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小K發(fā)現(xiàn)在每一次的硅光研討會(huì)上,，有一個(gè)問(wèn)題總需要嘉賓直面回答，那就是： “硅光的出現(xiàn)是否會(huì)顛覆目前的光通信市場(chǎng),？” 顯然大家對(duì)這個(gè)領(lǐng)域是既充滿(mǎn)好奇又滿(mǎn)是敬畏,。簡(jiǎn)言之，如果能從下圖左側(cè)紛繁復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中解脫出來(lái),，化繁為簡(jiǎn)為右側(cè)一個(gè)集成度超高的芯片,，這當(dāng)然非常值得為之奮斗并的確稱(chēng)得上對(duì)既有技術(shù)和市場(chǎng)的顛覆，但事實(shí)究竟會(huì)是怎樣呢,？ 感謝各位業(yè)界前輩的無(wú)私奉獻(xiàn) 文內(nèi)有引用處皆已注明來(lái)源 圖1：源自 imec 官網(wǎng) 本文的主要內(nèi)容有： ■昨天,，今天和明天都很“HOT”的“硅光” ■硅光的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn) ■硅光的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向 ?? 您還可以在文末了解到更多是德科技的硅光測(cè)試解決方案。 一昨天,，今天和明天都很“HOT”的“硅光” 說(shuō)它昨天熱門(mén)是因?yàn)樵缭?30 年前,，硅基光電子技術(shù)就開(kāi)始發(fā)展了。1985 年 Richard Scoref 等人認(rèn)為：單晶硅可以作為光波導(dǎo)材料,，可用于微電子應(yīng)用同時(shí)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳遞,。一系列奠定硅光技術(shù)的理論基礎(chǔ)隨之出現(xiàn)，如 Sore 波導(dǎo)理論,、激光放大理論,、硅摻雜調(diào)制等等，但器件的發(fā)展開(kāi)始是比較緩慢的,。直到 2004 年,，英特爾研制成功 1Gbps 的硅光調(diào)制器，標(biāo)志著徘徊多年的硅光電子學(xué)研究,，取得了突破性的進(jìn)展,。 說(shuō)它現(xiàn)在熱門(mén)，看看下面這張產(chǎn)業(yè)鏈圖中的諸多大咖級(jí)玩家還需要小 K 再多說(shuō)啥嗎,？正如浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院儲(chǔ)濤教授在 2018 年 9 月主題為“無(wú)所不在的硅光芯片技術(shù)”的演講中說(shuō)過(guò)的那樣： 誰(shuí)也不敢保證硅光能不能賺錢(qián),， 但是沒(méi)有任何一家公司， 能承受不做硅光所帶來(lái)的損失,。 圖 2：源自 Yole Development,，April 2019 在目前出貨的硅光模塊產(chǎn)品中，主要有兩大類(lèi)： ■數(shù)據(jù)中心光模塊：以Intel 為代表的廠商可提供 100G CWDM4 及 PSM4 硅光模塊批量供貨,。 ■中長(zhǎng)距離相干光模塊：用于數(shù)據(jù)中心之間DCI 連接或電信城域網(wǎng)骨干網(wǎng)遠(yuǎn)距離通信,，Acacia、Macom,、SiPhotonics,、以及光迅牽頭的國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心等均推出了相干硅光芯片產(chǎn)品，其中Acacia 和Macom 等硅光相干模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)出貨。 而說(shuō)它將來(lái)熱門(mén),，在下圖可以看到來(lái)自 Yole 的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,，從 2018 年至 2024 年硅光的年復(fù)合增長(zhǎng)率為 44.5% 。 “硅光子未來(lái)將有最高的年復(fù)合增長(zhǎng)率,，為 44.5%” “該市場(chǎng)將從 2018 年的 4.55 億美元,，增長(zhǎng)到 2024 年的 40 億美元?！?/em> ——Yole 分析師 Eric Mounier
二硅光的優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn) 目前各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)普遍采用 100G 的互聯(lián)技術(shù),，并還將升級(jí)至 400G 互聯(lián)。因此,，400G 光模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn),。