光晶片步入「黃金時代」

光通信產業鏈

光晶片迎來發展機遇

半個世紀以來，微電子技術大致遵循著「摩爾定律」快速發展，隨著信息技術的不斷拓寬和深入，晶片的工藝製程已減小到 5nm 以下，但由此帶來的串擾、發熱和高功耗問題愈發成為微電子技術難以解決的瓶頸。

同時，在現有馮諾依曼計算系統採用存儲和運算分離的架構下，存在「存儲牆」與「功耗牆」瓶頸，嚴重製約系統算力和能效的提升。此外，處理器與內存之間、處理器與處理器之間信息交互的速度嚴重滯後於處理器計算速度，訪存與I/O瓶頸導致處理器計算性能有時只能發揮出10%，這對計算髮展形成了極大制約。

電子晶片的發展逼近摩爾定律極限，繼續在電子計算技術範式上尋求突破口步履維艱。在面向「後摩爾時代」的潛在顛覆性技術里，光晶片已進入人們的視野。

光晶片，一般是由化合物半導體材料（InP和GaAs等）所製造，通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收，進而實現光電信號的相互轉換。

微電子晶片採用電流信號來作為信息的載體，而光子晶片則採用頻率更高的光波來作為信息載體。相比於電子集成電路或電互聯技術，光晶片展現出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、以及更強的抗電磁干擾能力。

此外，光互聯還可以通過使用多種復用方式（例如波分復用WDM、模分互用MDM等）來提高傳輸媒質內的通信容量。因此，建立在集成光路基礎上的片上光互聯被認為是一種極具潛力的技術，能夠有效突破傳統集成電路物理極限上的瓶頸。

光子晶片展望

回顧光晶片發展歷程，早在1969年美國的貝爾實驗室就已經提出了集成光學的概念。但因技術和商用化方面的原因，直到21世紀初，以Intel和IBM為首的企業與學術機構才開始重點發展矽晶片光學信號傳輸技術，期望能用光通路取代晶片之間的數據電路。

近年來隨著技術的發展，包括矽、氮化矽、磷化銦、III-V族化合物、鈮酸鋰、聚合物等多種材料體系已被用於研發單片集成或混合集成的光子晶片。

在過去數年裡，光子集成技術的發展已經取得了許多進展和突破。

據了解，目前純光子器件已能作為獨立的功能模塊使用，但是，由於光子本身難以靈活控制光路開關，也不能作為類似微電子器件的存儲單元，純光子器件自身難以實現完整的信息處理功能，依然需藉助電子器件實現。因此，完美意義上的純「光子晶片」仍處於概念階段，尚未形成可實用的系統。嚴格意義上講，當前的「光子晶片」應該是指集成了光子器件或光子功能單元的光電融合晶片，仍存在無法高密度集成光源、集成低損耗高速光電調製器等問題。

光子集成電路雖然目前仍處於初級發展階段，不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。光子晶片需要與成熟的電子晶片技術融合，運用電子晶片先進的製造工藝及模塊化技術，結合光子和電子優勢的矽光技術將是未來的主流形態

矽基光電子集成晶片概念圖

高速數據處理和傳輸構成了現代計算系統的兩大支柱，而光晶片將信息和傳輸和計算提供一個重要的連接平台，可以大幅降低信息連接所需的成本、複雜性和功率損耗。隨著光晶片技術的發展疊代，大型雲計算廠商和一些企業客戶的需求都在從100G過渡到400G，400GbE的數據通信模塊出貨量翻了一倍，在2021年達到創紀錄的水平。

由此可見，光器件行業整個產業鏈都在持續向滿足更高速率、更低功耗、更低成本等方向演進升級，800G及更高速率產品也逐漸開始使用，不同細分領域都面臨新技術的疊代和升級。

迄今為止，矽光子商業化較為成熟的領域主要在於數據中心、高性能數據交換、長距離互聯、5G基礎設施等光連接領域，800G及以後矽光模塊性價比較為突出。此外，Yole認為未來幾年內增長最快的將是汽車雷射雷達、消費者健康和光子計算領域的應用。

