注：原文為開源證券《AI 高速率時代，硅光子迎成長機(jī)遇》，分析師：蔣穎

硅光子技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用現(xiàn)有 CMOS 工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)，是實現(xiàn)光子和微電子集成的理想平臺。

隨著傳統(tǒng)微電子、光電子技術(shù)逐步步入“后摩爾時代”，硅光產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，已初步覆蓋了前沿技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計工具提供商、器件芯片模塊商、Foundry、IT 企業(yè)、系統(tǒng)設(shè)備商、用戶等各個環(huán)節(jié)，并被廣泛應(yīng)用于光通信、光傳感、光計算、智能駕駛、消費電子等多個領(lǐng)域。

在名為《AI 高速率時代，硅光子迎成長機(jī)遇》的深度研報里，分析師從多個角度介紹了硅光子技術(shù)的最近進(jìn)展。

以下為內(nèi)容節(jié)選：

一、硅光子技術(shù)：后摩爾時代重要技術(shù)平臺

1、硅光子技術(shù)簡介

硅光子技術(shù)是利用硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過集成電路工藝來制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測器、光波導(dǎo)器件等），這些器件用于對光子的激發(fā)、處理和操縱，實現(xiàn)其在光通信、光互連、光計算等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

在當(dāng)前“電算光傳”的信息社會下，微電子/光電子其技術(shù)瓶頸不斷凸顯，硅基光電子具有和成熟的CMOS微電子工藝兼容的優(yōu)勢，有望成為實現(xiàn)光電子和微電子集成的最佳方案。

從需求發(fā)展來看，光電子和微電子集成源動力來自于微電子/光電子各自的發(fā)展需求，微電子方面，深亞微米下電互連面臨嚴(yán)重的延時和功耗瓶頸，需要引入光電子利用光互連解決電互連的問題；光電子方面，面對信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的微電子加工工藝平臺，實現(xiàn)大規(guī)模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生產(chǎn)。

從技術(shù)特點來看，硅光子技術(shù)結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(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，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技術(shù)主要具有高集成度、高速率、低成本等優(yōu)點。

從發(fā)展歷程來看，硅光子技術(shù)從最初在1969年由著名的貝爾實驗室提出以來，經(jīng)歷了3個主要的發(fā)展階段：1969-2000年的原理探索階段；2000-2008年的技術(shù)突破階段；2008-2014年的集成應(yīng)用階段。目前，硅光子技術(shù)已逐漸進(jìn)入應(yīng)用拓展階段：硅光子集成平臺被廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域。

從技術(shù)演進(jìn)來看，硅光子技術(shù)發(fā)展可分為四個階段，由于受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調(diào)制器等問題，目前硅光子技術(shù)主要集中在第二階段——硅光子集成階段。

從工藝角度來看，硅光子集成分為單片集成和混合集成，目前混合集成使用較廣，但是單片集成性能更優(yōu)，是未來發(fā)展趨勢。

2、硅光PIC核心構(gòu)成

在硅光的光子集成回路（PIC）中，主要包括光的產(chǎn)生、路由、調(diào)制、處理和探測。

其核心器件主要包括：激光器（負(fù)責(zé)將電信號轉(zhuǎn)化成光信號），光調(diào)制器（負(fù)責(zé)將光信號帶寬提升），光探測器（負(fù)責(zé)將光信號轉(zhuǎn)化成電信號），（解）復(fù)用器件（負(fù)責(zé)將不同波長攜帶的多路數(shù)據(jù)合并或分開）、光波導(dǎo)（負(fù)責(zé)光信號在硅基材料上傳輸），光柵耦合器（負(fù)責(zé)與對外連接的光纖對準(zhǔn)降低插損）等。

1）激光器

由于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，目前光源技術(shù)仍是硅光芯片的一大技術(shù)難題，硅基光源按照集成方式同樣可以分為混合集成和單片集成兩種方式。

混合集成包括片間混合集成、片上倒裝焊混合集成、片上鍵合異質(zhì)集成，混合集成方案工藝較為成熟，但成本高、難以大規(guī)模集成；單片集成是直接在硅材料上生長特定材料作為激光器增益介質(zhì)，性能有待提高，但是一直被認(rèn)為是硅光子片上光源的終極解決方案，能夠與硅光子工藝同步縮小線寬、提高集成度，有望實現(xiàn)大規(guī)模光電子集成回路。

