國(guó)產(chǎn)硅光芯片的厚積薄發(fā)

作者：九林

隨著摩爾定律的放緩，人們開始將視線轉(zhuǎn)移到其他方式。自2021年開始，越來越多的人將視線投向了硅光。2021年12月，阿里巴巴達(dá)摩院發(fā)布2022十大科技趨勢(shì)之一是硅光芯片；同年，英特爾研究院宣布成立集成光電研究中心。

硅光技術(shù)成為了眾人期待的能夠延續(xù)摩爾定律的技術(shù)之一。作為一種新型技術(shù)，硅光芯片的發(fā)展已經(jīng)跨過了萌芽期，目前我國(guó)硅光芯片進(jìn)展如何？

?01硅光技術(shù)逐步使用

要聊硅光芯片，首先了解一下這個(gè)新興的技術(shù)。據(jù)北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李培剛解釋，硅光芯片制造技術(shù)是基于硅和硅基襯底材料，利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的技術(shù)，其結(jié)合了集成電路技術(shù)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(shì)。

為什么開始探索硅光芯片？

一方面，如前文所述，硅光芯片極有可能成為突破摩爾定律瓶頸的技術(shù)。一般來講，硅材料適合大規(guī)模的集成，其工作溫度寬、散熱性能好、性能穩(wěn)定，有致密的氧化物鈍化層。而硅集光電子集成芯片的興起，可以利用成熟的硅工藝，其晶圓尺寸大、單顆芯片成本低；制程線寬小，直接進(jìn)入130nm/90nm/45nm。因此，硅光芯片可以利用成熟的硅半導(dǎo)體代工供應(yīng)鏈，與CMOS、SiGe等產(chǎn)業(yè)共享產(chǎn)能。

另一方面，硅光芯片的“超低功耗”，能夠使得在能耗日益增加的時(shí)代，減少電力消耗。舉一個(gè)例子，現(xiàn)在即使是在消費(fèi)設(shè)備層面，數(shù)據(jù)速率也開始超過傳統(tǒng)互連技術(shù)的能力。比如，最新高清電視的非凡像素密度和高幀速率使傳統(tǒng)的銅質(zhì)HDMI電纜變得越來越無效。即使在家庭娛樂系統(tǒng)中相對(duì)較短的距離內(nèi)，此類電纜的信號(hào)衰減程度也很嚴(yán)重。

這里的核心問題是，傳統(tǒng)的電子數(shù)據(jù)系統(tǒng)需要對(duì)電線進(jìn)行充電和放電，以便將一點(diǎn)數(shù)據(jù)從A點(diǎn)發(fā)送到B點(diǎn)。即使在CPU和RAM芯片內(nèi)部的微觀電線中，這種充電-放電周期需要精力和時(shí)間。

美國(guó)斯坦福大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家和電氣工程師大衛(wèi)·米勒也曾指出，信息處理中使用的大部分能量都用于通信，而不是邏輯。即使在柵極級(jí)，能量耗散的主要驅(qū)動(dòng)因素是充電和放電的導(dǎo)線的電容，每微米導(dǎo)線的電容約為200阿托法拉(10–18F)。在數(shù)據(jù)中心層面，最大的服務(wù)器群可能消耗整個(gè)發(fā)電廠的電力。如果將電纜和開關(guān)配置為使用光子而不是電子進(jìn)行通信，那么其中許多問題都將得到顯著緩解。

雖然硅光芯片在器件性能、集成度還是應(yīng)用方面都有了眾多突破性進(jìn)展，但至今仍有很多主流光模塊廠商依然采用光電器件分立封裝的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光電性質(zhì)。例如，硅材料間接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)使得它無法實(shí)現(xiàn)高效率的片上光源，線性光電效應(yīng)（Pockels效應(yīng)）限制了調(diào)制器的速度。

所以，如果要實(shí)現(xiàn)真正意義上大規(guī)模光電集成芯片的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質(zhì)集成，以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)異特性。其中包括磷化銦(InP)（激光器和其他可在光纖上推動(dòng)光子的技術(shù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)）和硅鍺(SiGe)（廣泛用于高速混合信號(hào)電子器件中，使光受到控制）。

?02硅光芯片的歷程

硅光子技術(shù)最早在1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，全球硅光子技術(shù)歷經(jīng)50多年發(fā)展，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購(gòu)迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。

