本文来自格隆汇专栏：半导体行业观察；作者： Martin Vallo
自 1985 年以来，硅光子技术从最初的高约束波导（high confinement waveguides）发展到战略性地采用 CMOS 技术，确立了其在收发器领域的主导地位。未来几年，硅光子技术有可能扩展到广泛的创新应用领域。
进入2023 年以来，硅光子技术，尤其是光计算、光 I/O 和各种传感应用，一直受到热捧，并得到了大量投资。各种应用中的主要技术将很快被基于光学的设计和架构所取代，这似乎是合乎逻辑的。巨头们预测，光学将是必需的，并将很快变得无处不在，而初创公司正在通过研发开发新的应用。那么，我们能期待这一预测很快实现吗？
虽然有许多论点认为光子学必须与电子学相结合，但最大的硅光子学市场--数据通信插接件（datacom pluggables）--的收入仅占数据通信收发器收入的 12%左右（预计到 2028 年将达到 30%）。半导体市场正遭受长期衰退，导致客户的购买行为更加务实。DC operators更青睐历史悠久、成本低廉的技术解决方案。Yole Intelligence 的市场调研显示，硅光子技术尚未成为主要技术，即使是 500 米范围内的数据中心内部互连也是如此。
在这种情况下，硅光子技术仍然是一项正在积极开发的技术，具有广泛的潜在应用，预示着地平线上将出现大有可为的机遇。在未来十年中，将出现领跑者，导致行业整合。然而，广泛的应用领域将确保该技术有大量的扩展和扩散机会。
Yole Group 在其最新的《2023 年硅光子技术》报告中估计，2022 年硅光子 PIC 市场价值为 6800 万美元，预计 2028 年将超过 6 亿美元，2022-2028 年复合年增长率为 44%（CAGR2022-2028）。这一增长将主要由用于提高光纤网络容量的 800G 高数据速率可插拔模块推动。此外，对快速增长的训练数据集规模的预测表明，数据将需要使用光来扩展 ML 模型，在 ML 服务器中使用光 I/O。
图 1：各种硅光子应用的增长预测。数据中心的大量需求，尤其是人工智能（AI）和机器学习（ML）领域的需求，预计将在未来十年内不断增长。在传统的以处理器为中心的计算架构和铜互连技术下，基于 3 纳米技术的最先进芯片已接近其物理极限，而对更快数据传输的需求却在激增。因此，能够促进高速通信的硅光子技术已成为首要关注点。
包含光 I/O 的架构可以简化计算节点和内存池之间的访问，利用光学的扇出功能最大限度地减少访问资源所需的交换跳数。博通公司的战略计划勾勒出了交换芯片的发展轨迹，预计将从今年的 51.2 Tb/s（5 纳米工艺节点）增长到 2025 年的 102.4 Tb/s（3 纳米工艺节点），到 2027 年将达到惊人的 204.8 Tb/s（2 纳米工艺节点）。这一指数级增长将极大地促进硅光子技术在网络应用中的发展，为未来大幅提高数据容量铺平道路。硅光子技术为具有大批量可扩展性需求的应用提供了一个多功能平台。
硅光子技术最主要和最直接的应用领域是数据中心，英特尔公司在该领域占据主导地位（最近把这个业务卖给了捷普？）。第二个主要的大容量应用领域是电信，Acacia 就是一个例子，它受益于硅处理的稳定和卓越性能。第三个广泛的应用领域包括光学激光雷达系统，该领域潜力巨大，但面临着成本和二维光束扫描方面的挑战。三维集成（将两个芯片安装在同一硅衬底上）对于实现无缝控制至关重要。光学陀螺仪需要尺寸较大的芯片来安装灵敏的旋转传感器，而硅衬底和氮化硅波导可从中获益。量子计算在不断发展的人工智能和机器学习领域举足轻重。光学计算是注重效率的任务的理想选择，备受业界关注并有望产生重大影响。