2）調(diào)制器

光調(diào)制器是將調(diào)制信號加載到光波導(dǎo)上的器件，在光模塊中是完成電信號到光信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，硅光調(diào)制器也是硅光集成器件中的核心器件之一。目前硅基調(diào)制器的3dB帶寬可以達(dá)到67GHz以上，可以支持單波200Gbit/s以上速率的調(diào)制和傳輸。

3）光探測器

光探測器（PD）的功能是將輸入光信號轉(zhuǎn)換為輸出電信號，在光模塊中可用在接收端和發(fā)射端的MPD。

4）（解）復(fù)用器件

（解）復(fù)用器件是波分復(fù)用技術(shù)中實現(xiàn)不同波長攜帶的多路數(shù)據(jù)合并或分開的關(guān)鍵器件。波分復(fù)用及解復(fù)用是將兩種或多種不同波長的光信號，在發(fā)射端經(jīng)過復(fù)用器合束后，合進(jìn)同一根光纖中進(jìn)行傳輸，然后在接收端，經(jīng)解復(fù)用器將不同波長的光信號進(jìn)行分離的技術(shù)。采用波分復(fù)用及解復(fù)用技術(shù)，可以拓展光互連的通信容量，并減少光纖的使用量從而降低成本。

5）光波導(dǎo)

光波導(dǎo)在硅基光子集成回路中常用于路由，類型有條形波導(dǎo)、脊形波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)。光波導(dǎo)分為核心層和包層，核心層硅材料和包層二氧化硅材料之間存在高折射率差異，該差異一方面使得硅波導(dǎo)的尺寸非常緊湊，另一方面也導(dǎo)致光在波導(dǎo)中的傳輸損耗對波導(dǎo)的表面粗糙度較為敏感。在實際應(yīng)用中，如何減少硅波導(dǎo)損耗是硅光器件性能的一大挑戰(zhàn)。

6）耦合器

硅基波導(dǎo)光學(xué)耦合技術(shù)主要用于解決硅基集成光電芯片上的光信號同外部光信號互連的問題，是硅基光電芯片封裝的關(guān)鍵技術(shù)。

3、硅光子工藝流程

硅光產(chǎn)品整體生產(chǎn)流程包括設(shè)計、制造、封裝三大過程。

硅光子集成技術(shù)作為利用CMOS工藝的一個新興技術(shù)方向，從設(shè)計方法、設(shè)計工具和流程、基于工藝平臺的協(xié)同設(shè)計等方面很大程度上參考和借鑒了微電子的相關(guān)技術(shù)，這使得在實際生產(chǎn)中，硅光芯片的設(shè)計者能比較便利地享受晶圓廠成熟工藝的流片服務(wù)，同時硅光子學(xué)并不需要最先進(jìn)的納米光刻技術(shù)，可以使用光刻水平較低的老式代工廠帶來成本效益。整體流程上主要經(jīng)過設(shè)計、制造和封裝，近年來在制造和設(shè)計技術(shù)瓶頸逐漸取得突破，封裝成為出貨量和良率受制的主要因素。

設(shè)計環(huán)節(jié)主要是負(fù)責(zé)硅光產(chǎn)品的電路圖與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。

制造和封裝環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)將晶圓加工成硅光芯片，并完成相應(yīng)器件的封裝和測試。

4、硅光子技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

硅光子集成技術(shù)具有廣闊的市場前景，但目前仍然面臨諸多挑戰(zhàn)：

硅光器件的性能問題。目前的硅光子技術(shù)已可以替代很多傳統(tǒng)的光器件，但還有一些需要克服的技術(shù)難題，比如如何減少硅波導(dǎo)的損耗、如何實現(xiàn)波導(dǎo)與光纖的有效耦合、如何克服溫度對于功率和波長穩(wěn)定性的影響等。這些技術(shù)難題會影響到硅光子技術(shù)的普及以及在數(shù)據(jù)中心場景中的應(yīng)用。