2004年，英特爾研制出第一款1Gb/s速率的硅光調(diào)制器之后，人們才看到硅芯片中“光進(jìn)銅退”的可能性。其后，在IBM、康奈爾大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室、MIT等單位共同推動(dòng)下，硅光芯片工作速率在2013年左右達(dá)到了50Gb/s，首次超越當(dāng)時(shí)主流的光電子器件，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)化大幕就此揭開。

之后，硅光技術(shù)持續(xù)演進(jìn)，光模塊朝著提升波特率一直邁進(jìn)。從10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s。2016年英特爾利用片上鍵合異質(zhì)集成技術(shù)已開發(fā)出100Gbps4通道硅光模塊，至2021年已實(shí)現(xiàn)500萬顆以上模塊的銷售。

2020年不少企業(yè)紛紛研發(fā)出不同類型的400G光模塊，海思更是發(fā)布了《400G全場(chǎng)景光模塊白皮書》，探討400G光模塊應(yīng)用場(chǎng)景。

2022年是800G光模塊的啟動(dòng)年，各大廠商紛紛布局800G光模塊的“研發(fā)-量產(chǎn)”之路。國(guó)內(nèi)的華工科技也在2022年推出應(yīng)用于超大規(guī)模云數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域、高速率可插拔800G OSFP DR8 SiPh光模塊。

整體而言，目前100Gb/s硅光模塊已成熟應(yīng)用，400Gb/s硅光模塊正在進(jìn)入規(guī)?；逃秒A段，800Gb/s硅光模塊已研制成功，下一步將向著1.6Tb/s發(fā)展。

?03光模塊和光芯片國(guó)產(chǎn)化率差異

光模塊中最核心的部分是光芯片，激光器芯片和探測(cè)器芯片合稱為光通信芯片，激光器芯片技術(shù)壁壘較高，依照結(jié)構(gòu)不同又可分為VCSEL、FP、DFB、EML等不同種類。光通信芯片在中端和高端光模塊成本中占比超過50%。

目前，國(guó)內(nèi)光模塊和光芯片國(guó)產(chǎn)化率出現(xiàn)了明顯的差異。根據(jù)Lightcounting和ICC的數(shù)據(jù)，2022年全球光模塊份額前十的廠商中有7家中國(guó)廠商，分別為中際旭創(chuàng)（排名并列第1）、華為（排名第4）、光迅科技（排名第5）、海信寬帶（排名第6）、新易盛（排名第7）、華工正源（排名第8）、索爾思光電（排名第10）。

而25G光芯片的國(guó)產(chǎn)化率為20%，25G以上光芯片的國(guó)產(chǎn)化率僅5%。也就是說，盡管我國(guó)光模塊廠商發(fā)展勢(shì)頭良好，但絕大多數(shù)模塊廠商并不具備光芯片研發(fā)自給能力，需要進(jìn)口采購(gòu)，依賴外部合作或者海外光芯片供應(yīng)商的長(zhǎng)期供應(yīng)。

例如劍橋科技光芯片就長(zhǎng)期依賴美國(guó)光學(xué)巨頭Lumentum供應(yīng)。在今年回答投資者提問時(shí)，表示：“硅光芯片有幾個(gè)渠道，最深度合作的就是思科，這是長(zhǎng)期的合作。最近也投資了南通賽勒公司，公司還在評(píng)估北美另外一家。”

目前國(guó)內(nèi)做光芯片的企業(yè)包括源杰科技，仕佳光子和長(zhǎng)華光芯。首先來看源杰科技，其以IDM模式深耕光芯片，主要產(chǎn)品包括2.5G、10G和25G及更高速率激光器芯片。在今年的業(yè)績(jī)發(fā)布會(huì)上，源杰科技表示面向800G等高速光模塊，公司有對(duì)應(yīng)的100G光芯片產(chǎn)品。目前，100G產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)展比較順利，主要的核心工藝難點(diǎn)、設(shè)計(jì)難點(diǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了突破，目前在和客戶對(duì)標(biāo)送樣準(zhǔn)備中。

再來看仕佳光子，憑借在PLC和AWG光芯片的突破成為國(guó)內(nèi)無源光芯片領(lǐng)導(dǎo)者，是全球最大PLC分路器芯片制造商，全球市占率第一，達(dá)到53.92%。2023上半年，仕佳光子重點(diǎn)對(duì)400G/800G光模塊用AWG、平行光組件、連續(xù)波高功率激光器等芯片及組件，相干通訊用超寬帶密集波分復(fù)用AWG等關(guān)鍵技術(shù)持續(xù)攻堅(jiān)，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)客戶驗(yàn)證及小批量出貨。