光晶片賽道「高手雲集」

光晶片的廣闊市場前景自然吸引了眾多廠商「搶食」。

從市場格局來看，美國是矽光子領域起步最早也是發展最好的國家，1991年美國便成立了「美國光電子產業振興會」，以引導資本和各方力量進入光電子領域。2014年，美國又建立了「國家光子計劃」產業聯盟，明確將支持發展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發。

歐洲和日本也在跟進，中國大概在2010年以後開始入局光晶片賽道。另外，新加坡的IME也是較早建立矽光子工藝的平台之一，為行業的發展作出了不小的貢獻。

從當前產業鏈進展看，全球光晶片產業鏈已經逐漸成熟，從基礎研發到製造工藝再到商業應用的各個環節均有代表性企業。其中以英特爾、思科、英偉達、格芯等為代表的企業占據了矽光晶片和模塊出貨量的大部分，成為業內領頭羊。

英特爾：光晶片賽道「領頭羊」

雖然是貝爾實驗室提出的光晶片技術的概念，但將其發揚光大的卻是英特爾。

英特爾從20多年前就開始進行矽光子學研究，直到2016年才將其第一批矽光子光學收發器投入使用，標誌著光子集成真正進入到主流應用領域。

英特爾第一個產品是100G PSM4 QSFP，在並行單模光纖上具有2公里的距離，並且在發射器晶片上具有磷化銦層，實現了四個混合雷射器和用於將電信號轉換為光的調製器和光電檢測器以將光轉換為電信號。該方案通過提供快速、可靠和經濟高效的連接能力而提供巨大的價值。

2017年下半年英特爾開始大批量供應100G產品；2018年英特爾將其100G矽光收發器產品組合擴展到數據中心之外進入網絡邊緣，公布了為加速新的5G應用場景和物聯網應用產生的大量數據轉移而優化的新矽光產品；同年，英特爾還展示出了其400G矽光能力；2020年英特爾開始開發其200G FR4和400G DR4光學收發器...

據知乎博主「溜達兔」介紹，從2016年英特爾將其矽光子產品「100G PSM4」投入商用起，截止目前，英特爾已經為客戶提供了超過400萬個100G的矽光子產品。而在2020年的英特爾研究院開放日活動上，英特爾又提出了「集成光電」願景，即將光互連I/O直接集成到伺服器和封裝中，對數據中心進行革新，實現1000倍提升，同時降低成本。

在高速網絡交換晶片市場，英特爾正在力推Tofino方案，其中包括了自研的矽光子技術和高級封裝技術，即光電共封技術(co-packaged，CPO）。

光電共封就是把將光晶片和電晶片(交換晶片)焊接在同一個基板上，晶片之間採用光連接，對於高速晶片來說，可以解決功耗，散熱，和埠密度等問題。英特爾為可編程乙太網交換機晶片技術而收購Barefoot時，顯然也是考慮到了光電共封CPO技術。

目前，英特爾已經能做到在CMOS晶片緊密集成的單一技術平台上，將多波長雷射器、半導體光學放大器、全矽光電檢測器以及微型環調製器集成到一起，目前已經實現集成光子器件模塊晶片的量產應用。

在今年OFC會議上，英特爾展示了其可靠的InP雷射器、240Gbps的微環調製器及其控制電路。在這些核心IP的基礎上，英特爾演示了800G的矽光發送器，並展示了其在CPO與Optical I/O的布局，三個方向都在穩步向前推進。

英特爾800G矽光模塊示意圖

綜合來看，英特爾在矽光產品線的整體布局如下圖所示，包括Transceiver, CPO和Opitcal I/O，其帶寬與能效比也是逐步提升。

相對於其他採用代工廠的品牌來說，英特爾的優勢還在於其一直走的都是一體化IDM模式，按照英特爾的說法，「英特爾是唯一一家在軟體、矽和平台、封裝和工藝方面具有深度和廣度的公司。」

