硅光，半導體的另一條賽道

馬曉凱　朱邵歆

硅光即硅基光電子，指的是在硅和硅基襯底材料上，利用硅CMOS工藝對光電子器件進行開發(fā)和集成的一種新技術。由于其既擁有微電子的工藝成熟、集成度高、價格低廉等基礎，又兼具光電子的極高帶寬、超快速率、抗干擾性、低功耗等優(yōu)勢，在微電子技術接近瓶頸的后摩爾定律時代，受到英特爾、華為、思科、諾基亞等公司熱捧，技術不斷進步，產(chǎn)業(yè)化進程日益加快，儼然已經(jīng)成為半導體領域競爭的另一條賽道。

硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速

根據(jù)Yole預測數(shù)據(jù)，硅光市場規(guī)模將從2018年的4 55億美元，增長到2024年的40億美元。

微電子技術瓶頸和硅光技術優(yōu)勢助力硅光興起。微電子技術是當今半導體領域主要技術，從1958年第一款集成電路誕生至今，微電子技術已經(jīng)遵循摩爾定律發(fā)展了60多年。隨著徽電子芯片集成度不斷增加，工藝線寬不斷變窄，微電子技術已經(jīng)逐漸接近性能極限，摩爾定律失效的言論當?shù)?，雖然不斷有科學家為摩爾定律續(xù)命，但前方道路依然漫長。與此同時，與微電子具有“一字之差”的光電子憑惜自己的高速和低功耗等優(yōu)勢正在蓬勃發(fā)展，逐漸受到人們的青睞。受集成電路的啟發(fā)，集成光路的概念被提出，既利用光波導將光發(fā)射、光耦合、光傳輸、光調制、光邏輯、光處理、光接收等光電子器件集成在同一個襯底上，從而構成一個具有一定獨立功能的微型光學系統(tǒng)。傳統(tǒng)的光電技術大部分都是基于Ⅲ-v族半導體（GaAs/inP等），制作成本昂貴，工藝復雜，相比之下，以硅CMOS工藝為基礎的微電子技術在過去半個世紀取得了舉世矚目的成就，技術積累十分全面，硅基工業(yè)具有非常強大的產(chǎn)業(yè)能力。于是有人提出以硅基作為襯底，利用硅CMOS工藝將光電子器件集成，硅光技術應運而生，并且憑借其兼具的微電子和光電子兩大技術優(yōu)勢火速興起戚為半導體和通信企業(yè)的競爭熱點。

技術演進和企業(yè)收購助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。硅光從提出至今，技術不斷演進，其中里程碑事件為英特爾在2004年研制成功iGb/s硅光調制器，在這之后硅光產(chǎn)業(yè)化進程突飛猛進，新技術層出不窮，硅光產(chǎn)品越來越多，不斷有企業(yè)進入該領域。由于硅光產(chǎn)品技術和準入門檻較高，下游企業(yè)對硅光產(chǎn)品依賴度增大，越來越多的下游公司在硅光領域開始展開布局，并為此進行了多輪收購或并購，從而實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)垂直整合，其中以思科、諾基亞等為主要代表。

硅光應用領域和市場規(guī)模不斷擴大。目前硅光產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，在光通信及光信息處理方面具有微電子無法比擬的優(yōu)越性，應用廣泛。根據(jù)Yole預測數(shù)據(jù)，硅光市場規(guī)模將從2018年的4 55億美元，增長到2024年的40億美元。在消費電子領域，硅光的大規(guī)模集成特性非常適合消費電子產(chǎn)品需求，智能傳感、移動終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術在有限的空間集成更多的器件;在光通信領域，隨著網(wǎng)絡帶寬的不斷增加，高速率傳輸技術已經(jīng)成為光通信領域的研究重點，硅光產(chǎn)品憑借尺寸小、成本低、與現(xiàn)有CMOS技術兼容等優(yōu)勢，成為高速光通信實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳方案;在量子通信領域，由于硅光技術保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優(yōu)勢，基于硅光的量子通信芯片有望成為量子通信的重要技術方案。此外，硅光在智能駕駛、激光雷達、面部識別、高速互聯(lián)等應用領域均有解決方案。

