硅光芯片行業(yè)深度分析，AI 時(shí)代硅光子迎新機遇 | 研報推薦

注：原文為開(kāi)源證券《AI 高速率時(shí)代，硅光子迎成長(cháng)機遇》，分析師：蔣穎

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

隨著(zhù)傳統微電子、光電子技術(shù)逐步步入“后摩爾時(shí)代”，硅光產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，已初步覆蓋了前沿技術(shù)研究機構、設計工具提供商、器件芯片模塊商、Foundry、IT 企業(yè)、系統設備商、用戶(hù)等各個(gè)環(huán)節，并被廣泛應用于光通信、光傳感、光計算、智能駕駛、消費電子等多個(gè)領(lǐng)域。

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

以下為內容節選：

一、硅光子技術(shù)：后摩爾時(shí)代重要技術(shù)平臺

1、硅光子技術(shù)簡(jiǎn)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(guò)集成電路工藝來(lái)制造相應的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調制器、探測器、光波導器件等），這些器件用于對光子的激發(fā)、處理和操縱，實(shí)現其在光通信、光互連、光計算等多個(gè)領(lǐng)域的應用。

在當前“電算光傳”的信息社會(huì )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(shí)現光電子和微電子集成的最佳方案。

從需求發(fā)展來(lái)看，光電子和微電子集成源動(dòng)力來(lái)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重的延時(shí)和功耗瓶頸，需要引入光電子利用光互連解決電互連的問(wèn)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(shí)現大規模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生產(chǎn)。

從技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，硅光子技術(shù)結合了集成電路技術(shù)的超大規模、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(diǎn)。

從發(fā)展歷程來(lái)看，硅光子技術(shù)從最初在1969年由著(zhù)名的貝爾實(shí)驗室提出以來(lái)，經(jīng)歷了3個(gè)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年的集成應用階段。目前，硅光子技術(shù)已逐漸進(jìn)入應用拓展階段：硅光子集成平臺被廣泛應用于多領(lǐng)域。

從技術(shù)演進(jìn)來(lái)看，硅光子技術(shù)發(fā)展可分為四個(gè)階段，由于受限于硅材料本身的光電性能，仍存在無(wú)法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調制器等問(wèn)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(lái)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(lái)發(fā)展趨勢。

2、硅光PIC核心構成

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

其核心器件主要包括：激光器（負責將電信號轉化成光信號），光調制器（負責將光信號帶寬提升），光探測器（負責將光信號轉化成電信號），（解）復用器件（負責將不同波長(cháng)攜帶的多路數據合并或分開(kāi)）、光波導（負責光信號在硅基材料上傳輸），光柵耦合器（負責與對外連接的光纖對準降低插損）等。

1）激光器

由于硅材料間接帶隙的能帶結構使得它無(wú)法實(shí)現高效率的片上光源，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、難以大規模集成；單片集成是直接在硅材料上生長(cháng)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(xiàn)寬、提高集成度，有望實(shí)現大規模光電子集成回路。

2）調制器

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

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）復用器件

（解）復用器件是波分復用技術(shù)中實(shí)現不同波長(cháng)攜帶的多路數據合并或分開(kāi)的關(guān)鍵器件。波分復用及解復用是將兩種或多種不同波長(cháng)的光信號，在發(fā)射端經(jīng)過(guò)復用器合束后，合進(jìn)同一根光纖中進(jìn)行傳輸，然后在接收端，經(jīng)解復用器將不同波長(cháng)的光信號進(jìn)行分離的技術(shù)。采用波分復用及解復用技術(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

光波導在硅基光子集成回路中常用于路由，類(lèi)型有條形波導、脊形波導、彎曲波導。光波導分為核心層和包層，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的尺寸非常緊湊，另一方面也導致光在波導中的傳輸損耗對波導的表面粗糙度較為敏感。在實(shí)際應用中，如何減少硅波導損耗是硅光器件性能的一大挑戰。

6）耦合器

硅基波導光學(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(wèn)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)流程包括設計、制造、封裝三大過(guò)程。

硅光子集成技術(shù)作為利用CMOS工藝的一個(gè)新興技術(shù)方向，從設計方法、設計工具和流程、基于工藝平臺的協(xié)同設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(shí)際生產(chǎn)中，硅光芯片的設計者能比較便利地享受晶圓廠(chǎng)成熟工藝的流片服務(wù)，同時(shí)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(chǎng)帶來(lái)成本效益。整體流程上主要經(jīng)過(guò)設計、制造和封裝，近年來(lái)在制造和設計技術(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。

設計環(huán)節主要是負責硅光產(chǎn)品的電路圖與內部結構的規劃。

制造和封裝環(huán)節主要負責將晶圓加工成硅光芯片，并完成相應器件的封裝和測試。

4、硅光子技術(shù)面臨的挑戰

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

硅光器件的性能問(wèn)題。目前的硅光子技術(shù)已可以替代很多傳統的光器件，但還有一些需要克服的技術(shù)難題，比如如何減少硅波導的損耗、如何實(shí)現波導與光纖的有效耦合、如何克服溫度對于功率和波長(cháng)穩定性的影響等。這些技術(shù)難題會(huì )影響到硅光子技術(shù)的普及以及在數據中心場(chǎng)景中的應用。

