信行業(yè)發(fā)展的巨大影響力卻是毋容置疑的。