在 2018 和 2019 年的 OFC 展會(huì)上，國(guó)內(nèi)外各大公司都紛紛展出了 400G QSFP-DD 和 OSFP 的產(chǎn)品,，而在硅光產(chǎn)業(yè)鏈中,，可看到唯一一家橫跨 Epi wafer、fabless,、foundry,、transceiver 領(lǐng)域的公司 Intel 量產(chǎn)并出貨了很多 100G PSM4 和 CWDM4 的硅光產(chǎn)品,而且也在 2019 年的 interconnect day 上披露了 400G 的硅光產(chǎn)品將在 2019 年末量產(chǎn)。 圖 4：源自 Hong Hou Intel Silicon Photonics 400G DR4 可以從上圖中看到模塊的右側(cè)灰色區(qū)域光輸入和輸出所用到的激光器,，調(diào)制器和探測(cè)器部分都被集成在硅光芯片上,，4 通道每通道 100G，最終實(shí)現(xiàn) 400G 速率,。雖然看起來(lái)硅光產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程和傳統(tǒng)光模塊幾乎齊頭并進(jìn),，但從另一家光通信領(lǐng)域的市場(chǎng)研究公司 lightCounting 的分析報(bào)告來(lái)看，硅光器件目前在整個(gè)傳輸市場(chǎng)上其實(shí)只占據(jù)了 10% 的份額,，它面臨的最大競(jìng)爭(zhēng)依然來(lái)自于傳統(tǒng)的 InP和 GaAs 分立和集成器件/模塊,，傳統(tǒng)產(chǎn)品由于技術(shù)路線比較成熟，市場(chǎng)化時(shí)間較長(zhǎng),，應(yīng)用也更普及,，所以市場(chǎng)規(guī)模也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅光市場(chǎng)。硅光的前路漫漫,，還需要依賴(lài)于 CMOS 兼容工藝,，實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)制造，分?jǐn)偝杀?，最終在晶圓級(jí)制造,，封裝和測(cè)試技術(shù)上有競(jìng)爭(zhēng)力，成為“后摩爾時(shí)代”的領(lǐng)軍技術(shù)力量,。
在 Keysight World 上海 2019 的會(huì)議上，來(lái)自亨通洛克利的陳奔博士也坦言了目前硅光產(chǎn)業(yè)化的重重挑戰(zhàn)： 該表源自2019 Keysight World上海 陳奔博士演講稿 可能這時(shí)候就會(huì)有小伙伴想問(wèn)： “既然都在做 100G、400G 產(chǎn)品,，硅基光產(chǎn)品和分立式,、集成式的有什么區(qū)別呢？既然面臨如此之多的挑戰(zhàn),，為什么還要投資在硅光方向呢,？” 在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們還是要一起復(fù)習(xí)一下硅基光是什么,。在這里,，我們直接引用北京大學(xué)周治平教授的定義： 研究和開(kāi)發(fā)以光子和電子為信息載體的硅基大規(guī)模集成技術(shù)。其核心內(nèi)容就是研究如何將光子器件“小型化”,、“硅片化”并與納米電子器件相集成,，即利用硅或與硅兼容的其他材料，應(yīng)用硅工藝,，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級(jí),，以光子和/或電子為載體的信息功能器件，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模集成芯片,。 ——周治平《硅基光電子學(xué)》 可以看出硅基光的幾個(gè)重點(diǎn)也是采用這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)： ■光信號(hào)在傳輸過(guò)程中衰減小且傳輸帶寬高,，可得到超快速率和高抗干擾特性傳輸信號(hào) ■利用已有的微電子技術(shù)在大規(guī)模 CMOS 集成、低能耗,、低成本等方面的優(yōu)勢(shì) ■在硅芯片上集成光傳輸通道的工藝難度相對(duì)較低 ■以硅材料為襯底,，實(shí)現(xiàn)硅光，電,，其他材料（主要指 III-V）等的 CMOS 集成 然后回到小伙伴們一開(kāi)始的疑問(wèn),，為什么業(yè)界都在做 100G、400G 產(chǎn)品了,，還非要做基于硅基光的 100G,，400G 產(chǎn)品？究其根本原因,，還是因?yàn)楣韫饧夹g(shù)的低成本,、低功耗、高集成度,、高傳輸帶寬的優(yōu)勢(shì),。從上圖 LightCounting 的 Transceiver 市場(chǎng)趨勢(shì)圖也可以看到，分立器件的份額持平而集成器件的份額和硅光產(chǎn)品的份額都呈增長(zhǎng)趨勢(shì),。由此可見(jiàn)把越來(lái)越多的器件集成在一起是大勢(shì)所趨,，而大家都看好硅光市場(chǎng)的原因有以下三點(diǎn)： 1. 光模塊架構(gòu)主要由光源、調(diào)制器,、光纖/波導(dǎo),、探測(cè)器等幾部分組成，傳統(tǒng)工藝需要依次封裝電芯片、光芯片,、透鏡,、對(duì)準(zhǔn)組件、光纖端面等器件,，最終實(shí)現(xiàn)將調(diào)制器,、接收器以及無(wú)源光學(xué)器件等高度集成。