先进的光子元件及其在医疗领域的应用可以改变医疗保健，实现更快、更精确的诊断、治疗和患者监测。要实现临床应用，必须克服监管和标准化方面的挑战。基于硅光子技术的医疗应用前景广阔，在各种医疗保健和医疗领域具有巨大潜力。将硅光子技术扩展到可见光谱显示了未来发展的潜力，提供了广泛的创新应用。
硅光子技术产业格局正在形成，参与者多种多样，包括：主要的垂直整合参与者（英特尔、思科、Marvell、Broadcom、Nvidia、IBM 等）；积极参与硅光子产业的企业；初创企业和设计公司（AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence）；研究机构（UCSB、哥伦比亚大学、斯坦福工程学院、麻省理工学院等）；代工厂（GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、TSMC 等）；以及设备供应商（应用材料公司、ASML、Aixtron 等）。所有这些参与者都为公司的大幅增长和多样化做出了贡献。
英特尔是这一领域的领导者，在研发方面投入了大量资金。有许多初创公司专注于硅光子技术，旨在为市场带来创新。这些初创公司通常专注于特定应用或新技术，如高速收发器、光互连和激光雷达系统。大学和研究机构在推动硅光子技术发展方面发挥着至关重要的作用，它们经常与行业合作伙伴合作开发尖端技术并分享知识。
图 2：大量潜在应用预示着大有可为的机遇即将到来。代工厂提供硅光子学服务，帮助其他公司制造光子芯片。这些代工厂通常使用先进的制造工艺，如 CMOS（互补金属氧化物半导体）技术来生产这些芯片。设备供应商提供制造硅光子设备所需的工具。这些工具的质量和精度对生产高性能光子元件至关重要。
硅光子产业的特点是不断进行研发、建立战略合作伙伴关系，以及参与者之间为推动技术发展而开展合作。由于硅光子代工厂的出现和该领域专业知识的不断增长，更多的公司也更容易获得该技术。该技术能够提高数据传输速度、降低能耗并实现各种应用，因此是一个前景广阔的产业增长领域。
英特尔仍然是数据通信市场的领导者，在出货量和收入方面都占据了 61% 的市场份额，紧随其后的是思科、Broadcom 和其他较小的公司。
Yole Intelligence 预计，随着其他公司近期加强产品组合并将 PIC 商业化，英特尔将失去其主导市场份额。在电信领域，思科（Acacia）占据了近 50% 的市场份额，其次是 Lumentum（Neophotonics）和 Marvell（Inphi）。相干可插拔 ZR/ZR+ 模块推动了电信硅光子市场的发展。
图 3：英特尔、思科、Marvell... 硅光子产业对其未来价值充满信心。英特尔最近把水搅浑了，不仅未能完成对 Tower 公司的收购，还将其基于硅光子技术的可插拔模块生产线剥离给了捷普公司（Jabil）。英特尔正在努力重新夺回芯片生产技术的领先地位，希望与 Tower 公司的合并能帮助其加速转型，成为其他芯片设计公司的主要制造商。此次收购的失败将迫使英特尔将其代工服务（IFS）部门的业务战略重点完全放在领先的工艺技术上。由于技术是中美紧张经济关系中的主战场，这也会让与中国关系密切的美国公司进一步感到寒意。
英特尔最近做出战略决策，将其生产线移交给捷普，从而优化运营效率，降低成本，并利用捷普的专业技术更好地服务客户，保持市场竞争力，提高盈利能力。英特尔正在将重点转向开发和生产价值更高的部件，如处理器和计算平台，这些部件与即将推出的专为分解数据中心设计的光互连产品密不可分。该公司正将重点放在硅光子元件上，这些元件对于新兴的传感应用（如汽车行业或医疗用途）至关重要。
图 4：2022 年数据通信和电信模块的收入市场份额。
图 5：2021-2028 年激光技术在数据通信可插拔模块中的渗透率。
