硅光子已成為未來趨勢

當格芯推出硅光代工平臺，誓要成為領先硅光子代工廠；長電科技預測硅光封裝成為未來趨勢之時，這項早在上世紀提出的技術，正悄悄改變著半導體行業。

云時代帶來的海量數據、逼近極限需要解決的節點間隙，這些可以通過光子解決的問題，正一步一步推動著硅光子前行。

阿里巴巴達摩院發布的2022十大科技趨勢中，硅光芯片是其預測的趨勢之一。隨著云計算與人工智能的大爆發，硅光芯片迎來技術快速迭代與產業鏈高速發展。達摩院預計未來三年，硅光芯片將承載絕大部分大型數據中心內的高速信息傳輸。

光網絡模塊市場預計2021年至2026年間的復合增長率為26％，到2026年可能達到40億美元。目前，硅光子技術主要用于通信領域，后續將逐步擴展到人工智能 （AI）、激光雷達和其他傳感器等新興應用中。

硅光技術發展優勢

在硅光子技術中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。從結構上看，硅光芯片包括光源、調制器、波導、探測器等有源芯片及源芯片。

硅光芯片將多個光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術主要有以下三大優勢：

①集成度高。硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件。

與傳統方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

②成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統的GaAs／InP襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。

近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

③波導傳輸性能優異。硅的禁帶寬度為1．12eV，對應的光波長為1．1μm。因此，硅對于1．1—1．6μm的通信波段（典型波長1．31μm／1．55μm）是透明的，具有優異的波導傳輸特性。

此外，硅的折射率高達3．42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

格芯推出新一代硅光子平臺Fotonix

格芯近日宣布，它正在與包括博通（Broadcom）、Cisco Systems， Inc、Marvell 和英偉達（NVIDIA）等公司，以及包括 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在內的突破性光子領導者合作，以提供創新、獨特、功能豐富的解決方案，來解決當今數據中心面臨的一些最大挑戰。

GF Fotonix 是一個單片平臺，也是業內第一個將其差異化的 300mm 光子學特性和 300GHz 級 RF－CMOS 集成在硅晶片上的平臺，可以大規模地提供一流的性能。

GF Fotonix 通過在單個硅芯片上結合光子系統、射頻 （RF） 組件和高性能互補金屬氧化物半導體 （CMOS） 邏輯，將以前分布在多個芯片上的復雜工藝整合到單個芯片上。

GF Fotonix 可在光子集成電路 （PIC） 上實現最高水平的集成，因此客戶可以集成更多產品功能，并簡化其材料清單 （BOM）。

終端客戶可以通過增加容量和能力來實現更高的性能。新解決方案還支持創新的封裝解決方案，例如大型光纖陣列的無源連接、2．5D 封裝和片上激光器。

GF Fotonix 解決方案將在公司位于紐約馬耳他的先進制造工廠生產，PDK 1．0 將于 2022 年 4 月推出。EDA 的合作伙伴 Ansys、Cadence Design Systems， Inc． 和 Synopsys 提供設計工具和流程，以支持格芯的客戶及其解決方案。

格芯為客戶提供參考設計套件、MPW、測試、制程前后、和半導體制造等服務，以幫助客戶更快地進入市場。

中國硅光子芯片的研究

工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片國產化率僅3％左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60％，高端光電子芯片國產化率突破20％。

國家層面，支持硅光技術的利好政策紛至沓來，各地政府也紛紛入局。上海市明確提出發展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模塊化技術、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關。

湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發展產業。在政策的扶持下，國內也研制出硅光芯片。

2021年12月，國家信息光電子創新中心、鵬城實驗室在國內率先完成了1．6Tb／s硅基光收發芯片的聯合研制和功能驗證，實現了我國硅光芯片技術向Tb／s級的首次跨越。

結尾：

當下，光子芯片的發展剛起步，整個產業鏈還未成熟，雖然我國依舊落后于歐美，但整體差距不大，有可能成為我國半導體行業換道超車的關鍵。

部分內容來源于：大印藍海科技：以光代電的硅光工； 半導體產業縱橫：寫在硅光技術爆發前夜；瞻研究：硅光技術，后摩爾時代的突圍方向