我國處于追趕者地位

相比集成電路企業(yè)，我國硅光企業(yè)大都規(guī)模較小，芯片嚴重依賴國外。企業(yè)實力較弱，垂直整合能力有待提高。

由于我國進入硅光領域較晚，目前主要通過并購或者與外企合作的模式切入，正處于追趕者的地位。我國目前在硅光領域開展布局的企業(yè)主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創(chuàng)科技等。華為2013年收購比利時硅光子公司Caliopa，并且在英國建立了光芯片工廠發(fā)展硅光技術。2017年亨通光電與英國的硅光子企業(yè)洛克利合作，獲得多項硅光芯片技術許可，2020年3月10日發(fā)布了400G硅光模塊。2018年光迅科技聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng)新中心等單位聯(lián)合研制成功100G硅光收發(fā)芯片并正式投產(chǎn)使用。2020年博創(chuàng)科技與Sicoya公司合作，推出了高性價比的400G數(shù)據(jù)通信硅光模塊解決方案。

同時，我國硅光發(fā)展與發(fā)達國家仍存在差距。在設計方面，架構不夠完善，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決。在制備方面，我國的硅光芯片大部分都需要國外代工，對外依賴度大。在封裝方面，硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問題。在測試方面，高速儀器儀表還嚴重依賴國外。在推廣應用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經(jīng)完成研制，但是距離應用還有一段路要走，關于如何在數(shù)據(jù)通信領域發(fā)揮硅光技術優(yōu)勢，降低成本，依然是我國硅光發(fā)展需要面臨的問題。在企業(yè)規(guī)模上，相比集成電路企業(yè)，我國硅光企業(yè)大都規(guī)模較小，芯片嚴重依賴國外，企業(yè)實力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些硅光企業(yè)，但大都是設計、后道制程和封裝企業(yè)，具有芯片制備能力的企業(yè)寥寥無幾。

四點建議助力我國硅光發(fā)展

發(fā)展我國硅光技術，做好長期投入的準備。硅光是技術密集型產(chǎn)業(yè)，需要持續(xù)不斷關注，不能唯眼前回報而論。

積極與下游廠商對接。由于硅光技術正在不斷發(fā)展中，且下游智能傳感、量子通信等硅光產(chǎn)品應用領域尚未完全成熟和普及，因此為了占領未來市場，需要硅光廠商與下游廠商積極對接合作，及時了解產(chǎn)品需求，在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上做到有的放矢，提升產(chǎn)品競爭力。

建設硅光工藝平臺。硅光工藝平臺對于企業(yè)的技術水平和財力要求較高，因此目前國內高端硅光芯片流片基本都需要在國外完成，成本高、周期長，制約了我國硅光的發(fā)展。加快在國內建設硅光工藝平臺，提供流片、封裝等硅光工藝服務，方便國內硅光科研院所和企業(yè)進行研發(fā)，降低成本。

增強企業(yè)垂直整合能力。鼓勵國內廠商通過收購或兼并等方式在硅光產(chǎn)業(yè)鏈上不斷進行拓展，加大創(chuàng)新投入、改善人才引進與激勵機制，完成技術與業(yè)務能力的提升，增強企業(yè)垂直整合能力，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈高端。

做好長期投入的準備。硅光是技術密集型產(chǎn)業(yè)，需要持續(xù)不斷關注，不能唯眼前回報而論。以英特爾為例，其發(fā)展硅光到現(xiàn)在并沒有盈利，但是依然在堅持研發(fā)新產(chǎn)品，不斷引領硅光技術有新的發(fā)展。我國在硅光方面對比國外，雖然不如徽電子差距那么大，但是依然有差距，處于追趕者地位，沒有誰可以保證硅光一定賺錢，但是沒有一家公司能承受不做硅光帶來的損失。想要做好硅光，就需要持續(xù)投入，重視基礎研究，改善考核機制，保證科研人員和企業(yè)具備穩(wěn)定的研發(fā)能力，從而最終贏得硅光戰(zhàn)役的勝利。