早在 1979 年，我國科學家錢學森就看好光子學，并圍繞光子學提出了光子工業(yè)的概念，而到現(xiàn)在很多設想依然沒有實現(xiàn)，許多價值還有待挖掘。[1]
如今，光芯片代表的光子學正與電子學引發(fā)一場科學革命，芯片從電到光，將是我國實現(xiàn)趕超的戰(zhàn)略機遇 [2]。光子革命已至，但若要光為人所用，其實也沒有想象中那樣容易。
光與電的完美配合
現(xiàn)代大多數(shù)芯片的本質(zhì)，就是將環(huán)境信號轉(zhuǎn)換為可精細操控的電信號，或?qū)⑻幚磉^的電信號轉(zhuǎn)換為環(huán)境信號的一個過程（如用電產(chǎn)生電熱或用洛倫茲力產(chǎn)生磁場）。同理，光也可轉(zhuǎn)化為電信號。實現(xiàn)光電信號相互轉(zhuǎn)換的核心器件，就是光芯片。沒有它，我們就無法與光交流。
光芯片早已深入每個人生活之中。你我都知道，家用電腦若要連接網(wǎng)絡，都要安裝光纖和“光貓”，讓這套系統(tǒng)正常運作的功臣，就是光芯片。
為什么一定是光芯片？
這是因為光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)幾十 Tb / s 的信息傳輸速率，實現(xiàn)低交換延遲和高傳輸帶寬，實現(xiàn)多路同時通信，同時擁有超低功耗的表現(xiàn) [2]。研究顯示，光基設備中的數(shù)據(jù)以光速移動，相比普通電子電路，移動速度快 10 倍。[3]
雖然光芯片是天賦型選手，但要在系統(tǒng)中發(fā)揮作用，還是離不開電芯片。二者與 PCB、結(jié)構(gòu)件、套管進一步構(gòu)成光器件，并以此為基礎加工為光模塊實現(xiàn)最終功能，最終應用于市場。
目前，光芯片的技術(shù)概念有多重含義，包括光通信、光計算、光量子等，應用廣泛分布在工業(yè)、消費、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域。但它的典型應用場景仍然是光通信，也是最核心的應用領(lǐng)域。
光通信中的光芯片
光通信指以光纖為載體傳輸光信號的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質(zhì)實現(xiàn)對光的控制。
在光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，光芯片是最核心的部分，一般分為 2.5Gb / s、10Gb / s、25Gb / s 及以上各種調(diào)制速率，速率越快對應的光模塊在單位時間內(nèi)傳輸?shù)男盘柫烤驮酱蟆?/p>
與此同時，光芯片也是光模塊物料成本結(jié)構(gòu)中占比最大的部分。通常而言，光芯片約占中端光模塊物料成本的 40%，一些高端光模塊中它的物料成本甚至能占到 50% 以上 [5]，反觀電芯片的成本通常占比為 10%~30%，越高速、高端的光模塊電芯片成本占比越高。[6]
按功能，光芯片主要分為激光器芯片和探測器芯片兩類。激光器芯片用于發(fā)射信號，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，按出光結(jié)構(gòu)進一步分為面發(fā)射芯片和邊發(fā)射芯片，主要包括 VCSEL、FP、DFB、EML；探測器芯片用于接收信號，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，主要包括 PIN 和 APD。
對光芯片來說，市場最大的訴求是高速率和高帶寬。自上世紀 60 年代開始，光芯片就在材料、結(jié)構(gòu)設計、組件集成和生產(chǎn)工藝方面不斷改進。目前 EML 激光器芯片大規(guī)模商用最高速率已達 100Gb / s，DFB 和 VCSEL 激光器芯片大規(guī)模商用最高速率已達 50Gb / s，與此同時，這些改變也讓光芯片擁有向更廣闊應用領(lǐng)域發(fā)展提供底氣，諸如車載激光雷達、醫(yī)療等。[4]
光芯片的生產(chǎn)制造是難點。生產(chǎn)工序依序為 MOCVD 外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等。其中，外延工藝是光芯片生產(chǎn)中最主要和最高技術(shù)門檻的環(huán)節(jié)，工藝水平直接決定了成本的性能指標和可靠性。一款優(yōu)秀的光芯片背后，是高昂的投入、極長的研發(fā)周期、較大的研發(fā)風險以及極快的技術(shù)更新速度。
由于光芯片處在產(chǎn)業(yè)鏈上游，會牽扯出復雜的原材料問題。其本身一般由化合物半導體所制造，主要以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的 III-V 族材料為襯底，通過內(nèi)部能級躍遷過程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進而實現(xiàn)光電信號相互轉(zhuǎn)換。除此之外，制造過程中還會用到電子特氣、光刻膠、濕電子化學品等原材料。
光芯片作為上游元件，市場主要受下游光模塊拉動。據(jù)國信證券測算，以光模塊行業(yè)平均 25% 的毛利率及 Light Counting 對光模塊全球超 150 億美元的市場規(guī)模預測估算，2021 年光芯片全球市場規(guī)模約為 35 億美元，預計 2025 年可達 60 億美元。[7]
隨著數(shù)據(jù)量需求爆炸式增長，人們對光芯片的速率要求越來越高，而學術(shù)界和工業(yè)界則將目光放到了硅光芯片上。
把光子和電子糅在一起
展望未來 3 年，硅光芯片（或光電融合）將是光通信的一大趨勢，它將支撐大型數(shù)據(jù)中心的高速信息傳輸。目前，硅光芯片技術(shù)研究由美國、歐洲和日本引領(lǐng)，100Gb / s、200Gb / s、400Gb / s 硅光系列產(chǎn)品占據(jù)全球相干光模塊市場約 30% 以上。[8]
