注意：原文為開源證券《AI 高速時(shí)代，硅光子迎來成長(zhǎng)機(jī)遇”，分析師：蔣穎

利用現(xiàn)有現(xiàn)有的硅光子技術(shù)，以硅和硅基襯底材料為基礎(chǔ)。 CMOS 光器件開發(fā)與集成技術(shù)的新一代技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)光子與微電子集成的理想平臺(tái)。

隨著傳統(tǒng)微電子和光電技術(shù)逐漸進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，硅光產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，已初步覆蓋前沿技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)工具提供商、設(shè)備芯片模塊制造商。Foundry、IT 在光通信、光傳感、光計(jì)算、智能駕駛、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域，公司、系統(tǒng)設(shè)備制造商、客戶等環(huán)節(jié)得到了廣泛的應(yīng)用。

在名叫《AI 在高速時(shí)代，硅光子迎來成長(zhǎng)機(jī)遇的深度研究報(bào)告中，分析人員從多個(gè)角度介紹了硅光子技術(shù)的近期進(jìn)展。

下面是內(nèi)容節(jié)選：

硅光子技術(shù)：后摩爾時(shí)代重要技術(shù)平臺(tái)

1、介紹硅光子技術(shù)

硅光技術(shù)是利用硅和硅基襯底材料(例如SiGe//Si、SOI等。)作為光學(xué)介質(zhì)，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(cè)器、光波導(dǎo)器件等。)都是通過集成電路技術(shù)制造的。這些器件用于激起、處理和操作光子，實(shí)現(xiàn)光通信、光互連和光計(jì)算的應(yīng)用。

在當(dāng)前“計(jì)算光傳輸”的信息社會(huì)下，微電子/光電子的技術(shù)瓶頸不斷凸顯，硅基光電子具有與CMOS微電子技術(shù)完美兼容的優(yōu)勢(shì)，有望成為實(shí)現(xiàn)光電子和微電子集成的最佳方案。

就需求發(fā)展而言，微電子和微電子集成源的動(dòng)力來源于微電子/光電子各自的發(fā)展需要，微電子、深亞、μm下電連接面臨嚴(yán)重的延遲和功耗瓶頸，需要引入光電連接處理電連接的問題；在光電方面，面對(duì)信息流量快速增加的加速降本需求，需要使用完善的微電子加工技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高集成、高成品率、低成本的批量生產(chǎn)。

就技術(shù)特點(diǎn)而言，硅光子技術(shù)結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、高精度制造的特點(diǎn)和光子技術(shù)的快速、超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，以及硅光子技術(shù)基于硅材料本身的特點(diǎn)，主要具有集成度高、速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

就發(fā)展過程而言，自1969年由著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室提出以來，硅光子技術(shù)經(jīng)歷了1969-2000年的原理探索階段三個(gè)主要發(fā)展階段；2000-2008年的技術(shù)突破階段；2008-2014年的集成應(yīng)用階段?，F(xiàn)在，硅光子技術(shù)已經(jīng)逐步進(jìn)入應(yīng)用擴(kuò)展階段：硅光子集成平臺(tái)在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

從技術(shù)演變來看，硅光子技術(shù)的發(fā)展可以分為四個(gè)階段，因?yàn)橛捎诠璨牧媳旧淼墓怆娦阅埽匀淮嬖诟呙芏燃蔁粼?、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。

就工藝而言，硅光子集成分為單片集成與混合集成，目前混合集成應(yīng)用廣泛，但單片集成性能較好，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2、核心組成硅光PIC

光子集成回路在硅光中（PIC）其中，主要包括光的產(chǎn)生、路由、調(diào)配、處理和檢測(cè)。

其核心設(shè)備主要包括:激光(負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào))、光調(diào)制器(負(fù)責(zé)提高光信號(hào)帶寬)、光探測(cè)器(負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào))、(解)復(fù)用設(shè)備(負(fù)責(zé)合并或分離不同波長(zhǎng)攜帶的多通道數(shù)據(jù))、(解)、光纖導(dǎo)線(負(fù)責(zé)在硅基材料上傳輸光信號(hào))、光柵耦合器(負(fù)責(zé)減少與外界連接的光纖對(duì)準(zhǔn)的插損)等。