此外，對高塔半導體（Tower Semiconductor）的收購又填補了英特爾在光子晶片領域的技術實力。今年1月份，高塔半導體聯合網絡通訊設備公司瞻博網絡(Juniper Networks)推出矽光子代工工藝，可將III-V族雷射器、半導體光放大器(SOA)、電吸收調製器(EAM)和光電探測器與矽光子器件共同集成在一顆單晶片上，構成尺寸更小、具有更多通道數且更節能的光學架構和解決方案。

憑藉英特爾在矽光子工藝和封裝技術領域的積累，未來或將會成為該領域的有力競爭者。

Ayar Labs：光晶片賽道明星初創公司

除了自研之外，英特爾還在持續入股相關公司。近期投資了光晶片行業明星初創企業Ayar Labs。

據介紹，Ayar Labs的光學I/O解決方案消除了與系統帶寬、功耗、延遲和範圍相關的瓶頸，顯著改進了現有系統架構，並為人工智慧、高性能計算、雲、電信、航空航天和遙感應用。據透露，Ayar Labs已經批量出貨了第一批產品，預計到今年年底將出貨數千個封裝內的光學互連晶片。

Ayar Labs的專利技術採用行業標準的矽加工工藝，開發了高速、高密度、低功耗的光互連晶片和雷射器，以取代傳統的電學I/O互連。Ayar Labs的高度差異化技術對於支持未來的高性能計算架構至關重要。

此外，為Ayar打開錢包的還有英偉達、惠普、應用材料以及晶片製造商格芯等科技公司和十幾家投資公司的支持，Ayar與格芯攜手開發了許多關鍵封裝技術，其中包括銅柱技術和V型槽光纖連接技術等。

博通：CPO技術競爭愈發激烈

博通（Broadcom）是全球領先的有線和無線通信半導體公司，也是VCSEL晶片的主要供應商之一。在光學數據通訊市場產品供應豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學模組以及自適應光纜等。

博通去年初發布了兩款支持光電共封（Co-Packaged Optics簡稱CPO）技術的下一代交換ASIC晶片概念，首款25.6Tb Humboldt晶片預計在2022年年底推出，51.2Tbps晶片Bailly則將於2023年後發布。博通同時宣布計劃推出基於矽光技術的支持與DSP合封的800G DR8 可插拔光模塊，以及下一步與CPU和GPU共封的計劃。

可以看到，在頂級高端交換晶片領域的光電共封CPO技術的競爭將越來越激烈。

思科：收購入局

思科於2012年、2019年收購Lightwire、Luxtera(矽光市占率35%)及Acacia公司，快速布局矽光領域，成為了收發器、交換機和通用共同封裝光學器件矽光子學領域的領導者。

目前思科使用台積電來滿足他們的一些光子學需求，思科還與英特爾、格芯在製造方面建立了合作夥伴關係。

Lightwire在CMOS纖維光學和封裝設計方面擁有專業優勢，通過將多種高速主動和被動光纖功能整合到一小塊矽基片上的方式在光纖互聯領域取得一些創新成果；

Luxtera曾研發世界第一款CMOS光子器件，為最早推出商用級矽光集成產品的廠商之一，2015年發布100G PSM4矽光子晶片；

Acacia 400G矽光模塊方案主要是將分離光器件集成為矽光晶片的基礎上再與自研DSP電晶片互聯，最終外接雷射器進行封裝，已於2020年開始送樣給客戶。

英偉達：以光器件破局

由於收購了Mellanox，英偉達成為了頂級網絡供應商。此外，英偉達還收購了一些光子學公司，包括瑞典的OptiGOT，同時還為Infiniband網絡中使用的光子收發器進行了一些設計。英偉達擁有用於交換機的完整IP陣列，由於其作為AI訓練和加速計算的領先公司，他們遇到了與計算應用程式相關的最難的I/O功率擴展問題。

由於新的人工智慧模型在參數數量上的爆炸式增長，英偉達在性能和功率方面陷入了困境，需要共同封裝的光學器件才能繼續在AI中擴展。

英偉達之前曾提出過與共封裝光子學相關的研究，直到2019年英偉達宣布以69億美元的價格收購光纖互連領軍者Mellanox。於Mellanox在2013年收購Kotura時所獲得的技術，此次交易將為英偉達帶來矽光子產品組合，使數據處理和互連構成同一解決方案的組成部分。