顧名思義，硅光芯片就是在硅光子和硅電子芯片上取長補短，發(fā)揮二者優(yōu)勢。這一概念早在 40 年前就已誕生，但硅基發(fā)光一直是巨大難題，因此一般是以硅材料為基底，引入多種材料實現(xiàn)發(fā)光 [9]，分為 SOI（絕緣體上硅）、SiN、III-V 族（GaAs 和 InP）、硅襯底上鈮酸鋰薄膜四種制造平臺。[10]
復雜的材料學問題引發(fā)更多技術(shù)難題，諸如硅光耦合工藝、晶圓自動測試及切割、硅光芯片的設計工具等技術(shù)挑戰(zhàn)。另外，受制于產(chǎn)業(yè)鏈、工藝水平限制，硅光芯片還沒有在產(chǎn)能、成本、良率上凸顯優(yōu)勢。不過，硅光芯片的顛覆性引發(fā)了研究熱潮，技術(shù)日趨成熟，即將進入規(guī)?；逃秒A段。[11]
硅光芯片的作用遠不至此，它具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，在制造工藝上，與微電子器件類似，但又不必追求工藝尺寸的極限縮小，也許是幫助人們突破摩爾定律天花板的關(guān)鍵 [12]。更重要的是，做好它就相當于打通光子工業(yè)的關(guān)節(jié)?？茖W家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息，其中光計算就是重要先進領(lǐng)域之一。光通信的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以應用在光計算中，而光計算所要求的低損耗、高密度光子集成也會進一步促進光通信發(fā)展。未來 5 年~10 年，以硅光芯片為基礎的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。[13]
據(jù) Yole 預測，從 2020 年到 2026 年，硅光芯片的全球市場規(guī)模將從 8700 萬美元升至 11 億美元。其中，消費者健康、數(shù)據(jù)中心、光子計算、共封裝引擎、長距離收發(fā)器將是主要細分市場。[14]
理想是豐滿的，想要走那么遠，還是要腳踏實地，先做好現(xiàn)有的光通信芯片。
光芯片的追逐者
歐美日在光芯片上技術(shù)起步早、積累多，是市場的主導者。這些國家的研究機構(gòu)和先進企業(yè)通過不斷積累核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，建立起了極高的行業(yè)壁壘。
反觀國內(nèi)則起步較晚，高速率光芯片（25Gb / s 及以上速率）嚴重依賴進口，與國外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在明顯差距。數(shù)據(jù)顯示，我國 2.5Gb / s 光通信芯片國產(chǎn)化率接近 50%，但 10Gb / s 及以上的光通信芯片國產(chǎn)化率卻不超過 5%，非常依賴 Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
與此同時，雖然光芯片國產(chǎn)商普遍擁有晶圓外延環(huán)節(jié)以外的后端加工能力，但核心的外延技術(shù)并不成熟，高端的外延片需要進口，大大限制了高端光芯片發(fā)展。
2017 年，中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》中指出，我國廠商只掌握了 10Gb / s 速率及以下的激光器、探測器、調(diào)制器芯片以及 PLC / AWG 芯片的制造工藝和配套 IC 的設計、封測能力，高端芯片能力比國際落后 1~2 代以上，且缺乏完整、穩(wěn)定的光芯片加工平臺和人才，導致芯片研發(fā)周期長、效率低，逐漸與國外的差距拉大。彼時明確了重點是 25Gb / s 及以上速率激光器和探測器芯片。[18]
到了 2022 年，國產(chǎn)高端光芯片有明顯突破，但依舊大幅落后于國際巨頭。而關(guān)鍵的 25Gb / s 激光器和探測器芯片方面，源杰科技、武漢敏芯、云嶺光電、光迅科技等企業(yè)開始量產(chǎn)，不過整體銷售規(guī)模仍然較小。以源杰科技為例，其 10Gb / s、25Gb / s 激光器芯片系列產(chǎn)品出貨量在國內(nèi)同類產(chǎn)品中已名列前茅，但其 2022 年上半年銷售額僅為 4100 萬元。[19]
對國產(chǎn)光芯片追逐者來說，分工模式是關(guān)鍵。芯片行業(yè)分為 Fabless（設計公司）和 IDM（設計、制造、封裝全流程）兩種模式，其中 IDM 模式是主導光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圓外延技術(shù)；另一方面，由于采用 III-V 族半導體材料，因此要求光芯片設計與晶圓制造環(huán)節(jié)相互反饋驗證。
縱覽市場，國產(chǎn)光芯片典型玩家均選擇了 IDM 模式，如仕佳光子、長光華芯、源杰科技。一方面，IDM 能夠及時響應市場需求，靈活調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各種工藝參數(shù)；另一方面，能夠高效排查問題，精準觸達產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、測試環(huán)節(jié)問題；另外，IDM 模式形成了完整的閉環(huán)流程，不僅全部自主可控，同時能夠有效保護知識產(chǎn)權(quán)。[21]
近兩年，光芯片在投融資界也熱鬧異常。據(jù)果殼硬科技統(tǒng)計，25Gb / s 及以上高速率光芯片、車用激光雷達芯片和硅光電子（光電融合）是最為熱門和吸金的賽道，也是商業(yè)化較近的項目。另一些項目則更聚焦在未來，如光計算、光量子，這些項目商業(yè)化進程動輒十年、二十年，非常具有前瞻性。