測試流程和方法。與常規(guī)的大規(guī)模集成電路芯片不同，光電芯片本身成本高、制造流程多、工藝復(fù)雜、廢品率高，因此需要先在晶圓上進(jìn)行測試和篩選，然后再和其他電芯片進(jìn)行集成，以避免殘次芯片造成的不必要的后期封裝成本。

缺乏標(biāo)準(zhǔn)化方案。硅光芯片在各個環(huán)節(jié)都缺少標(biāo)準(zhǔn)化方案，例如：設(shè)計環(huán)節(jié)需要使用專用的EDA工具，制造與封裝環(huán)節(jié)缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)的廠家。這使得硅光子技術(shù)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化變得更加困難。

但總體來看，硅光子技術(shù)近年來的高速發(fā)展已給諸多行業(yè)帶來了重大的技術(shù)性革新。

二、硅光子芯片其他重要概念

1、1.6T高速光通信時代提速到來，硅光光模塊或迎產(chǎn)業(yè)加速期

硅光光模塊具有高集成度、低功耗、低成本、小型化等優(yōu)點。硅光光模塊與傳統(tǒng)光模塊相比，其工作原理基本相似，主要區(qū)別集中于基于CMOS制造工藝進(jìn)行硅光芯片集成所帶來的器件和技術(shù)差異。

總的來說，從應(yīng)用場景來看，在不同速率和距離的與傳輸距離下，硅光子技術(shù)相比III-V器件競爭優(yōu)勢有演進(jìn)的過程。

2、CPO：硅光CPO或成為未來高速光通信發(fā)展方向

CPO有望替代傳統(tǒng)可插拔光模塊。傳統(tǒng)光電互連采用的板邊光模塊，走線較長，寄生效應(yīng)明顯，存在信號完整性問題，且模塊的體積較大、互連密度低、多通道功耗較大。共封裝技術(shù)將光收發(fā)單元與ASIC芯片封裝在一個封裝體內(nèi)，通過將光子器件和電子器件封裝在同一個載板上，進(jìn)一步縮短了光信號輸入和運算單元之間的電學(xué)互連長度，在提高光模塊和ASIC芯片之間的互連密度的同時實現(xiàn)了更低的功耗。

CPO相較于可插拔光模塊，帶寬密度提升一個數(shù)量級，能量效率優(yōu)化40%以上。目前基于硅基材料的光電芯片共封裝技術(shù)發(fā)展最為迅速，理想情況下，CPO可以逐步取代傳統(tǒng)的可插拔光模塊，將硅光子模塊和超大規(guī)模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而使系統(tǒng)成本、功耗和尺寸都得到進(jìn)一步優(yōu)化。CPO方案眾多，其中核心PIC多基于硅光方案。從物理結(jié)構(gòu)分類

CPO可分為3種技術(shù)形態(tài)：2D平面CPO、2.5DCPO和3DCPO。

3、OIO：硅光子技術(shù)是片間互聯(lián)的重要解決方案

光互連有望解決片間互聯(lián)的瓶頸問題。芯片間通信主要采用片間互聯(lián)技術(shù)（如PCIe、以太網(wǎng)、RapidIO、SPI等），隨著芯片制程的逐步縮小，芯片的互連線也需要越來越細(xì)，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應(yīng)也會越來越影響電路的性能，因此互連線引起的各種效應(yīng)成為影響芯片性能的重要因素。特別是隨著AI對數(shù)據(jù)中心等通信基礎(chǔ)設(shè)施的傳輸效率提出了更高的要求，傳統(tǒng)技術(shù)方案中銅I/O正在接近物理極限，將難以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心服務(wù)器的密度提升，同時其集成度低、功耗高的問題也逐漸顯現(xiàn)。光互連不同于傳統(tǒng)互連材料如鋁、銅、碳納米管等，不易受到互連線材料的物理極限影響；在制造工藝上，光子芯片和電子芯片雖然在流程和復(fù)雜程度上相似，但光子芯片對結(jié)構(gòu)的要求不如電子芯片嚴(yán)苛，一般是百納米級，降低了對先進(jìn)工藝的依賴度，因此，在AI高速通信時代，光互聯(lián)有望成為片間互聯(lián)的理想選擇。

