硅光子技术规模化路阻且长

硅光子技术应运而生微电子行业的摩尔定律受到严峻挑战，硅光技术是未来重要发展方向。硅芯片制程自2002年快速下降，但目前已接近极限，目前芯片高端技工艺已达7nm,未来制程工艺将向5nm、3nm方向发展，但目前工艺发展速率变慢，投资巨大。同时，晶体管的单位价格28nm制程后未下降，反而有所上升。光电子技术是继微电子技术后的重要发展方向。

图1 芯片尺寸及单位价格下的晶体管数量

图2 光与电性能对比

未来硅光技术不仅会应用于光模块，而且将会应用于PCB板间传输，芯片间传输，甚至是芯片内部传输。这将极大的提高数据传输速率。

互联网技术不断发展，人们对网络流量带宽需求不断提高。据思科数据报告，全球互联网固定IP流量将从2016年的每月96 EB 增长到每月278 EB，复合年均增长率为24%，移动流量将从2016年的每月7 EB增长到每月49EB，将以46%的复合年均增长率增长。未来在5G、VR/AR、4K高清视频、5G、云计算、大数据等多项新技术需求推动下，带宽需求将更高。

硅光技术使光模块集成化更高。高速宽带需要光通信技术的支撑，光通信必不可少的技术之一就是光模块。光模块整体上向着高速率、小型化/集成化、低成本/低功耗、 长距离方向发展。现在主流的传统光模块速率已经达到100G，正在向 400G速率发展。而硅光技术在达到高速率的同时要解决小型化/集成化、低成本/低功耗问题。硅光子技术将光模块的调制器、收发器、无源器件同时集成于一块芯片内，相比传统光模块集成度大幅提升，尺寸大大缩小，功耗、成本也大幅下降。另外，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率也显著提升。

图3 硅光子集成与现有光模块组成对比

硅光技术的应用不仅在光模块领域，其他领域也将广泛应用。如消费电子，硅光技术高度集成化可用于手机人脸识别的结构光发光单元；智能驾驶的激光雷达利用硅光技术可以做到更小，成本更低；通过硅光子集成解决微波光子链路性能、尺寸、功耗、可靠性等问题。

硅光技术已商业化

硅基光电子技术是以硅为主要材料，在其基础上研究并设计制备各类光学元器件,实现光的发射、传输、 接收等功能,并最终实现全硅的光电集成的技术。该技术结合了 CMOS 技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。

目前硅光技术主要应用于光通信中的光模块，传输距离可达10km，可用于数据中心内的短距离传输，也可无线通信基站前传。Acacia公司生产的相干硅光模块传输距离可达2500km。目前硅光技术主要应用于数据中心、电信市场的光模块领域，目前还没有出现更短距离应用，如芯片间传输，甚至是芯片内传输。

图4 硅基光电子模块内部结构（资料来源：Intel）

Intel是优秀的高速CPU芯片公司，同样是硅光技术的探路者，Intel对硅光技术的研究近20年。2010年Intel建立了全球球首个激光器的端到端硅基光数据连接。2016年，全球首款整合硅晶片及半导体雷射技术的硅光模组已正式量产出货。Intel发布的100G硅光模组收发器的功耗仅3.5W。2019年第四季度Intel将量产400G硅光模组。

图5 Intel400G硅光模块

目前的技术和工艺上，硅光技术光模块具有一定成本优势。100G短距离PSM4光模块中，硅光技术较传统模块可以减少3个激光器使用量，并且实现无源器件高度集成，可减少组件成本及人工成本，大约可降低15%整体成本。100G CWDM4模块由于是波分复用技术，目前还不能使用单一激光器完成传输功能，此类型硅光模块成本优势不算明显。中长距离，如40km以上相干光模块，硅光技术方案虽然在相干调制及合分波器件可以高度集成，但方案架构与传统方案类似，其成本优势也并不明显。加之传统光模块价格下降较快，光模块需求多样，硅光技术产业链不完善，硅光技术产品良率与传统模块产品还存在差距。在竞争中，硅光模块目前还不存在绝对可替代性或颠覆性优势。

除Intel外，国内外大企业依然在不断研究硅光技术，IBM研究院宣布，首次完成设计与测试完全整合的波长多工硅光子芯片。2017年IBM研究团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，对甲烷的探测灵敏度达100ppm。国内光模块龙头企业光迅科技在去年披露其100G硅光芯片已经通过了客户的测试，具备量产条件。光纤龙头企业亨通光电与英国公司洛克立合作研发制造硅光芯片，预计2019年将推出100G硅光模块。

硅光技术处于发展初期

硅光产品增长落后行业整体，市场份额不高。LightCounting（LC）报告数据显示，2017年基于硅光的光模块销售收入接近8亿美元，相比2016年增长22%，而基于集成InP光学技术的光模块销售增长更快，2017年增幅达到34%，收入超过27亿美元。2010年硅光模块市场大约4亿美元左右，光模块整体市场规模约31亿美元。2017年光模块全球市场规模大约90亿美元，7年间硅光产品复合增长率约10.4%，而光模块整体市场复合增长率达16%，增速落后光模块市场整体增速。以2017年数据为参考，硅光模块市场份额占比也不足10%。

图6硅光模块市场份额

硅光产品发展速度也较慢，Intel在2016年量产100G硅光模块后，直到2019年第四季度才可能量产400G产品。传统光模块产品迭代速度一般为2年，并且价格下降速度也较快。

硅光子技术多方面问题要解决

目前硅光的研究取得一定成绩，最重要的硅基光源方面可以通过硅基和InP等III-V族有源器件实现混合集成。并通过波导技术代替无源光器件，实现更高水平集成。IBM采用微电子90nm技术，把光电子器件全部集成到同一层面的硅的芯片上，实现WDM方式100G的传输速率；Intel制造的硅基光电雪崩探测器达到了行业内最高340GHz的“增益带宽积”；东京大学在5mm*6mm上制作的硅基光芯片可以达到30T的数据率。

硅基光电子还需要解决许多问题，硅基材料与其他材料兼容问题，硅芯片与电芯片还不能单片集成；低损耗的波导，波导制造标准尚未统一，受温度影响较大；波导材料与光纤模式失配，耦合损耗大；硅光封装效率较低，成本高，散热要求高。综合来看，硅基光电子各个制造环节都存在不同程度的技术问题，形成高集成度的产品还要解决许多技术问题。我们用难度与紧迫度表示硅光技术各环节存在的技术现状。

图7 硅光技术各环节技术现状

除技术外，硅光技术还处于发展初期，产业链仍不完善，国际上投资研发大企业还较少，封装测试环节的企业也非常有限，加之部分标准不统一，给规模化生产带来一定困难。产品设计、研发环节也不足以支撑技术进步，如光电模拟软件效果不佳。硅光芯片设计密度优化水平不高，光刻中未有硅光产品的OPC等。

结语

硅光技术在光模块领域被认为是新一代的颠覆性技术，与传统产品比有较大优势，而且正在大规模商业化进程的路上。传统光模块厂商也将它列为技术发展方向的最大威胁，龙头企业纷纷开展技术研发。目前硅光技术在光模块领域已经取得一定成绩，但以现在技术水平还不足以代替现有的大部分光模块产品。硅光技术以及硅光产品还需要走较长的商业道路。

上海尚锦投资管理部  郭震投稿