硅光技术及应用领域

硅光技术及应用领域

硅光技术是什么

硅光技术是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制造 相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测 和处理，以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。

硅光子技术发展历程

从1969年美国贝尔实验室提出集成光学开始，到21世纪，Intel等企业开始进入硅光领域协助突破发展，硅光子技术开始进入产业化技术 突破阶段。2008年后，Luxtera、Intel等公司开始推出商用硅光集成产品，硅光芯片开始正式进入市场化阶段。

硅光技术的发展整体可分为四个阶段：第一阶段，通过硅基材料制造光通信的底层器件，逐步取代光分立器件；第二阶段，集成技术从 混合集成逐渐向单片集成发展，将各类器件通过不同组合实现不同功能的单片集成，这也是目前硅光子技术的发展现状；未来第三阶段， 预计将通过光电一体技术融合，实现光电全集成融合；第四阶段，器件分解为多个硅单元排列组合，矩阵化表征类，通过编程自定义全 功能，实现可编程芯片。

硅光子集成度提升，应用领域也不断拓展

小规模硅光子集成时代，PIC上有1到10个组件，其中包括高速pn结调制器和光电探测器（PD），以及III-V激光器与硅PIC的异质集成； 中等规模集成时代，Mach-Zehnder调制器（MZM）成功用在数据中心内的收发器中——PIC上有10到500个组件，包括单波长和多波长， 基于微环调制器的收发器也体现了PIC技术的多路复用和能效优势。硅光子/电子平台中的相干收发器证明，该技术可以在性能上与 LiNbO3光子和III-V族电子媲美。除了通信，硅光子还有更多新的应用，如生物传感器。 大规模集成时代，在同一芯片上实现500到10000个组件，应用包括激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和多路复 用生物传感器；甚至超大规模集成电路（>10000个元件）的原型现在也已出现。

硅光应用市场不断扩大

数通应用占硅光应用90%以上：市场研究机构Yole数据显示，2022年硅光芯片市场价值为6800万美元，预计到2028年将超过6亿美元， 2022年-2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学 习的800G可插拔光模块，数通光模块的应用占硅光芯片市场的93%，复合增长44%。此外在电信领域、光学激光雷达、量子计算、光 计算以及在医疗保健领域都有广阔的发展前景。

光模块中硅光及薄膜铌酸锂的份额将呈上升趋势

LightCounting预计，基于GaAs和InP的光模块的市场份额将逐步下降，而硅光子（SiP）和铌酸锂薄膜（TFLN）PIC的份额将有所上升。 LPO和CPO的采用也将促进SiP甚至TFLN器件的市场份额增长。 LightCounting预计硅光芯片的销售额将从2023年的8亿美元增至2029年的略高于30亿美元。采用TFLN调制器的PIC销售额将从现在的几 乎为零增长到2029年的7.5亿美元。传统DWDM光模块中使用的块状LiNbo3调制器的销售额将继续下降，到2029年将变得微不足道。

CPO光电共封装

光电共封装（CPO）指的是交换 ASIC 芯片和硅光引擎（光学器件） 在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、 降低成本和实现高度集成。 CPO的发展才刚起步，并且其行业标准形成预计还要一定时间，但 CPO的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变化。 硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在CPO方案中。 800G传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而CPO方案则更多的是 技术探索。但是从1.6T开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后 续光互联升级可能转向CPO和相干方案。

硅光份额市场不断扩大，国内厂商积 极布局

硅光模块与传统光模块区别

硅光即硅基光电子，是以硅和硅基为衬底材料（如SiGe/Si、SOI等），并利用CMOS工艺对光电子器件进行开发和集成的新技术。 普通光模块是实现光电转换的装置，其在功能上需对光信号进行调制和接收。普通光模块在制造上需要经过封装电芯片、光芯片、透 镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现调制器、接收器以及无源光学器件等的高度集成。各器件主要通过封装技术进行集成。 硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成，基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成便是其最大的特 点，亦是它与普通光模块最大的区别。硅光模块芯片通过硅晶圆技术，在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制备调制器、 接收器等关键器件，以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。

硅光模块的优势

硅光模块可突破传统单通道光芯片的传输瓶颈，在未来高速传输时代具有较大优势。相较传统分立光模块，硅光模块还拥有成本低、 功耗低、兼容CMOS工艺、集成度高的优势。

目前光集成商业产品技术路线主要分为III-V族和Si两大阵营，其中DFB、DML、EML等激光器是InP阵营，虽然技术相对成熟，但是成本 高，与CMOS工艺(集成电路工艺)不兼容，其衬底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件，采用COMS工艺实现无源光电子器件和集成电 路单片集成，可大规模集成，具有高密度的优势，其衬底材料每1年可翻一倍。

硅光全球产业链布局

与电芯片相似，硅光芯片的产业链上游为晶圆、设备材料、EDA软件等企业；中游可分为硅光设计、制造、模块集成三个环节，其中部 分公司如Intel、ST等为IDM企业，可实现从硅光芯片设计、制造到模块集成的全流程；下游则主要包括通信设备市场、电信市场和数通 市场（数据中心通信市场）。随着硅光市场规模逐渐扩大，传统光模块厂商也在通过自研/并购切入硅光设计领域。