图 6：1992-2030 年硅光子集成路线图。硅光子学是一项先进技术，需要高水平的制造技能，而中国仍然缺乏这种技能。中国公司还处于原型或样品阶段，需要依靠外部合作才能批量供应硅光子收发器或光学引擎。2014 年，华为和 imec 在光数据链路技术的联合研究中加入了硅光子技术。在此之前，华为收购了从 imec 和根特大学分离出来的硅光子光学收发器开发商 Caliopa。最终，华为与 imec 的合作被终止，ASML 的 EUV 光刻系统也于 2019 年被禁止向中国发货。在被美国商务部列入实体名单后，华为仍在继续开展研究，这对其电信设备业务至关重要。中国对硅光子技术进行大量投资的动机十分强烈。
硅光子学的技术途径是什么？
尽管硅作为光发射器存在缺陷，但最近的突破性进展引入了在硅上制造有源光学元件的创新方法，并在短短几年内实现了量产。值得注意的是，硅的内部量子效率较低，而直接带隙 III-V 材料的效率接近 100%。早在 20 世纪 90 年代，高亮度 LED 应用中的键合 LED（GaP 上的砷化镓）取得成功后，人们就预计将 III-V 材料键合到硅上也会非常有效。
加州大学伯克利分校与英特尔公司的合作在解决制造问题和实现大批量生产方面发挥了关键作用。硅光子学的途径似乎是通过量子点（QD）实现单片集成。传统的 InP PIC 需要五到六种再生长方法，调制器、激光器和探测器可以并排粘合在一起并一起加工，具有固有的优势。然而，由于 III-V 基板的尺寸远远小于 300 毫米，基板的成本并不低，这促使人们对单片集成的兴趣与日俱增。因此，片上激光器的单片集成技术为实现高密度和大规模硅光子集成提供了一种前景广阔的方法。
在硅基砷化镓单片器件中选择量子阱（QW）还是量子点一直是一个关键问题。经过四十年的研究，量子点激光器的内在参数已经超过了 QW 器件，使用寿命更长。例如，QD 增益介质对材料缺陷的容忍度很高，因此可以在硅上外延集成 QD 激光器，而其快速的增益响应使其适用于放大高速信号。
此外，QD 增益介质在高温下的稳定性使其能够在不制冷的情况下工作，而窄线宽激光器、低阈值电流密度、内部损耗和约束因子则有助于实现低噪声工作。III-V 族/硅外延技术的重大改进将 QD 技术推向了硅光子学和广泛应用的前沿。不过，要使这项技术普及到大容量、高性能的 PIC，并使其成为人们负担得起的技术，还需要付出很大的努力。
硅光子学的领域并不局限于单一的衬底或材料。各种材料平台，如薄膜 LiNbO3 (TFLN)、SiN、BTO 和 GaAs 等，都已证明了它们在光子集成方面的潜力。其中，硅基 TFLN 进展迅速。凭借其紧密的模式约束，TFLN 已被证明是制造高速调制器、梳状发生器和各种设备的宝贵材料。值得注意的是，HyperLight 在推动这项技术取得显著成功方面发挥了关键作用。
波导超越了硅，涵盖了多种材料，包括铌酸锂化合物半导体、绝缘体化合物半导体（CSOI）、氮化硅等。例如，氮化硅波导可支持在极高温度下运行的 980 纳米可调激光器，从而带来了非凡的可能性。
硅光子学产品的制造工艺为 45 纳米，而先进的硅集成电路工作工艺的仅为几个纳米，两者在规模上存在巨大差距。值得注意的是，硅光子学并不需要 3 纳米光刻技术，因为 45 纳米技术完全足以生产高性能、高质量的硅光子学设备。这一点非常有利，因为使用光刻水平较低的老式代工厂非常具有成本效益。
通过利用三维键合技术将 PIC 与电子器件连接起来（电子器件的光刻技术可能达到 3 纳米或更高水平），我们可以利用两个世界的优势。因此，在同一晶圆上以同一工艺流程集成光子学和电子学似乎并不合理，因为这会增加成本和延长生产时间。相反，更明智的做法是三维集成，将最先进的电子技术与最先进的光子技术相结合。
硅光子技术有可能彻底改变数据传输和处理的方式，在速度、能效和成本效益方面带来好处。该技术途径涉及材料科学、设备工程和应用开发的结合，以实现这一潜力。