最后看長(zhǎng)華光芯。長(zhǎng)光華芯在2014年就開始了VCSEL的工藝研發(fā)（3英寸），2017年開始建設(shè)6英寸量產(chǎn)線，相當(dāng)于是硅基半導(dǎo)體的12英寸量產(chǎn)線。

目前，長(zhǎng)光華芯已擁有2英寸、3英寸、6英寸三大半導(dǎo)體激光芯片晶圓垂直整合生產(chǎn)線，擁有邊發(fā)射激光芯片（EEL）和面發(fā)射激光芯片（VCSEL）兩大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，GaN（氮化鎵）、GaAs（砷化鎵）和InP（磷化銦）三大材料體系。

今年5月，長(zhǎng)華光芯發(fā)布了單波100Gbps（56Gbaud四電平脈沖幅度調(diào)制(PAM4)）電吸收調(diào)制器激光二極管（EML）芯片，支持四個(gè)波長(zhǎng)的粗波分復(fù)用（CWDM），達(dá)到了使用4顆芯片實(shí)現(xiàn)400Gbps傳輸速率，或8顆芯片實(shí)現(xiàn)800Gbps傳輸速率的應(yīng)用目標(biāo)，產(chǎn)品可用于400G/800G超算數(shù)據(jù)中心互連光模塊。

光模塊廠商方面，光迅科技、華為海思、海信寬帶、華工正源等也是具備光芯片研發(fā)和生產(chǎn)能力。

光迅科技是國(guó)內(nèi)唯一量產(chǎn)10G以下DFB、APD芯片的廠，也是國(guó)內(nèi)唯一具備自主研發(fā)全系列PLC芯片并規(guī)模生產(chǎn)的廠商。光迅科技有能力出貨8000萬芯片/年。

海思光電目前在100GE～400GE數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)光芯片均有產(chǎn)品，在2020年時(shí)，面向數(shù)據(jù)中心400G光模塊主要包括400GE-SR8、400GE-DR4/DR4+和400GE-FR4三種。

華工正源自2001年成立，主要研究包括光芯片、光模塊、光組件、智能終端等，其市場(chǎng)規(guī)模位居全球光電器件廠商TOP8。2021年Q1，實(shí)現(xiàn)400G全系列數(shù)通光模塊批量交付、自研400G硅光芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；2022年Q3，實(shí)現(xiàn)800G全系列發(fā)布。

值得注意的是，光模塊已經(jīng)開啟了800G時(shí)代。行業(yè)知名調(diào)研機(jī)構(gòu)LC預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2024年，800G光模塊將超過400G光模塊的銷售額，市場(chǎng)容量達(dá)70億美元。

2010年左右，100G的交換芯片出現(xiàn)，2016年100G交換機(jī)開始規(guī)模部署。2017年首款400G交換芯片Tomahawk3送樣，2020年200G和400G光模塊開始規(guī)模部署。博通于2022年8月推出Tomahawk5交換芯片，標(biāo)志著800G光模塊規(guī)模部署的先決條件逐步具備。

今年，隨著海外AI數(shù)據(jù)中心的交換機(jī)互聯(lián)速率逐步由400G向800G升級(jí)，在數(shù)據(jù)中心間（DCI）、葉交換機(jī)和脊交換機(jī)上已開始使用800G光模塊。目前，國(guó)際上僅少數(shù)公司實(shí)現(xiàn)了400G-800Gb/s硅光芯片的商用，這方面中國(guó)內(nèi)產(chǎn)商走在了前列。2020年，光迅科技和中際旭創(chuàng)率先發(fā)布了800G相關(guān)產(chǎn)品。中際旭創(chuàng)在今年透露，公司重點(diǎn)客戶明年對(duì)800G光模塊需求較今年將達(dá)成幾倍的增長(zhǎng)，公司對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的擴(kuò)產(chǎn)將一直會(huì)持續(xù)到明年上半年；劍橋科技表示，客戶目前已經(jīng)開始接受800G硅光光模塊產(chǎn)品送樣并且有小批量發(fā)貨；華工科技400G硅光芯片已開始量產(chǎn)，800G硅光芯片也具備了小批量生產(chǎn)能力。