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全球信息技術(shù)正處于創(chuàng)新活躍時(shí)期，在新型業(yè)務(wù)及應(yīng)用模式的驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，光傳輸及光互聯(lián)系統(tǒng)在帶寬、成本、功耗和尺寸等方面面臨挑戰(zhàn)。硅光技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、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(shì)，是一種可解決技術(shù)演進(jìn)與成本矛盾的創(chuàng)新性技術(shù)。由于短期無法解決光源等問題，預(yù)計(jì)硅光在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)無法完全取代傳統(tǒng)III-V族材料，但目前其技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，新產(chǎn)品與應(yīng)用也在不斷推進(jìn)，已成為業(yè)界持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

硅光多技術(shù)環(huán)節(jié)面臨挑戰(zhàn)

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(fù)用/解復(fù)用器、調(diào)制器等均已初步成熟，進(jìn)入可規(guī)?；a(chǎn)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(tái)上進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)與制造，之后再進(jìn)行組裝?；旌霞伸`活度高，前期工藝成本低，但光電芯片之間的鍵合會(huì)引起寄生效應(yīng)，后期封裝成本較高。不過鑒于當(dāng)前硅基光源的低成熟度，混合集成在未來相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)仍會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

目前，硅光的設(shè)計(jì)工具，即光電設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EPDA）仿照微電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）流程，但在元件標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)規(guī)則檢查等方面尚未完全成熟，自動(dòng)化程度低，客戶的普及率也有待提高。國(guó)外EPDA軟件在傳統(tǒng)EDA的基礎(chǔ)上融合光學(xué)仿真與光器件工藝設(shè)計(jì)包（PDK），發(fā)展迅速。而國(guó)內(nèi)基本沒有專業(yè)從事EPDA軟件開發(fā)的商業(yè)機(jī)構(gòu)，尚處于起步階段。

硅光工藝流程需要在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝基礎(chǔ)上增加若干工藝步驟，同時(shí)需要針對(duì)硅光器件進(jìn)行大量的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前面臨著自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、器件單元尚未標(biāo)準(zhǔn)化等技術(shù)難關(guān)。國(guó)外的Intel、ePIXfab等已在硅光加工制造方面具有多年技術(shù)積累，而國(guó)內(nèi)硅光工藝平臺(tái)處于起步階段。

硅光芯片的封裝仍存在挑戰(zhàn)。在光學(xué)封裝方面，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(chǎn)工藝與封裝校準(zhǔn)要求嚴(yán)苛。在電學(xué)封裝方面，隨著性能的不斷提升，平均管腳密度將會(huì)大幅度增加，這也會(huì)為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。隨著硅光向三維集成方向的發(fā)展，光芯片將與電芯片統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、制造、封裝，且封裝過程將與設(shè)計(jì)、制造過程緊耦合，這有可能使歐美傳統(tǒng)微電子大廠占得先機(jī)。

新產(chǎn)品與新應(yīng)用正在起步

近年來，硅光產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大。2016年，Yole預(yù)測(cè)后續(xù)硅光技術(shù)的整體市場(chǎng)將保持高速增長(zhǎng)，2015年至2025年的10年間，復(fù)合增長(zhǎng)率超過45%，到2025年硅光市場(chǎng)規(guī)模將超13億美元。而2018年，Yole將預(yù)測(cè)規(guī)模調(diào)整為2024年達(dá)到41.4億美元。