格芯：光子技術代工「佼佼者」

在工藝方面，格芯（GlobalFoundries）是矽光子技術方面的投入程度可能是幾家主流代工廠中最積極的。

格芯從數年前就開始積極布局，目前能提供先進的矽光子工藝平台，包括各種光波導、相移器、極化器、光二極體等等，除了矽光子工藝之外，格芯還提供高級封裝選項，幫助客戶實現CPO技術。

前不久，格芯推出新一代矽光子平台Fotonix，實現了多項複雜工藝整合至單個晶片的功能，把光子系統、射頻組件和CMOS集成到同一塊晶片上。格芯將300mm光子學特性和300Ghz級別的RF-CMOS工藝集成到矽片上的平台，可以提供一流、大規模的性能。

據公布資料顯示，目前其Fotonix平台的客戶包括Broadcom、Marvell、Nvidia、Synopsys、Cisco等矽光子領域的重要廠商，以及 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 等光子技術廠商，未來前景大有可觀。

GF Fotonix 解決方案將在格芯位於紐約州馬爾他的先進位造廠中生產，為客戶提供參考設計套件、MPW、測試、晶圓廠前端和後端服務、交鑰匙和半導體製造服務，幫助客戶更快地將產品推向市場。格芯允許客戶在晶片上封裝更多產品功能並「簡化他們的材料清單」，GF Fotonix 也支持各種晶片封裝解決方案，包括用於更大光纖陣列的無源附件、2.5D 封裝和片上雷射器。

格芯是目前唯一能提供 300mm 單晶片矽光解決方案的純晶圓代工廠，該解決方案展示了出色的單位光纖數據傳輸速率（0.5Tbps/光纖）。這樣可以構建 1.6-3.2Tbps 的光學小晶片，從而提供更快速高效的數據傳輸，並帶來更好的信號完整性。此外，由於系統誤碼率降低到了萬分之一，它還能夠支持下一代人工智慧。

Ayar Labs 執行長 Charles Wuischpard 也指出，在創立早期就已經與格芯在 GF Fotonix 開發方面展開合作，從集成 PDK 和工藝優化，到展示第一顆可以工作晶片，Ayar Labs 的單晶片電子/光子解決方案與 GF Fotonix 相結合，打開了晶片之間的光學 I/O 市場的巨大的機遇，為年底之前批量生產做好了準備。

除了格芯外，高塔半導體推出了PH18DA製造工藝，能夠降低成本，提高功率效率，並簡化封裝；台積電也推出了用於矽光子晶片的先進封裝技術——COUPE（緊湊型通用光子引擎）異構集成技術。但相比起定位於全球領先的矽光子代工廠的格芯和擁有自己矽光代工平台的英特爾，其它代工廠商的布局仍稍顯不足。

新思科技：生態系統的「加速器」

由於涉及大量複雜的混合信號，光子代工過程非常困難，驗證設計的工作原理也非常困難。Synopsys、Cadence和Ansys等廠商與製造廠合作進行PDK開發和仿真是創建強大的設計生態系統的關鍵。

以新思科技（Synopsys）為例，其光電統一的晶片設計解決方案 OptoCompiler 可助力開發者更好地在 矽光平台上進行創新，可為光子晶片提供完整的端到端設計、驗證和簽核解決方案。OptoCompiler 將成熟的專用光子技術與業界領先的仿真和物理驗證工具相結合，開發者能夠對複雜的光子晶片進行快速、準確的設計和驗證。

近期，新思科技與瞻博網絡聯合成立了面向矽光子市場的 OpenLight 公司，旨在加速高性能光子集成電路的開發，OpenLight將其雷射集成作為其技術的一個關鍵優勢，希望能夠吸引那些希望為矽光子應用生產晶片的客戶。

OpenLight技術已通過Tower Semiconductor的PH18DA製造工藝的資格和可靠性測試，通過將用於半導體雷射器的磷化銦材料直接加工到矽光子晶片上。

