為什么看好硅光？

  ICC訊 自 1985 年以來，硅光子技術從最初的高約束波導(high confinement waveguides)發(fā)展到戰(zhàn)略性地采用 CMOS 技術，確立了其在收發(fā)器領域的主導地位。未來幾年，硅光子技術有可能擴展到廣泛的創(chuàng)新應用領域。

  進入2023 年以來，硅光子技術，尤其是光計算、光 I/O 和各種傳感應用，一直受到熱捧，并得到了大量投資。各種應用中的主要技術將很快被基于光學的設計和架構(gòu)所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預測，光學將是必需的，并將很快變得無處不在，而初創(chuàng)公司正在通過研發(fā)開發(fā)新的應用。那么，我們能期待這一預測很快實現(xiàn)嗎?

  雖然有許多論點認為光子學必須與電子學相結(jié)合，但最大的硅光子學市場--數(shù)據(jù)通信插接件(datacom pluggables)--的收入僅占數(shù)據(jù)通信收發(fā)器收入的 12%左右(預計到 2028 年將達到 30%)。半導體市場正遭受長期衰退，導致客戶的購買行為更加務實。DC operators更青睞歷史悠久、成本低廉的技術解決方案。Yole Intelligence 的市場調(diào)研顯示，硅光子技術尚未成為主要技術，即使是 500 米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連也是如此。

  在這種情況下，硅光子技術仍然是一項正在積極開發(fā)的技術，具有廣泛的潛在應用，預示著地平線上將出現(xiàn)大有可為的機遇。在未來十年中，將出現(xiàn)領跑者，導致行業(yè)整合。然而，廣泛的應用領域?qū)⒋_保該技術有大量的擴展和擴散機會。

  Yole Group 在其最新的《2023 年硅光子技術》報告中估計，2022 年硅光子 PIC 市場價值為 6800 萬美元，預計 2028 年將超過 6 億美元，2022-2028 年復合年增長率為 44%(CAGR2022-2028)。這一增長將主要由用于提高光纖網(wǎng)絡容量的 800G 高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊推動。此外，對快速增長的訓練數(shù)據(jù)集規(guī)模的預測表明，數(shù)據(jù)將需要使用光來擴展 ML 模型，在 ML 服務器中使用光 I/O。

圖 1：各種硅光子應用的增長預測。

  數(shù)據(jù)中心的大量需求，尤其是人工智能(AI)和機器學習(ML)領域的需求，預計將在未來十年內(nèi)不斷增長。在傳統(tǒng)的以處理器為中心的計算架構(gòu)和銅互連技術下，基于 3 納米技術的最先進芯片已接近其物理極限，而對更快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髤s在激增。因此，能夠促進高速通信的硅光子技術已成為首要關注點。

  包含光 I/O 的架構(gòu)可以簡化計算節(jié)點和內(nèi)存池之間的訪問，利用光學的扇出功能最大限度地減少訪問資源所需的交換跳數(shù)。博通公司的戰(zhàn)略計劃勾勒出了交換芯片的發(fā)展軌跡，預計將從今年的 51.2 Tb/s(5 納米工藝節(jié)點)增長到 2025 年的 102.4 Tb/s(3 納米工藝節(jié)點)，到 2027 年將達到驚人的 204.8 Tb/s(2 納米工藝節(jié)點)。這一指數(shù)級增長將極大地促進硅光子技術在網(wǎng)絡應用中的發(fā)展，為未來大幅提高數(shù)據(jù)容量鋪平道路。硅光子技術為具有大批量可擴展性需求的應用提供了一個多功能平臺。

  硅光子技術最主要和最直接的應用領域是數(shù)據(jù)中心，英特爾公司在該領域占據(jù)主導地位(最近把這個業(yè)務賣給了捷普?)。第二個主要的大容量應用領域是電信，Acacia 就是一個例子，它受益于硅處理的穩(wěn)定和卓越性能。第三個廣泛的應用領域包括光學激光雷達系統(tǒng)，該領域潛力巨大，但面臨著成本和二維光束掃描方面的挑戰(zhàn)。三維集成(將兩個芯片安裝在同一硅襯底上)對于實現(xiàn)無縫控制至關重要。光學陀螺儀需要尺寸較大的芯片來安裝靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器，而硅襯底和氮化硅波導可從中獲益。量子計算在不斷發(fā)展的人工智能和機器學習領域舉足輕重。光學計算是注重效率的任務的理想選擇，備受業(yè)界關注并有望產(chǎn)生重大影響。

  先進的光子元件及其在醫(yī)療領域的應用可以改變醫(yī)療保健，實現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測。要實現(xiàn)臨床應用，必須克服監(jiān)管和標準化方面的挑戰(zhàn)。基于硅光子技術的醫(yī)療應用前景廣闊，在各種醫(yī)療保健和醫(yī)療領域具有巨大潛力。將硅光子技術擴展到可見光譜顯示了未來發(fā)展的潛力，提供了廣泛的創(chuàng)新應用。