相比傳統(tǒng)分立式器件,，硅光技術(shù)下的光模塊基于 CMOS 制造工藝,，在硅基底上利用蝕刻工藝可以快速加工，使得體積大幅減小,，材料成本,、芯片成本、封裝成本進(jìn)一步優(yōu)化,，同時(shí),，硅光技術(shù)可以通過(guò)晶圓測(cè)試等方法進(jìn)行批量測(cè)試，測(cè)試效率顯著提升,。 圖 6：源自 OFWEEK 2. 傳統(tǒng)的光通信模塊主要是由 III-V 族半導(dǎo)體芯片,、高速電路芯片、無(wú)源光組件及光纖封裝而成,。但隨著晶體管尺寸不斷變小,，電互連面臨諸多局限，業(yè)界發(fā)現(xiàn)摩爾定律不再適用,，50Gbps 已經(jīng)接近傳統(tǒng)銅電路極限,。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部及芯片層面的“光進(jìn)銅退”成為必然。硅光,，即采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù),，將光學(xué)器件與電子元件整合在一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，在硅片上用光取代銅線作為信息傳導(dǎo)介質(zhì),，以提升芯片與芯片間的連接速度,。 圖 7：源自 Intel Silicon Photonics 100G PSM4 QFSP28 Transceiver report 這里重點(diǎn)要說(shuō)的是硅是間接帶隙半導(dǎo)體,，很難成為光源材料,，要使硅基集成光路產(chǎn)生光源，需要把 III-V 族和硅材料做異質(zhì)集成,。而這種將幾種材料結(jié)合在一起的方式,，既可以利用 III-V 材料實(shí)現(xiàn)片上有源功能,，又可以利用硅基集成工藝的優(yōu)勢(shì),，所以硅光并不是單單指 Silicon 哦。 三 云計(jì)算,、物聯(lián)網(wǎng)(IoT),、流媒體視頻、5G迫使數(shù)據(jù)中心呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)且對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)在能耗,，時(shí)延,，安全可靠等方面有新的訴求。所有這些因素都是硅光產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),。硅光,，有望帶來(lái)一波新的芯片、模塊,、系統(tǒng),，以滿(mǎn)足對(duì)更快、更多數(shù)據(jù)的日益增長(zhǎng)的需求,。 與傳統(tǒng)的電路和系統(tǒng)相比,，硅光系統(tǒng)利用光傳輸更多的數(shù)據(jù)，效率更高,，傳輸速度更快,，同時(shí)能耗低。硅光技術(shù)提供了一種解決方案,，使數(shù)據(jù)中心內(nèi)部和之間的帶寬傳輸顯著提高和更有效,。與通過(guò)銅線傳輸電信號(hào)的系統(tǒng)相比，基于光通訊的系統(tǒng)使用光在光纖線路上傳輸數(shù)據(jù)更快,、更有效,。同時(shí)多電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4） ，先進(jìn)的光學(xué)調(diào)制格式,，如正交幅度調(diào)制（QAM）和正交頻分復(fù)用（OFDM）,，以及相干檢測(cè)技術(shù)提高了頻譜效率。硅光的覆蓋范圍從短距離芯片到芯片到局域網(wǎng)(LANs)和廣域網(wǎng)（WANs）超過(guò) 100 公里的傳輸距離,。對(duì)于電信領(lǐng)域,，硅光技術(shù)增加了在相同光纖線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，而不需要擴(kuò)展光纖電纜,。對(duì)于距離通常小于 80 公里的數(shù)據(jù)中心互連,，硅光承載了更高的容量和更有效的數(shù)據(jù)傳輸,。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，硅光子學(xué)技術(shù)將使半導(dǎo)體,、芯片,、光學(xué)元件和整個(gè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)成為可能。這些新的光學(xué)元件將比傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)提供更高的帶寬,、更高的功率效率和更快的速度,。 圖 8：硅光的應(yīng)用領(lǐng)域 在目前來(lái)看，大部分的硅光模塊是應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心和城域骨干網(wǎng)領(lǐng)域,，占比幾乎超過(guò) 90% 以上,。而隨著 5G 規(guī)模商用的臨近，僅 5G 前傳就有約 5000 萬(wàn)只 25G/50G 光模塊的需求,， 5G 對(duì)傳輸速率,，超低延時(shí)、高穩(wěn)定性是最基本的要求,，這些無(wú)疑都是硅光技術(shù)最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域,。