1）激光器

由于硅材料間接帶縫的能帶結(jié)構(gòu)使其難以實(shí)現(xiàn)高效的燈源，目前光源技術(shù)仍然是硅光芯片的一大技術(shù)難題，硅基燈源也可分為混合集成和單片集成兩種形式。

混合集成包括片間混合集成、片上倒焊混合集成、片上鍵合異質(zhì)集成。混合集成方案工藝成熟，但成本高，難以大規(guī)模集成；單片集成是一種性能有待提高的激光增益介質(zhì)，直接從硅材料中生長(zhǎng)特定材料。但一直被認(rèn)為是硅光子片燈源的終極解決方案，可以與硅光子工藝同步縮小線距，提高集成度。有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電子集成電路。

2）調(diào)制器

光調(diào)制器是將調(diào)制信號(hào)加載到光波導(dǎo)上的設(shè)備，是完成從光模塊到光信號(hào)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備。硅光調(diào)制器也是硅光集成設(shè)備中的核心設(shè)備之一。目前，硅基調(diào)制器的3dB帶寬可達(dá)67GHz以上，可支持單波200Gbit/s以上速度的調(diào)配和傳輸。

3）光探測(cè)器

光探測(cè)器（PD）其作用是將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換成導(dǎo)出電信號(hào)，可用于接收端和發(fā)射端MPD的光模塊。

4)復(fù)用裝置(解)

(解)復(fù)用裝置是實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用技術(shù)中不同波長(zhǎng)攜帶的多路數(shù)據(jù)合并或分離的關(guān)鍵裝置。波分復(fù)用和解復(fù)用是將兩個(gè)或兩個(gè)以上不同波長(zhǎng)的光信號(hào)合并到發(fā)射端的復(fù)用器中進(jìn)行傳輸，然后在接收端通過解復(fù)器將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)分開的技術(shù)。采用波分復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)，可擴(kuò)大光連接的通訊能力，減少光纖的消耗，從而降低成本。

5）光波導(dǎo)

在硅基光子集成電路中，光波導(dǎo)常用于路由，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較高的折射率差異。這種差異一方面促使硅波導(dǎo)的尺寸非常緊湊，另一方面也導(dǎo)致光在波導(dǎo)中的傳輸損失對(duì)波導(dǎo)的表面粗糙度敏感。如何減少硅波導(dǎo)消耗是實(shí)際應(yīng)用中硅光器件性能的一大挑戰(zhàn)。

6）耦合器

硅基波導(dǎo)光學(xué)藕合技術(shù)是硅基光電芯片封裝的核心技術(shù)，主要用于解決硅基集成光電芯片上光信號(hào)與外界光信號(hào)互連的問題。

3、硅光子工藝流程

整個(gè)硅光產(chǎn)品生產(chǎn)過程包括三個(gè)過程：設(shè)計(jì)、制造和封裝。

硅光子集成技術(shù)作為應(yīng)用CMOS技術(shù)的前沿技術(shù)方向，從設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)工具和流程、基于工藝平臺(tái)的協(xié)同設(shè)計(jì)等方面參考和參考了微電子相關(guān)技術(shù)，使硅光芯片的設(shè)計(jì)者在實(shí)際生產(chǎn)中能夠更方便地享受晶圓廠完善工藝的流片服務(wù)，而硅光子學(xué)不需要最先進(jìn)的納米光刻技術(shù)，可采用光刻水平不高的老式代工工廠帶來成本效益。

整個(gè)過程主要經(jīng)過設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和包裝，近年來在生產(chǎn)和設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸上逐步取得突破，包裝成為出貨量和良率受制的主要因素。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)主要負(fù)責(zé)對(duì)硅光產(chǎn)品的電路圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃。

在生產(chǎn)和封裝階段，主要負(fù)責(zé)將晶圓加工成硅光芯片，并對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行封裝和測(cè)試。

4、硅光子技術(shù)面臨的難題

硅光子集成技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，但目前仍面臨許多挑戰(zhàn)：

硅光器件的性能問題。目前，硅光子技術(shù)已經(jīng)可以替代許多傳統(tǒng)的光器件，但仍然存在一些技術(shù)問題需要克服，如如何減少硅波導(dǎo)的損耗，如何有效地將波導(dǎo)與光纖聯(lián)系起來，如何克服溫度對(duì)功率和波長(zhǎng)穩(wěn)定性的影響。這些技術(shù)問題將影響硅光子技術(shù)的普及和在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中的應(yīng)用。