  硅光子技術產(chǎn)業(yè)格局正在形成，參與者多種多樣，包括：主要的垂直整合參與者(英特爾、思科、Marvell、Broadcom、Nvidia、IBM 等);積極參與硅光子產(chǎn)業(yè)的企業(yè);初創(chuàng)企業(yè)和設計公司(AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence);研究機構(gòu)(UCSB、哥倫比亞大學、斯坦福工程學院、麻省理工學院等);代工廠(GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、TSMC 等);以及設備供應商(應用材料公司、ASML、Aixtron 等)。所有這些參與者都為公司的大幅增長和多樣化做出了貢獻。

  英特爾是這一領域的領導者，在研發(fā)方面投入了大量資金。有許多初創(chuàng)公司專注于硅光子技術，旨在為市場帶來創(chuàng)新。這些初創(chuàng)公司通常專注于特定應用或新技術，如高速收發(fā)器、光互連和激光雷達系統(tǒng)。大學和研究機構(gòu)在推動硅光子技術發(fā)展方面發(fā)揮著至關重要的作用，它們經(jīng)常與行業(yè)合作伙伴合作開發(fā)尖端技術并分享知識。

圖 2：大量潛在應用預示著大有可為的機遇即將到來。

  代工廠提供硅光子學服務，幫助其他公司制造光子芯片。這些代工廠通常使用先進的制造工藝，如 CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術來生產(chǎn)這些芯片。設備供應商提供制造硅光子設備所需的工具。這些工具的質(zhì)量和精度對生產(chǎn)高性能光子元件至關重要。

  硅光子產(chǎn)業(yè)的特點是不斷進行研發(fā)、建立戰(zhàn)略合作伙伴關系，以及參與者之間為推動技術發(fā)展而開展合作。由于硅光子代工廠的出現(xiàn)和該領域?qū)I(yè)知識的不斷增長，更多的公司也更容易獲得該技術。該技術能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低能耗并實現(xiàn)各種應用，因此是一個前景廣闊的產(chǎn)業(yè)增長領域。

  英特爾仍然是數(shù)據(jù)通信市場的領導者，在出貨量和收入方面都占據(jù)了 61% 的市場份額，緊隨其后的是思科、Broadcom 和其他較小的公司。

  Yole Intelligence 預計，隨著其他公司近期加強產(chǎn)品組合并將 PIC 商業(yè)化，英特爾將失去其主導市場份額。在電信領域，思科(Acacia)占據(jù)了近 50% 的市場份額，其次是 Lumentum(Neophotonics)和 Marvell(Inphi)。相干可插拔 ZR/ZR+ 模塊推動了電信硅光子市場的發(fā)展。

圖 3：英特爾、思科、Marvell... 硅光子產(chǎn)業(yè)對其未來價值充滿信心。

  英特爾最近把水攪渾了，不僅未能完成對 Tower 公司的收購，還將其基于硅光子技術的可插拔模塊生產(chǎn)線剝離給了捷普公司(Jabil)。英特爾正在努力重新奪回芯片生產(chǎn)技術的領先地位，希望與 Tower 公司的合并能幫助其加速轉(zhuǎn)型，成為其他芯片設計公司的主要制造商。此次收購的失敗將迫使英特爾將其代工服務(IFS)部門的業(yè)務戰(zhàn)略重點完全放在領先的工藝技術上。由于技術是中美緊張經(jīng)濟關系中的主戰(zhàn)場，這也會讓與中國關系密切的美國公司進一步感到寒意。

  英特爾最近做出戰(zhàn)略決策，將其生產(chǎn)線移交給捷普，從而優(yōu)化運營效率，降低成本，并利用捷普的專業(yè)技術更好地服務客戶，保持市場競爭力，提高盈利能力。英特爾正在將重點轉(zhuǎn)向開發(fā)和生產(chǎn)價值更高的部件，如處理器和計算平臺，這些部件與即將推出的專為分解數(shù)據(jù)中心設計的光互連產(chǎn)品密不可分。該公司正將重點放在硅光子元件上，這些元件對于新興的傳感應用(如汽車行業(yè)或醫(yī)療用途)至關重要。

圖 4：2022 年數(shù)據(jù)通信和電信模塊的收入市場份額。

圖 5：2021-2028 年激光技術在數(shù)據(jù)通信可插拔模塊中的滲透率。

圖 6：1992-2030 年硅光子集成路線圖。

  硅光子學是一項先進技術，需要高水平的制造技能，而中國仍然缺乏這種技能。中國公司還處于原型或樣品階段，需要依靠外部合作才能批量供應硅光子收發(fā)器或光學引擎。2014 年，華為和 imec 在光數(shù)據(jù)鏈路技術的聯(lián)合研究中加入了硅光子技術。在此之前，華為收購了從 imec 和根特大學分離出來的硅光子光學收發(fā)器開發(fā)商 Caliopa。最終，華為與 imec 的合作被終止，ASML 的 EUV 光刻系統(tǒng)也于 2019 年被禁止向中國發(fā)貨。在被美國商務部列入實體名單后，華為仍在繼續(xù)開展研究，這對其電信設備業(yè)務至關重要。中國對硅光子技術進行大量投資的動機十分強烈。

  硅光子學的技術途徑是什么?