測試流程和方法。與常規的大規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。

缺乏標準化方案。硅光芯片在各個(gè)環(huán)節都缺少標準化方案，例如：設計環(huán)節需要使用專(zhuān)用的EDA工具，制造與封裝環(huán)節缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)的廠(chǎng)家。這使得硅光子技術(shù)大規模產(chǎn)業(yè)化變得更加困難。

但總體來(lái)看，硅光子技術(shù)近年來(lái)的高速發(fā)展已給諸多行業(yè)帶來(lái)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(shí)代提速到來(lái)，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(diǎn)。硅光光模塊與傳統光模塊相比，其工作原理基本相似，主要區別集中于基于CMOS制造工藝進(jìn)行硅光芯片集成所帶來(lái)的器件和技術(shù)差異。

總的來(lái)說(shuō)，從應用場(chǎng)景來(lái)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(guò)程。

2、CPO：硅光CPO或成為未來(lái)高速光通信發(fā)展方向

CPO有望替代傳統可插拔光模塊。傳統光電互連采用的板邊光模塊，走線(xiàn)較長(cháng)，寄生效應明顯，存在信號完整性問(wèn)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(gè)封裝體內，通過(guò)將光子器件和電子器件封裝在同一個(gè)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(cháng)度，在提高光模塊和ASIC芯片之間的互連密度的同時(shí)實(shí)現了更低的功耗。

CPO相較于可插拔光模塊，帶寬密度提升一個(gè)數量級，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可以逐步取代傳統的可插拔光模塊，將硅光子模塊和超大規模CMOS芯片以更緊密的形式封裝在一起，從而使系統成本、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。從物理結構分類(lèi)

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(wèn)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(zhù)芯片制程的逐步縮小，芯片的互連線(xiàn)也需要越來(lái)越細，互連線(xiàn)間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應也會(huì )越來(lái)越影響電路的性能，因此互連線(xiàn)引起的各種效應成為影響芯片性能的重要因素。特別是隨著(zhù)AI對數據中心等通信基礎設施的傳輸效率提出了更高的要求，傳統技術(shù)方案中銅I/O正在接近物理極限，將難以支持數據中心服務(wù)器的密度提升，同時(shí)其集成度低、功耗高的問(wèn)題也逐漸顯現。光互連不同于傳統互連材料如鋁、銅、碳納米管等，不易受到互連線(xiàn)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雜程度上相似，但光子芯片對結構的要求不如電子芯片嚴苛，一般是百納米級，降低了對先進(jìn)工藝的依賴(lài)度，因此，在A(yíng)I高速通信時(shí)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(wèn)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(shí)現分布式計算系統中它們之間的無(wú)縫通信（跨板、機架和計算行），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，但傳輸距離遠超電互連。OIO基于光互連低延遲、高帶寬和低能耗的特點(diǎn)，非常適用于計算結構（即內存語(yǔ)義結構），有望成為為機器學(xué)習擴展、資源分解和內存池定制的新數據中心架構的關(guān)鍵驅動(dòng)力。

三、硅光子在多領(lǐng)域應用潛力大

硅光子技術(shù)的CMOS工藝兼容、高集成度、波導特性在眾多領(lǐng)域存在應用可能，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)激光雷達技術(shù)路線(xiàn)是未來(lái)激光雷達發(fā)展的優(yōu)選方向

硅光方案助力激光雷達降本放量。激光雷達技術(shù)方案眾多，硅光芯片化集成有望助力激光雷達完成成本控制進(jìn)而實(shí)現上車(chē)放量，硅光固態(tài)激光雷達或成未來(lái)發(fā)展方向。

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，激光雷達要實(shí)現規?；慨a(chǎn)上車(chē)需要滿(mǎn)足高性能和低成本兩方面，目前多數方案都是依靠各類(lèi)分立器件的集成來(lái)實(shí)現雷達系統，缺點(diǎn)是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大規模上車(chē)上存在挑戰。通過(guò)硅光子技術(shù)實(shí)現芯片化集成，可以降低系統成本、實(shí)現規?；瘧?，具備高性能、低成本、小尺寸、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

具體方案上，硅光固態(tài)激光雷達包括硅基相控陣激光雷達和硅基光開(kāi)關(guān)陣列激光雷達兩種。

2、光計算：硅光有望成為實(shí)現集成光計算系統的主要材料平臺

光計算是采用光作為信息處理的基本載體，基于光學(xué)單元構建光學(xué)系統，通過(guò)必要的光學(xué)操作，從而實(shí)現信息處理或數據運算的新型計算體系。

隨著(zhù)全球算力規模的不斷擴大以及算力升級面臨的低碳問(wèn)題，光計算相較于傳統電子計算機具備天然的并行計算能力、低功耗、高速低時(shí)延、抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，在特定場(chǎng)景中，有望替代傳統電子計算機，是解決摩爾定律困境以及馮•諾依曼架構瓶頸問(wèn)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(diǎn)。

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

總之，得益于其硅基光量子芯片技術(shù)的大規模集成、可編程配置等優(yōu)勢，推動(dòng)其在基于光學(xué)系統的量子計算、量子模擬以及量子信息處理等應用方面取得了一系列進(jìn)展，在未來(lái)實(shí)現可實(shí)用化大規模光量子計算與信息處理應用方面展示出較大潛力。目前，多個(gè)光量子計算企業(yè)通過(guò)與芯片制造商合作或自建芯片實(shí)現研發(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，如可穿戴設備、生物醫療等。根據YoleGroup預測，2027年基于硅光子技術(shù)的消費醫療市場(chǎng)規模有望達到24億美元。

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