業(yè)內(nèi)普遍也認(rèn)為硅光技術(shù)的高度集成特性在對(duì)尺寸更加敏感的消費(fèi)領(lǐng)域?qū)?huì)存在更大需求，比如智能傳感,、智能駕駛,、激光雷達(dá)、量子通信等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間,。 但是由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還處于發(fā)展早期,，整體出貨量低，無(wú)法實(shí)現(xiàn) CMOS 大規(guī)模生產(chǎn)帶來(lái)的成本效應(yīng),，也無(wú)法支撐良率提升和生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化,。在成本，功耗和性能上,，與傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)品相比并未顯示顛覆性?xún)?yōu)勢(shì),。但是整體光模塊行業(yè)以每年 10% 的年復(fù)合增長(zhǎng)率擴(kuò)張，硅光的份額也水漲船高,，逐步有提升,。 硅光的優(yōu)勢(shì)是集成化，那么終極目標(biāo)是不是就是把目前光模塊中的有源器件,，無(wú)源器件,，電路都集成在一起呢？在 2018 年 OFC 上看到亨通洛克利展出的一款硅光芯片：激光外置,，在交換芯片上集成了光收發(fā)的功能,，相當(dāng)于把光模塊與交換機(jī)芯片的距離無(wú)限拉近在一起。
圖 9：源自 OFC 2018 亨通洛克利展示 Co-packaging 固然有很多好處,，正如 Pennies Consulting 在 2019 年 OFC 的 PIC workshop 指出的那樣： “它可以實(shí)現(xiàn)電路和光路部分分立的高速,，高帶寬設(shè)計(jì),，通過(guò)集成連接器和光路部分的組合可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)，多通道擴(kuò)容并能使用到電封裝中先進(jìn)的電路和散熱封裝技術(shù),?！?/em> ——Pennies Consulting
圖 10：源自Pennies Consulting 在 2019 年 OFC 的 PIC workshop 的演講稿 但還應(yīng)考慮到 Co-package 后將面臨的重重測(cè)試驗(yàn)證挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的就是信號(hào)完整性和電源完整性問(wèn)題,，集成度超高以后還需考慮到測(cè)試時(shí)的探測(cè)問(wèn)題,，模塊的散熱問(wèn)題以及整合測(cè)試等：
結(jié)束語(yǔ) 雖然硅光芯片產(chǎn)業(yè)面臨著諸多困難，但不可否認(rèn)它廣闊的市場(chǎng)前景?，F(xiàn)在所面臨的一系列技術(shù)問(wèn)題,，正在慢慢得到解決,。國(guó)內(nèi)首款商用“100G 硅光收發(fā)芯片”取得的突破性進(jìn)展,，預(yù)示著芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢(shì)所趨，硅光技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化未來(lái)可期,。一些主流公司紛紛開(kāi)始通過(guò)各種方式布局硅光子芯片,、器件，一是可預(yù)見(jiàn)到的市場(chǎng)機(jī)會(huì),，二是也需要優(yōu)化自身產(chǎn)品結(jié)構(gòu),，從而形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。然而面臨產(chǎn)量,，良品率,，生產(chǎn)工藝等至關(guān)重要的問(wèn)題，我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)硅光并不是顛覆者,，也許在未來(lái)的 5-10 年間,，它會(huì)和 III-V 共存相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，但是硅光對(duì)于推動(dòng)光通信行業(yè)發(fā)展的巨大影響力卻是毋容置疑的,。 最后,，關(guān)于針對(duì)基于硅光的有源，無(wú)源芯片,， 器件和模塊,，是德科技都可以提供相應(yīng)的測(cè)試方案。在 2019 年 3 月的 OFC 展會(huì)上,，是德科技還與 Form Factor 一起聯(lián)合展示了真實(shí)的 on-wafer 硅光測(cè)試場(chǎng)景,。
圖 11：是德科技與 FormFactor 在 2019 年 OFC 的硅光測(cè)試方案聯(lián)合展示 是德科技針對(duì)無(wú)源和有源硅光芯片/ 器件的測(cè)試方案 掃描二維碼獲取資料并參加抽獎(jiǎng)
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來(lái)自： 藍(lán)林觀海 > 《經(jīng)濟(jì)類(lèi)》
圖 3：源自 Slicon Photonics and Photonics Integrated Circiuts 2019, Yole Development
圖 5：源自 LightCounting