電子大廠與下游企業(yè)切入市場(chǎng)，縱向整合長(zhǎng)期存在。硅光技術(shù)是光學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，隨著光學(xué)和專用集成電路（ASIC）逐步走向共同封裝，需要更緊密的設(shè)計(jì)關(guān)系，硅光技術(shù)的半導(dǎo)體屬性越來越強(qiáng)，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中電子公司的地位越來越高。Intel、IBM、STMicroelectronics、NEC、華為海思等公司均投入研發(fā)。下游客戶（大型互聯(lián)網(wǎng)公司、運(yùn)營(yíng)商、通信設(shè)備廠商等）也嘗試通過并購與合作積極布局硅光研發(fā)，呈現(xiàn)出下游客戶切入中上游制造過程的趨勢(shì)。這些廠商切入硅光模塊，與自身原有的產(chǎn)品相結(jié)合，將會(huì)降低整個(gè)設(shè)備的成本，如Facebook于2013年與Intel合作開發(fā)數(shù)據(jù)中心機(jī)架，Cisco于2018年宣布收購Luxtera并計(jì)劃于2020年完成收購Acacia，Ciena、Juniper、華為等領(lǐng)軍企業(yè)也紛紛通過此方式入局。

數(shù)據(jù)中心仍為硅光最主要應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)據(jù)中心中連接數(shù)量大，節(jié)點(diǎn)間距離短，適用于數(shù)量大、成本敏感但對(duì)性能要求不高的模塊。尤其是在100G PSM4短距和400G高速應(yīng)用方面，硅光優(yōu)勢(shì)明顯。據(jù)Yole預(yù)測(cè)，到2025年，硅光市場(chǎng)超過90%的應(yīng)用將來自數(shù)據(jù)中心。

硅光新領(lǐng)域應(yīng)用處于早期研發(fā)和起步階段。在5G方面，硅光調(diào)制器+直流大功率激光器技術(shù)在90℃~95℃高溫極端環(huán)境中存在用武之地。同時(shí)，硅光集成芯片規(guī)模商用有望使相干技術(shù)降低成本進(jìn)而大批量應(yīng)用于5G回傳光網(wǎng)絡(luò)。各廠商針對(duì)5G應(yīng)用也紛紛推出相應(yīng)產(chǎn)品，如Intel最新的100G硅光收發(fā)器可滿足5G無線前傳應(yīng)用的帶寬需求并符合工業(yè)級(jí)溫度要求，Sifotonics 于OFC2019上展示了適用于遠(yuǎn)距離5G前中回傳應(yīng)用的雪崩二極管（APD）接收機(jī)模塊等。在高性能計(jì)算方面，通過光互聯(lián)、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光量子計(jì)算等途徑均已實(shí)現(xiàn)樣機(jī)，如初創(chuàng)公司Ayar Labs宣布即將發(fā)布一款名為TeraPHY的光電I/O芯片，該芯片基于45nm CMOS SOI工藝，帶寬可達(dá)Tb/s數(shù)量級(jí)。在激光雷達(dá)方面，初創(chuàng)公司Voyant Photonics、OURS等研制出基于硅光技術(shù)的激光雷達(dá)測(cè)試芯片，具有低成本、高穩(wěn)定性、高速率等優(yōu)點(diǎn)。在生化傳感方面，傳統(tǒng)設(shè)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(shù)的芯片級(jí)光譜儀，成本大幅降低。Genalyte公司開發(fā)了基于硅光傳感的快速血液檢測(cè)系統(tǒng)，宣稱只需1滴血就可以在15分鐘內(nèi)完成128項(xiàng)測(cè)試。對(duì)于這些新領(lǐng)域來說，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，目前還主要是研究機(jī)構(gòu)和公司的一些初期成果。

硅光規(guī)?；l(fā)展需找準(zhǔn)定位。硅光技術(shù)產(chǎn)品性能及成熟度仍有待提升，下游客戶驗(yàn)證也需要時(shí)間，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展存在挑戰(zhàn)。從研發(fā)方角度，硅光技術(shù)前期投入大，只有得到大量部署其成本優(yōu)勢(shì)才會(huì)顯現(xiàn)；從應(yīng)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(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展還需找準(zhǔn)定位，進(jìn)行模式突破。預(yù)計(jì)硅光將在數(shù)量大、成本敏感但對(duì)性能要求不高、對(duì)集成小型化/光電緊耦合有強(qiáng)烈要求等場(chǎng)景中具有廣闊應(yīng)用前景。