測(cè)試步驟和方法。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，制造工藝多，工藝復(fù)雜，廢品率高。因此，在與其他電芯片集成之前，有必要對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試和篩選，以防止二次芯片造成不必要的后期包裝成本。

缺乏標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。硅光芯片在各個(gè)環(huán)節(jié)都缺乏標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。例如，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要使用特殊的EDA工具，制造和封裝階段缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)的制造商。這使得硅光子技術(shù)更難大規(guī)模工業(yè)化。

但是總的來說，近幾年硅光子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，給許多行業(yè)帶來了巨大的技術(shù)創(chuàng)新。

其他重要概念硅光子芯片

1、1.6T高速光通信時(shí)代加速，硅光模塊或行業(yè)加速期加速

硅光模塊具有集成度高、功耗低、成本低、微型化等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)光模塊相比，硅光模塊的工作原理基本相似，主要區(qū)別在于基于CMOS制造工藝的硅光芯片集成所產(chǎn)生的設(shè)備和技術(shù)差異。

總體而言，從應(yīng)用領(lǐng)域來看，硅光子技術(shù)與III-V設(shè)備相比，在不同速度和距離的傳輸距離下，具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2、CPO：未來高速光通信的發(fā)展方向可能是硅光CPO

CPO有望取代傳統(tǒng)的可插拔光模塊。板邊光模塊采用傳統(tǒng)光電互連，布線長(zhǎng)，寄生效果明顯，存在信號(hào)完整性問題，模塊體積大，互連密度低，多路功耗大。共封裝技術(shù)在一個(gè)封裝體內(nèi)包裝光收發(fā)模塊和ASIC芯片，通過在同一個(gè)載板上包裝光子器件和電子器件，進(jìn)一步縮短了光信號(hào)輸入和計(jì)算單元之間的電氣連接長(zhǎng)度，提高了光模塊和ASIC芯片之間的連接密度，實(shí)現(xiàn)了較低的功耗。

與可插拔光模塊相比，CPO的帶寬密度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，能效提高了40%以上。目前，基于硅基材料的光電芯片共封裝技術(shù)發(fā)展最快。理想情況下，CPO可以逐漸取代傳統(tǒng)的可插拔光模塊，以更緊密的方式將硅光子模塊和超大型CMOS芯片封裝在一起，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的成本、功耗和尺寸。CPO方案很多，其中核心PIC多以硅光方案為基礎(chǔ)。對(duì)物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類

CPO可以分為三種技術(shù)形式：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

光線互連有望解決片間互聯(lián)的瓶頸問題。片間通信主要采用片間互聯(lián)技術(shù)(例如PCIe)、以太網(wǎng)、RapidIO、SPI等。)，隨著芯片工藝的逐漸縮小，芯片互聯(lián)網(wǎng)需要越來越細(xì)，互聯(lián)網(wǎng)間距縮小，電子元器件之間的寄生效應(yīng)會(huì)越來越影響電路的性能，因此互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的各種效應(yīng)成為影響芯片性能的關(guān)鍵因素。尤其是隨著AI對(duì)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，銅I/O在傳統(tǒng)技術(shù)方案中接近物理極限，將難以支撐數(shù)據(jù)中心服務(wù)器密度的提高，同時(shí)其集成度低、功耗高的問題也逐漸顯現(xiàn)出來。

與鋁、銅、碳納米管等傳統(tǒng)互連材料不同，光互連不容易受到互連材料的物理極限影響。在制造工藝上，雖然光子芯片和電子芯片在工藝和復(fù)雜性上相似，但光子芯片對(duì)結(jié)構(gòu)的需求并不像電子芯片那樣嚴(yán)格，一般是100納米，減少了對(duì)先進(jìn)工藝的依賴。因此，在AI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(jì)算芯片之間的互聯(lián)性問題。

