全球信息技術正處于創(chuàng)新活躍時期，在新型業(yè)務及應用模式的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)式增長，光傳輸及光互聯(lián)系統(tǒng)在帶寬、成本、功耗和尺寸等方面面臨挑戰(zhàn)。硅光技術結(jié)合了CMOS技術的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢，是一種可解決技術演進與成本矛盾的創(chuàng)新性技術。由于短期無法解決光源等問題，預計硅光在未來相當長的時間內(nèi)無法完全取代傳統(tǒng)III-V族材料，但目前其技術發(fā)展勢頭強勁，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，新產(chǎn)品與應用也在不斷推進，已成為業(yè)界持續(xù)關注的熱點技術。

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硅光多技術環(huán)節(jié)面臨挑戰(zhàn)

硅是間隙能帶材料，不適合作為通信波段光源，不過除光源外的其他無源有源器件如分束器、復用/解復用器、調(diào)制器等均已初步成熟，進入可規(guī)?；a(chǎn)階段。為了解決光源問題，硅光集成芯片通常采用混合集成方案，即在硅片上引入III-V族光源，光芯片與電芯片在各自平臺上進行獨立設計與制造，之后再進行組裝?；旌霞伸`活度高，前期工藝成本低，但光電芯片之間的鍵合會引起寄生效應，后期封裝成本較高。不過鑒于當前硅基光源的低成熟度，混合集成在未來相當長的時間內(nèi)仍會占據(jù)主導地位。

目前，硅光的設計工具，即光電設計自動化（EPDA）仿照微電子設計自動化（EDA）流程，但在元件標準化、設計規(guī)則檢查等方面尚未完全成熟，自動化程度低，客戶的普及率也有待提高。國外EPDA軟件在傳統(tǒng)EDA的基礎上融合光學仿真與光器件工藝設計包（PDK），發(fā)展迅速。而國內(nèi)基本沒有專業(yè)從事EPDA軟件開發(fā)的商業(yè)機構(gòu)，尚處于起步階段。

硅光工藝流程需要在標準CMOS工藝基礎上增加若干工藝步驟，同時需要針對硅光器件進行大量的工藝參數(shù)優(yōu)化設計，目前面臨著自動化程度低、產(chǎn)業(yè)標準不統(tǒng)一、器件單元尚未標準化等技術難關。國外的Intel、ePIXfab等已在硅光加工制造方面具有多年技術積累，而國內(nèi)硅光工藝平臺處于起步階段。

硅光芯片的封裝仍存在挑戰(zhàn)。在光學封裝方面，耦合損耗較大；硅基光源效率低，而主流的混合集成方案，生產(chǎn)工藝與封裝校準要求嚴苛。在電學封裝方面，隨著性能的不斷提升，平均管腳密度將會大幅度增加，這也會為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。隨著硅光向三維集成方向的發(fā)展，光芯片將與電芯片統(tǒng)籌設計、制造、封裝，且封裝過程將與設計、制造過程緊耦合，這有可能使歐美傳統(tǒng)微電子大廠占得先機。

新產(chǎn)品與新應用正在起步

近年來，硅光產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴大。2016年，Yole預測后續(xù)硅光技術的整體市場將保持高速增長，2015年至2025年的10年間，復合增長率超過45%，到2025年硅光市場規(guī)模將超13億美元。而2018年，Yole將預測規(guī)模調(diào)整為2024年達到41.4億美元。

電子大廠與下游企業(yè)切入市場，縱向整合長期存在。硅光技術是光學技術和半導體技術的結(jié)合，隨著光學和專用集成電路（ASIC）逐步走向共同封裝，需要更緊密的設計關系，硅光技術的半導體屬性越來越強，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中電子公司的地位越來越高。Intel、IBM、STMicroelectronics、NEC、華為海思等公司均投入研發(fā)。下游客戶（大型互聯(lián)網(wǎng)公司、運營商、通信設備廠商等）也嘗試通過并購與合作積極布局硅光研發(fā)，呈現(xiàn)出下游客戶切入中上游制造過程的趨勢。這些廠商切入硅光模塊，與自身原有的產(chǎn)品相結(jié)合，將會降低整個設備的成本，如Facebook于2013年與Intel合作開發(fā)數(shù)據(jù)中心機架，Cisco于2018年宣布收購Luxtera并計劃于2020年完成收購Acacia，Ciena、Juniper、華為等領軍企業(yè)也紛紛通過此方式入局。

數(shù)據(jù)中心仍為硅光最主要應用場景。數(shù)據(jù)中心中連接數(shù)量大，節(jié)點間距離短，適用于數(shù)量大、成本敏感但對性能要求不高的模塊。尤其是在100G PSM4短距和400G高速應用方面，硅光優(yōu)勢明顯。據(jù)Yole預測，到2025年，硅光市場超過90%的應用將來自數(shù)據(jù)中心。

硅光新領域應用處于早期研發(fā)和起步階段。在5G方面，硅光調(diào)制器+直流大功率激光器技術在90℃~95℃高溫極端環(huán)境中存在用武之地。同時，硅光集成芯片規(guī)模商用有望使相干技術降低成本進而大批量應用于5G回傳光網(wǎng)絡。各廠商針對5G應用也紛紛推出相應產(chǎn)品，如Intel最新的100G硅光收發(fā)器可滿足5G無線前傳應用的帶寬需求并符合工業(yè)級溫度要求，Sifotonics 于OFC2019上展示了適用于遠距離5G前中回傳應用的雪崩二極管（APD）接收機模塊等。在高性能計算方面，通過光互聯(lián)、光神經(jīng)網(wǎng)絡、光量子計算等途徑均已實現(xiàn)樣機，如初創(chuàng)公司Ayar Labs宣布即將發(fā)布一款名為TeraPHY的光電I/O芯片，該芯片基于45nm CMOS SOI工藝，帶寬可達Tb/s數(shù)量級。在激光雷達方面，初創(chuàng)公司Voyant Photonics、OURS等研制出基于硅光技術的激光雷達測試芯片，具有低成本、高穩(wěn)定性、高速率等優(yōu)點。在生化傳感方面，傳統(tǒng)設備的尺寸、成本與靈敏度目前仍然存在問題，而硅光則提供了一種可能的解決方案。IBM公司展示了一種基于硅光技術的芯片級光譜儀，成本大幅降低。Genalyte公司開發(fā)了基于硅光傳感的快速血液檢測系統(tǒng)，宣稱只需1滴血就可以在15分鐘內(nèi)完成128項測試。對于這些新領域來說，整個產(chǎn)業(yè)鏈還處于發(fā)展早期，整體出貨量低，無法實現(xiàn) CMOS 大規(guī)模生產(chǎn)帶來的成本效應，也無法支撐良率提升和生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化，目前還主要是研究機構(gòu)和公司的一些初期成果。

硅光規(guī)?；l(fā)展需找準定位。硅光技術產(chǎn)品性能及成熟度仍有待提升，下游客戶驗證也需要時間，短期內(nèi)實現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展存在挑戰(zhàn)。從研發(fā)方角度，硅光技術前期投入大，只有得到大量部署其成本優(yōu)勢才會顯現(xiàn)；從應用方角度，希望看到成本下降后，才考慮大量使用。兩者之間存在一定矛盾，產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展還需找準定位，進行模式突破。預計硅光將在數(shù)量大、成本敏感但對性能要求不高、對集成小型化/光電緊耦合有強烈要求等場景中具有廣闊應用前景。