中國光晶片產業的進展與出路

反觀國內市場，近些年在下游需求大幅擴張的帶動下，國內廠商通過技術研發、對外收購等多種方式嘗試打造中國的光晶片產業。

工信部2017年底發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018—2022年）》指出，目前高速率光晶片國產化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子晶片的國產化率超過60%，高端光電子晶片國產化率突破20%。

資料來源：中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018-2022年)

從上圖可以看到，國產高端光晶片的缺失給行業帶來了巨大發展機會。在政策支持下，我國光晶片行業發展迅速。尤其近年來，國際局勢不穩，國外斷供國內晶片的事件頻頻發生，國產替代也便成為了近年國內半導體業界的熱門話題，依靠國內部分光晶片龍頭企業的不斷發力，在50G/400G等PAM4光模塊產品已經實現了較大突破，已先後推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等產品，後續50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也將陸續發布。

據不完全統計，目前本土光晶片/光模塊廠商主要有：芯思傑、瑞識科技、新亮智能、度亘雷射、長瑞光電、立芯光電、源傑半導體、銳晶雷射、索爾思光電、長光華芯、華工科技、光迅科技、新易盛、雲嶺光電、敏芯半導體、博創科技、中際旭創、縱慧芯光、曦智科技、劍橋科技、凌越光電、盛為芯等企業。

此外，國內通信龍頭企業華為也在積極布局光晶片賽道。

據投資界信息，2012年，華為收購英國集成光子研究中心CIP Technologies，開啟了光晶片領域的探索；次年，華為又出手收購一家比利時矽光技術開發商Caliopa，完善自身在光晶片領域的技術實力。

而後自2019年下半年開始，華為再次集中投資光電晶片企業，一度掀起國內光晶片投資熱潮。今年3月，華為又投了另一家光電晶片企業——縱慧芯光。據不完全統計，截至目前，華為投資布局版圖涉及十餘家光晶片產業鏈相關企業。

2020年2月，華為還在倫敦發布了800G可調超高速光模塊。據介紹，該產品支持200G-800G速率靈活調節；單纖容量達到48T，對比業界方案高出40%；基於華為信道匹配算法，傳輸距離相比業界提升20%。這款產品被應用在全系列的華為OptiXtrans光傳送產品中，是華為光網絡頂級競爭力的重要組成部分。

去年4月，華為還公布了一項關於光學晶片的專利，名為「耦合光的光學晶片及製造方法」，專利中不僅提供了一種用於在光學晶片與另一光學器件之間耦合光的光學晶片，同時還提供了製造這種光學晶片的方法，甚至還包含了對晶圓的切割、蝕刻。

一系列動作也能看到華為在光晶片賽道的專注與堅持。換句話說，華為確信光晶片是未來數據傳輸的技術之光。

雖然國產廠商進入該領域較晚，市場份額相對較小。但是通過近年來在技術上的快速追趕，國內已經掌握光晶片核心技術的廠商隊伍不斷壯大，與國外廠商在技術上的差距已經是越來越小。

據維科網產業研究中心的統計，過去八年間，國內光晶片市場規模已經從8億美元攀升至20.8億美元，年均復合增長率約17.3%。同時，根據我國在5G、數據中心、「西數東算」、「雙千兆」網絡的規劃，預計2022年國內光晶片市場規模有望進一步擴大至24億美元。

對我國而言，既要在傳統賽道電子晶片領域儘快補短板，也要儘早在光子晶片等新賽道布局發力。雙管齊下，努力抓住新一輪科技革命和產業變革的機遇。

光晶片，已成為當前業內關注的焦點，也是創投圈最吸金的賽道之一。

隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術已經成為目前半導體領域的關鍵任務。將光子和集成電路的電子結合在一起，甚至是用光子替代電子形成「片上光互聯」，以實現對現有光模塊產業鏈的重塑，正成為半導體行業數個「顛覆式創新」中的重要方向之一。

正如陝西光電子先導院執行院長米磊所言：「迎著智能化曙光，未來將掀起光子技術產業的革命，類似於從電子工業的電晶體邁入集成電路時代的技術革命，集成光路將是半導體領域60年一遇的「換道超車」的重要機遇。」