OIO（In-PackageOpticalI/O）它是一種基于芯片光的互聯(lián)解決方案，以及計(jì)算芯片（CPU、GPU、XPU）集成在同一個(gè)封裝中，旨在實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算系統(tǒng)中兩者之間的無縫通信(跨板、機(jī)架和計(jì)算行)。在同樣能效的前提下，OIO的邊帶寬密度和UCle、NVlink、PCIe等電相互連接，但是傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電互連。OIO非常適合計(jì)算結(jié)構(gòu)(即內(nèi)存語義結(jié)構(gòu))，基于光互連低延遲、高帶寬、節(jié)能的特點(diǎn)，有望成為機(jī)器學(xué)習(xí)拓展、資源分解、內(nèi)存池定制的新數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。

硅光子在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。

在智能駕駛、光計(jì)算、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域，硅光子技術(shù)的CMOS技術(shù)適配性、高集成度、波導(dǎo)特性都有很大的發(fā)展空間。

1、智能化駕駛：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)展的首選方向

硅光方案有助于激光雷達(dá)降低成本和成本。激光雷達(dá)有很多技術(shù)規(guī)范，硅光芯片化集成有望幫助激光雷達(dá)完成成本控制，實(shí)現(xiàn)上車成交量。硅光固態(tài)激光雷達(dá)將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)。

從工業(yè)發(fā)展的角度來看，激光雷達(dá)需要滿足高性能、低成本兩個(gè)方面才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和上車。目前大部分方案都是依靠各種分立器件的集成來實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)。缺點(diǎn)是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大規(guī)模上車時(shí)存在挑戰(zhàn)。通過硅光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片集成，可以降低系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，具有性能高、成本低、超小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

在具體方案中，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)陣激光雷達(dá)。

2、光計(jì)算：硅光有望成為實(shí)現(xiàn)集成光計(jì)算系統(tǒng)的主要材料平臺(tái)

光學(xué)計(jì)算是一種新型的計(jì)算系統(tǒng)，它利用光作為信息處理的基本媒介，基于光學(xué)模塊構(gòu)建光學(xué)系統(tǒng)，并通過必要的光學(xué)操作實(shí)現(xiàn)信息處理或數(shù)據(jù)運(yùn)算。

隨著全球計(jì)算率規(guī)模的不斷擴(kuò)大和計(jì)算率升級(jí)面臨的低碳問題，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比，光計(jì)算具有自然的并行計(jì)算能力、低功耗、高速低延遲、強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。在特定場(chǎng)景下，有望取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，解決摩爾定律和馮的困境?有潛力的諾依曼架構(gòu)瓶頸問題之一。

由于其CMOS工藝適應(yīng)、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，硅光有望成為集成光計(jì)算系統(tǒng)的主要平臺(tái)。

光量子計(jì)算的關(guān)鍵硬件部件包括量子燈源、單光子探測(cè)器和光量子芯片，其中光量子芯片是所有企業(yè)研發(fā)的核心和重點(diǎn)。

硅材料具有很強(qiáng)的三階非線性效應(yīng)和緊密約束的特點(diǎn)。采用半導(dǎo)體微納加工工藝，可實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)、光束分束器、光耦合器、光調(diào)制器等高密度片上集成光量子芯片的基礎(chǔ)設(shè)備。

總之，由于其硅基光量子芯片技術(shù)的大規(guī)模集成和可編程配置的優(yōu)勢(shì)，它在基于光學(xué)系統(tǒng)的量子計(jì)算、量子模擬和量子信息處理的應(yīng)用方面取得了一系列進(jìn)展，在未來實(shí)現(xiàn)可產(chǎn)品化大規(guī)模光量子計(jì)算和信息處理的應(yīng)用方面具有很大的潛力。目前，多家光量子計(jì)算公司通過與芯片制造商合作或自建芯片開發(fā)光量子芯片。

3、消費(fèi)電子

硅光子技術(shù)集成度高，滿足消費(fèi)電子的空間需求。消費(fèi)電子需要在有限的空間內(nèi)集成更多的設(shè)備，對(duì)尺寸敏感。硅光的高集成特性滿足了可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)療等消費(fèi)電子的需求。根據(jù)YoleGroup的預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)2027年基于硅光子技術(shù)的消費(fèi)醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到24億美元。

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