OIO主要解決計算芯片之間的互聯(lián)問題。

OIO（In-PackageOpticalI/O）是一種基于芯片的光互聯(lián)解決方案，與計算芯片（CPU、GPU、XPU）集成在同一封裝中，旨在實現(xiàn)分布式計算系統(tǒng)中它們之間的無縫通信（跨板、機(jī)架和計算行），在相同能效情況下，OIO的邊帶寬密度與UCle、NVlink、PCIe等電互連相當(dāng)，但傳輸距離遠(yuǎn)超電互連。OIO基于光互連低延遲、高帶寬和低能耗的特點，非常適用于計算結(jié)構(gòu)（即內(nèi)存語義結(jié)構(gòu)），有望成為為機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)展、資源分解和內(nèi)存池定制的新數(shù)據(jù)中心架構(gòu)的關(guān)鍵驅(qū)動力。

三、硅光子在多領(lǐng)域應(yīng)用潛力大

硅光子技術(shù)的CMOS工藝兼容、高集成度、波導(dǎo)特性在眾多領(lǐng)域存在應(yīng)用可能，如智能駕駛、光計算、消費電子等方向有很大的發(fā)展空間。

1、智能駕駛：硅光固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)路線是未來激光雷達(dá)發(fā)展的優(yōu)選方向

硅光方案助力激光雷達(dá)降本放量。激光雷達(dá)技術(shù)方案眾多，硅光芯片化集成有望助力激光雷達(dá)完成成本控制進(jìn)而實現(xiàn)上車放量，硅光固態(tài)激光雷達(dá)或成未來發(fā)展方向。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，激光雷達(dá)要實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)上車需要滿足高性能和低成本兩方面，目前多數(shù)方案都是依靠各類分立器件的集成來實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)，缺點是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大規(guī)模上車上存在挑戰(zhàn)。通過硅光子技術(shù)實現(xiàn)芯片化集成，可以降低系統(tǒng)成本、實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，具備高性能、低成本、小尺寸、低功耗等優(yōu)點。

具體方案上，硅光固態(tài)激光雷達(dá)包括硅基相控陣激光雷達(dá)和硅基光開關(guān)陣列激光雷達(dá)兩種。

2、光計算：硅光有望成為實現(xiàn)集成光計算系統(tǒng)的主要材料平臺

光計算是采用光作為信息處理的基本載體，基于光學(xué)單元構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)，通過必要的光學(xué)操作，從而實現(xiàn)信息處理或數(shù)據(jù)運算的新型計算體系。

隨著全球算力規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及算力升級面臨的低碳問題，光計算相較于傳統(tǒng)電子計算機(jī)具備天然的并行計算能力、低功耗、高速低時延、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，在特定場景中，有望替代傳統(tǒng)電子計算機(jī)，是解決摩爾定律困境以及馮•諾依曼架構(gòu)瓶頸問題具備潛力的途徑之一。

硅光因其CMOS工藝兼容、集成度高等優(yōu)勢，有望成為集成光計算系統(tǒng)的主要平臺。

光量子計算關(guān)鍵硬件組件包括量子光源、單光子探測器以及光量子芯片，其中光量子芯片是核心，是各企業(yè)研發(fā)重點。

硅材料具有很強(qiáng)的三階非線性效應(yīng)和緊致模式約束特性，利用半導(dǎo)體微納加工工藝，可以實現(xiàn)高密度片上集成的光量子芯片基礎(chǔ)器件，如光波導(dǎo)、光分束器、光耦合器、光調(diào)制器等。

總之，得益于其硅基光量子芯片技術(shù)的大規(guī)模集成、可編程配置等優(yōu)勢，推動其在基于光學(xué)系統(tǒng)的量子計算、量子模擬以及量子信息處理等應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展，在未來實現(xiàn)可實用化大規(guī)模光量子計算與信息處理應(yīng)用方面展示出較大潛力。目前，多個光量子計算企業(yè)通過與芯片制造商合作或自建芯片實現(xiàn)研發(fā)光量子芯片。

3、消費電子

硅光子技術(shù)高集成度契合消費電子的空間需求消費電子需要在有限空間內(nèi)集成較多器件，對尺寸較為敏感，硅光的高集成特性契合消費電子的需求，如可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療等。根據(jù)YoleGroup預(yù)測，2027年基于硅光子技術(shù)的消費醫(yī)療市場規(guī)模有望達(dá)到24億美元。

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