  盡管硅作為光發(fā)射器存在缺陷，但最近的突破性進展引入了在硅上制造有源光學元件的創(chuàng)新方法，并在短短幾年內(nèi)實現(xiàn)了量產(chǎn)。值得注意的是，硅的內(nèi)部量子效率較低，而直接帶隙 III-V 材料的效率接近 100%。早在 20 世紀 90 年代，高亮度 LED 應用中的鍵合 LED(GaP 上的砷化鎵)取得成功后，人們就預計將 III-V 材料鍵合到硅上也會非常有效。

  加州大學伯克利分校與英特爾公司的合作在解決制造問題和實現(xiàn)大批量生產(chǎn)方面發(fā)揮了關鍵作用。硅光子學的途徑似乎是通過量子點(QD)實現(xiàn)單片集成。傳統(tǒng)的 InP PIC 需要五到六種再生長方法，調(diào)制器、激光器和探測器可以并排粘合在一起并一起加工，具有固有的優(yōu)勢。然而，由于 III-V 基板的尺寸遠遠小于 300 毫米，基板的成本并不低，這促使人們對單片集成的興趣與日俱增。因此，片上激光器的單片集成技術為實現(xiàn)高密度和大規(guī)模硅光子集成提供了一種前景廣闊的方法。

  在硅基砷化鎵單片器件中選擇量子阱(QW)還是量子點一直是一個關鍵問題。經(jīng)過四十年的研究，量子點激光器的內(nèi)在參數(shù)已經(jīng)超過了 QW 器件，使用壽命更長。例如，QD 增益介質(zhì)對材料缺陷的容忍度很高，因此可以在硅上外延集成 QD 激光器，而其快速的增益響應使其適用于放大高速信號。

  此外，QD 增益介質(zhì)在高溫下的穩(wěn)定性使其能夠在不制冷的情況下工作，而窄線寬激光器、低閾值電流密度、內(nèi)部損耗和約束因子則有助于實現(xiàn)低噪聲工作。III-V 族/硅外延技術的重大改進將 QD 技術推向了硅光子學和廣泛應用的前沿。不過，要使這項技術普及到大容量、高性能的 PIC，并使其成為人們負擔得起的技術，還需要付出很大的努力。

  硅光子學的領域并不局限于單一的襯底或材料。各種材料平臺，如薄膜 LiNbO3 (TFLN)、SiN、BTO 和 GaAs 等，都已證明了它們在光子集成方面的潛力。其中，硅基 TFLN 進展迅速。憑借其緊密的模式約束，TFLN 已被證明是制造高速調(diào)制器、梳狀發(fā)生器和各種設備的寶貴材料。值得注意的是，HyperLight 在推動這項技術取得顯著成功方面發(fā)揮了關鍵作用。

  波導超越了硅，涵蓋了多種材料，包括鈮酸鋰化合物半導體、絕緣體化合物半導體(CSOI)、氮化硅等。例如，氮化硅波導可支持在極高溫度下運行的 980 納米可調(diào)激光器，從而帶來了非凡的可能性。

  硅光子學產(chǎn)品的制造工藝為 45 納米，而先進的硅集成電路工作工藝的僅為幾個納米，兩者在規(guī)模上存在巨大差距。值得注意的是，硅光子學并不需要 3 納米光刻技術，因為 45 納米技術完全足以生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的硅光子學設備。這一點非常有利，因為使用光刻水平較低的老式代工廠非常具有成本效益。

  通過利用三維鍵合技術將 PIC 與電子器件連接起來(電子器件的光刻技術可能達到 3 納米或更高水平)，我們可以利用兩個世界的優(yōu)勢。因此，在同一晶圓上以同一工藝流程集成光子學和電子學似乎并不合理，因為這會增加成本和延長生產(chǎn)時間。相反，更明智的做法是三維集成，將最先進的電子技術與最先進的光子技術相結(jié)合。

  硅光子技術有可能徹底改變數(shù)據(jù)傳輸和處理的方式，在速度、能效和成本效益方面帶來好處。該技術途徑涉及材料科學、設備工程和應用開發(fā)的結(jié)合，以實現(xiàn)這一潛力。

作者：Martin Vallo