掌握先進的光芯片技術(shù)，是各國爭相競逐的關(guān)鍵。以美國為例，不僅在政策上不斷傾斜，以 IBM、Intel 為代表的工業(yè)巨頭、以 MIT、UCSB 為代表的學術(shù)界領(lǐng)軍機構(gòu)都在不遺余力地發(fā)展大規(guī)模光子集成芯片。另外，歐盟的“地平線 2020”計劃和日本的“先端研究開發(fā)計劃”中也涉及光電子集成研究項目。[22]
種種動作，預示著一場以光為核心的科技革命，正在醞釀之中。
中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊曾提出“米 70 定律”，即光學技術(shù)是推動科技產(chǎn)品進步的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，光學成本占未來所有科技產(chǎn)品成本的 70％。[23]
縱觀歷史，科技革命的擴散周期大約為 60 年，集成電路從 20 世紀 60 年代誕生至今也已過去 60 年 [2]，光芯片無疑是引領(lǐng)下一個 60 年的關(guān)鍵。當然，光子也并不是要完全替代掉電子，而是相互協(xié)同。
屬于光芯片的時代已經(jīng)到來，但芯片行業(yè)一直殘酷地循環(huán)著優(yōu)勝劣汰和洗牌，誰能追逐得更快，誰才會成功。
References：
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[6] 浙商證券股份有限公司：關(guān)注光芯片國產(chǎn)化機會.2020 年 6 月第 4 期.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202006291388250871_1.pdf?1593463535000.pdf
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[10] 馬浩然，李筱敏，王曰海，楊建義.硅基光子芯片研究進展與挑戰(zhàn) [J].半導體光電，2022,43 (02):218-229.
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[12]《中國科學報》：百納米就好使！光芯片緩解芯片瓶頸難題.2021.5.21.https://mp.weixin.qq.com/ s / evr_f5spjD8yfEplYmHTfA
[13] 阿里達摩院：2022 年十大科技趨勢.https://damo.alibaba.com/ techtrends / 2022 / silicon-photonic-chips?lang=zh
[14] Yole：Silicon photonics sticks its head above the parapet.2021.11.23.https://www.i-micronews.com/silicon-photonics-sticks-its-head-above-the-parapet/?cn-reloaded=1
[15] 華西證券：硅光：“超越摩爾”新路徑，厚積薄發(fā)大未來.2022.1.14.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202201171540919727_1.pdf?1642417584000.pdf
[16] 國泰君安證券股份有限公司：關(guān)于陜西源杰半導體科技股份有限公司輔導備案的申請報告.2020.9.2.http://www.csrc.gov.cn/ shaanxi / c101329 / c1404264/1404264 / files / 1614654318079_45691.pdf
[17] 國信證券：光器件行業(yè)研究框架與投資機會梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
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[19] 光通信觀察：五年之期屆滿，我國光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀如何？.2022.7.5.https://mp.weixin.qq.com/ s/516umRgzweTXF1XX8fyBTw
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[21] 新華報業(yè)網(wǎng)：IDM 模式賦能，陜西源杰科技有望實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展.2022.7.27.http://www.xhby.net/ sy / cb / 202207 / t20220727_7632733.shtml
[22] 大規(guī)模光子集成芯片 [J]. 中國科學院院刊，2016, 31 (Z2): 192-194.http://www.bulletin.cas.cn/ publish_article / 2016 / Z2/2016Z241.htm
[23] DeepTech 深科技：國內(nèi)對光最“執(zhí)著”的投資力量：7 年投資 80 家光科技初創(chuàng)，靜待光子集成時代爆發(fā).2020.6.11.https://mp.weixin.qq.com/ s / UV1N4BWKrXbk6ODht_O1eQ
本文來自微信公眾號：果殼硬科技 （ID：guokr233），付斌丨作者 李拓、劉冬宇丨編輯
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