研究成果
CAICT觀點
硅光技術及其應用分析
作者:劉璐            發布時間:2020-01-13

  全球信息技術正處于創新活躍時期,在新型業務及應用模式的驅動下,數據流量呈爆發式增長,光傳輸及光互連系統在帶寬、成本、功耗和尺寸等方面面臨挑戰。硅光技術結合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢,是一種可解決技術演進與成本矛盾的創新性技術。由于短期無法解決光源等問題,預計硅光在未來相當長的時間內無法完全取代傳統III-V族材料,但目前其技術發展勢頭強勁,產業規模不斷擴大,新產品與應用進展也在不斷推進,已成為業界持續關注的熱點技術。

  一、硅光器件初步成熟,混合集成方案成為主流

  硅是間隙能帶材料,不適合作為通信波段光源,不過除光源外的其他無源有源器件如分束器、復用/解復用器、調制器等均已初步成熟,進入可規模化生產階段。為了解決光源問題,硅光集成芯片通常采用混合集成方案,即在硅片上引入III-V族光源,光芯片與電芯片在各自平臺上進行獨立設計與制造,之后再進行組裝。混合集成靈活度高,前期工藝成本低,但光電芯片之間的鍵合會引起寄生效應,后期封裝成本較高。不過鑒于當前硅基光源的低成熟度,混合集成在未來相當長的時間內仍會占據主導地位。

  二、硅光多技術環節仍面臨挑戰,國外發展水平領先明顯

  目前,硅光的設計工具,即光電設計自動化(EPDA)仿照微電子設計自動化(EDA)流程,但在元件標準化、設計規則檢查等方面尚未完全成熟,自動化程度低,用戶的普及率也有待提高。國外EPDA軟件在傳統EDA的基礎上融合光學仿真與光器件工藝設計包(PDK),發展迅速。而國內基本沒有專業從事EPDA軟件開發的商業機構,尚處起步階段。

  硅光工藝流程需要在標準CMOS工藝基礎上增加若干工藝步驟,同時需要針對硅光器件進行大量的工藝參數優化設計,目前面臨著自動化程度低、產業標準不統一、器件單元尚未標準化等技術難關。國外的Intel、ePIXfab等已在硅光加工制造方面具有多年技術積累,而國內硅光工藝平臺處于起步階段。

  硅光芯片的封裝仍存挑戰。光學封裝角度:耦合損耗較大;硅基光源效率低,而主流的混合集成方案,生產工藝與封裝校準要求嚴苛。電學封裝角度:隨著性能的不斷提升,平均管腳密度將會大幅度增加,這也會為封裝帶來很大的挑戰。隨著硅光向三維集成方向的發展,光芯片將與電芯片統籌設計、制造、封裝,且封裝過程將與設計、制造過程緊耦合,這有可能使得歐美傳統微電子大廠占得先機。

  三、硅光產業規模逐步擴大,縱向整合長期存在

  近年來硅光產業規模逐步擴大。2016年,Yole預測后續硅光技術的整體市場將保持高速增長,2015-2025年的十年間,復合增長率超過45%,到2025年硅光市場規模將超13億美元。而2018年,Yole將預測規模調整為2024年達到41.4億美元。

  電子大廠與下游企業切入市場,縱向整合長期存在。硅光技術是光學技術和半導體技術的結合,隨著光學和專用集成電路(ASIC)逐步走向共同封裝,需要更緊密的設計關系,硅光技術的半導體屬性越來越強,在整個產業鏈中電子公司的地位越來越重要。Intel、IBM、STMicroelectronics、NEC、華為海思等公司均投入研發。下游客戶(大型互聯網公司、運營商、通信設備廠商等)也嘗試通過并購與合作積極布局硅光研發,呈現出下游客戶切入中上游制造過程的趨勢。這些廠商切入硅光模塊,與自身原有的產品相結合將會降低整個設備的成本,如FaceBook于2013年與Intel合作開發數據中心機架,Cisco于2018年宣布收購Luxtera并計劃于2020年完成收購Acacia,Ciena、Juniper、華為等領軍企業也紛紛通過此方式入局。

  四、新產品與新應用正在起步,規模化發展需找準定位

  數據中心仍為硅光最主要應用場景。數據中心中連接數眾多,節點間距離短,適用于數量大、成本敏感但對性能要求不高的模塊。尤其是在100G PSM4短距和400G高速應用方面,硅光優勢明顯。據Yole預測,到2025年,硅光市場超過90%應用將來自于數據中心。

  硅光新領域應用處于早期研發和起步階段。5G方面,硅光調制器+直流大功率激光器技術在90~95℃高溫極端環境中存在用武之地。同時,硅光集成芯片規模商用有望使相干技術降低成本進而大批量應用于5G回傳光網絡。各廠商針對5G應用也紛紛推出相應產品,如Intel最新的100G硅光收發器可滿足5G無線前傳應用的帶寬需求并符合工業級溫度要求,Sifotonics 于OFC2019上展示了適用于遠距離5G前中回傳應用的雪崩二極管(APD)接收機模塊等。高性能計算方面,通過光互連、光神經網絡、光量子計算等途徑均已實現樣機,如初創公司Ayar Labs宣布即將發布一款名為TeraPHY的光電I/O芯片,該芯片基于45nm CMOS SOI工藝,帶寬可高達Tb/s。激光雷達方面,初創公司Voyant Photonics、OURS等研制出基于硅光技術的激光雷達測試芯片,具有低成本、高穩定性、高速率等優點。生化傳感方面,傳統設備的尺寸、成本與靈敏度目前仍然存在問題,而硅光則提供了一種可能的解決方案。IBM公司展示了一種基于硅光技術的芯片級光譜儀,成本大幅降低。Genalyte公司開發了基于硅光傳感的快速血液檢測系統,宣稱只需要1滴血就可以在15分鐘內完成128項測試。對于這些新領域來說,整個產業鏈還處于發展早期,整體出貨量低,無法實現 CMOS 大規模生產帶來的成本效應,也無法支撐良率提升和生產制造工藝的優化,目前還主要是研究機構和公司的一些初期成果。

  硅光規模化發展需找準定位。硅光技術產品性能及成熟度仍有待提升,下游客戶驗證也需要時間,短期內實現規模化發展存在挑戰。從研發方角度,硅光技術前期投入大,只有得到大量部署其成本優勢才會顯現;從應用方角度,希望看到成本下降后,才考慮大量使用。兩者之間存在一定矛盾,產業規模化發展還需找準定位、進行模式突破。預計硅光將在數量大、成本敏感但對性能要求不高、對集成小型化/光電緊耦合有強烈要求等場景中具有廣闊應用前景。


  作者信息:劉璐,博士,中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師,主要從事光器件模塊和量子信息技術研究。

  聯系方式:010-62304832,13718830797,liulu@caict.ac.cn

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