硅光芯片行業深度分析，AI 時代硅光子迎新機遇 | 研報推薦

注：原文為開源證券《AI 高速率時代，硅光子迎成長機遇》，分析師：蔣穎

硅光子技術是基于硅和硅基襯底材料，利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，是實現光子和微電子集成的理想平臺。

隨著傳統微電子、光電子技術逐步步入“后摩爾時代”，硅光產業鏈逐步完善，已初步覆蓋了前沿技術研究機構、設計工具提供商、器件芯片模塊商、Foundry、IT 企業、系統設備商、用戶等各個環節，并被廣泛應用于光通信、光傳感、光計算、智能駕駛、消費電子等多個領域。

在名為《AI 高速率時代，硅光子迎成長機遇》的深度研報里，分析師從多個角度介紹了硅光子技術的最近進展。

以下為內容節選：

一、硅光子技術：后摩爾時代重要技術平臺

1、硅光子技術簡介

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

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

從需求發展來看，光電子和微電子集成源動力來自于微電子/光電子各自的發展需求，微電子方面，深亞微米下電互連面臨嚴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，實現大規模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生產。

從技術特點來看，硅光子技術結合了集成電路技術的超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技術主要具有高集成度、高速率、低成本等優點。

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

從技術演進來看，硅光子技術發展可分為四個階段，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制器等問題，目前硅光子技術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，是未來發展趨勢。

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（負責將不同波長攜帶的多路數據合并或分開）、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法實現高效率的片上光源，目前光源技術仍是硅光芯片的一大技術難題，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特定材料作為激光器增益介質，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寬、提高集成度，有望實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射端的MPD。

4）（解）復用器件

（解）復用器件是波分復用技術中實現不同波長攜帶的多路數據合并或分開的關鍵器件。波分復用及解復用是將兩種或多種不同波長的光信號，在發射端經過復用器合束后，合進同一根光纖中進行傳輸，然后在接收端，經解復用器將不同波長的光信號進行分離的技術。采用波分復用及解復用技術，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

硅基波導光學耦合技術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鍵技術。

3、硅光子工藝流程

硅光產品整體生產流程包括設計、制造、封裝三大過程。

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

設計環節主要是負責硅光產品的電路圖與內部結構的規劃。

制造和封裝環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、硅光子技術面臨的挑戰

硅光子集成技術具有廣闊的市場前景，但目前仍然面臨諸多挑戰：

硅光器件的性能問題。目前的硅光子技術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難題，比如如何減少硅波導的損耗、如何實現波導與光纖的有效耦合、如何克服溫度對于功率和波長穩定性的影響等。這些技術難題會影響到硅光子技術的普及以及在數據中心場景中的應用。

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行測試和篩選，然后再和其他電芯片進行集成，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。硅光芯片在各個環節都缺少標準化方案，例如：設計環節需要使用專用的EDA工具，制造與封裝環節缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務的廠家。這使得硅光子技術大規模產業化變得更加困難。

但總體來看，硅光子技術近年來的高速發展已給諸多行業帶來了重大的技術性革新。

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，硅光光模塊或迎產業加速期

硅光光模塊具有高集成度、低功耗、低成本、小型化等優點。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制造工藝進行硅光芯片集成所帶來的器件和技術差異。

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

2、CPO：硅光CPO或成為未來高速光通信發展方向

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，走線較長，寄生效應明顯，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。共封裝技術將光收發單元與ASIC芯片封裝在一個封裝體內，通過將光子器件和電子器件封裝在同一個載板上，進一步縮短了光信號輸入和運算單元之間的電學互連長度，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量級，能量效率優化40%以上。目前基于硅基材料的光電芯片共封裝技術發展最為迅速，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一步優化。CPO方案眾多，其中核心PIC多基于硅光方案。從物理結構分類

CPO可分為3種技術形態：2D平面CPO、2.5DCPO和3DCPO。

3、OIO：硅光子技術是片間互聯的重要解決方案

光互連有望解決片間互聯的瓶頸問題。芯片間通信主要采用片間互聯技術（如PCIe、以太網、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，互連線間距縮小，電子元件之間引起的寄生效應也會越來越影響電路的性能，因此互連線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器的密度提升，同時其集成度低、功耗高的問題也逐漸顯現。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，降低了對先進工藝的依賴度，因此，在AI高速通信時代，光互聯有望成為片間互聯的理想選擇。

OIO主要解決計算芯片之間的互聯問題。

OIO（In-PackageOpticalI/O）是一種基于芯片的光互聯解決方案，與計算芯片（CPU、GPU、XPU）集成在同一封裝中，旨在實現分布式計算系統中它們之間的無縫通信（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，非常適用于計算結構（即內存語義結構），有望成為為機器學習擴展、資源分解和內存池定制的新數據中心架構的關鍵驅動力。

三、硅光子在多領域應用潛力大

硅光子技術的CMOS工藝兼容、高集成度、波導特性在眾多領域存在應用可能，如智能駕駛、光計算、消費電子等方向有很大的發展空間。

1、智能駕駛：硅光固態激光雷達技術路線是未來激光雷達發展的優選方向

硅光方案助力激光雷達降本放量。激光雷達技術方案眾多，硅光芯片化集成有望助力激光雷達完成成本控制進而實現上車放量，硅光固態激光雷達或成未來發展方向。

從產業發展來看，激光雷達要實現規?；慨a上車需要滿足高性能和低成本兩方面，目前多數方案都是依靠各類分立器件的集成來實現雷達系統，缺點是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大規模上車上存在挑戰。通過硅光子技術實現芯片化集成，可以降低系統成本、實現規?；瘧?，具備高性能、低成本、小尺寸、低功耗等優點。

具體方案上，硅光固態激光雷達包括硅基相控陣激光雷達和硅基光開關陣列激光雷達兩種。

2、光計算：硅光有望成為實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，基于光學單元構建光學系統，通過必要的光學操作，從而實現信息處理或數據運算的新型計算體系。

隨著全球算力規模的不斷擴大以及算力升級面臨的低碳問題，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、高速低時延、抗干擾能力強等優點，在特定場景中，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、集成度高等優勢，有望成為集成光計算系統的主要平臺。

光量子計算關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，是各企業研發重點。

硅材料具有很強的三階非線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的大規模集成、可編程配置等優勢，推動其在基于光學系統的量子計算、量子模擬以及量子信息處理等應用方面取得了一系列進展，在未來實現可實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，多個光量子計算企業通過與芯片制造商合作或自建芯片實現研發光量子芯片。

3、消費電子

硅光子技術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年基于硅光子技術的消費醫療市場規模有望達到24億美元。

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