為什么看好硅光？

  ICC訊 自 1985 年以來，硅光子技術(shù)從最初的高約束波導(dǎo)(high confinement waveguides)發(fā)展到戰(zhàn)略性地采用 CMOS 技術(shù)，確立了其在收發(fā)器領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。未來幾年，硅光子技術(shù)有可能擴展到廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域。

  進入2023 年以來，硅光子技術(shù)，尤其是光計算、光 I/O 和各種傳感應(yīng)用，一直受到熱捧，并得到了大量投資。各種應(yīng)用中的主要技術(shù)將很快被基于光學(xué)的設(shè)計和架構(gòu)所取代，這似乎是合乎邏輯的。巨頭們預(yù)測，光學(xué)將是必需的，并將很快變得無處不在，而初創(chuàng)公司正在通過研發(fā)開發(fā)新的應(yīng)用。那么，我們能期待這一預(yù)測很快實現(xiàn)嗎?

  雖然有許多論點認(rèn)為光子學(xué)必須與電子學(xué)相結(jié)合，但最大的硅光子學(xué)市場--數(shù)據(jù)通信插接件(datacom pluggables)--的收入僅占數(shù)據(jù)通信收發(fā)器收入的 12%左右(預(yù)計到 2028 年將達(dá)到 30%)。半導(dǎo)體市場正遭受長期衰退，導(dǎo)致客戶的購買行為更加務(wù)實。DC operators更青睞歷史悠久、成本低廉的技術(shù)解決方案。Yole Intelligence 的市場調(diào)研顯示，硅光子技術(shù)尚未成為主要技術(shù)，即使是 500 米范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互連也是如此。

  在這種情況下，硅光子技術(shù)仍然是一項正在積極開發(fā)的技術(shù)，具有廣泛的潛在應(yīng)用，預(yù)示著地平線上將出現(xiàn)大有可為的機遇。在未來十年中，將出現(xiàn)領(lǐng)跑者，導(dǎo)致行業(yè)整合。然而，廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋_保該技術(shù)有大量的擴展和擴散機會。

  Yole Group 在其最新的《2023 年硅光子技術(shù)》報告中估計，2022 年硅光子 PIC 市場價值為 6800 萬美元，預(yù)計 2028 年將超過 6 億美元，2022-2028 年復(fù)合年增長率為 44%(CAGR2022-2028)。這一增長將主要由用于提高光纖網(wǎng)絡(luò)容量的 800G 高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊推動。此外，對快速增長的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模的預(yù)測表明，數(shù)據(jù)將需要使用光來擴展 ML 模型，在 ML 服務(wù)器中使用光 I/O。

圖 1：各種硅光子應(yīng)用的增長預(yù)測。

  數(shù)據(jù)中心的大量需求，尤其是人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)領(lǐng)域的需求，預(yù)計將在未來十年內(nèi)不斷增長。在傳統(tǒng)的以處理器為中心的計算架構(gòu)和銅互連技術(shù)下，基于 3 納米技術(shù)的最先進芯片已接近其物理極限，而對更快數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨髤s在激增。因此，能夠促進高速通信的硅光子技術(shù)已成為首要關(guān)注點。

  包含光 I/O 的架構(gòu)可以簡化計算節(jié)點和內(nèi)存池之間的訪問，利用光學(xué)的扇出功能最大限度地減少訪問資源所需的交換跳數(shù)。博通公司的戰(zhàn)略計劃勾勒出了交換芯片的發(fā)展軌跡，預(yù)計將從今年的 51.2 Tb/s(5 納米工藝節(jié)點)增長到 2025 年的 102.4 Tb/s(3 納米工藝節(jié)點)，到 2027 年將達(dá)到驚人的 204.8 Tb/s(2 納米工藝節(jié)點)。這一指數(shù)級增長將極大地促進硅光子技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的發(fā)展，為未來大幅提高數(shù)據(jù)容量鋪平道路。硅光子技術(shù)為具有大批量可擴展性需求的應(yīng)用提供了一個多功能平臺。

  硅光子技術(shù)最主要和最直接的應(yīng)用領(lǐng)域是數(shù)據(jù)中心，英特爾公司在該領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位(最近把這個業(yè)務(wù)賣給了捷普?)。第二個主要的大容量應(yīng)用領(lǐng)域是電信，Acacia 就是一個例子，它受益于硅處理的穩(wěn)定和卓越性能。第三個廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域包括光學(xué)激光雷達(dá)系統(tǒng)，該領(lǐng)域潛力巨大，但面臨著成本和二維光束掃描方面的挑戰(zhàn)。三維集成(將兩個芯片安裝在同一硅襯底上)對于實現(xiàn)無縫控制至關(guān)重要。光學(xué)陀螺儀需要尺寸較大的芯片來安裝靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器，而硅襯底和氮化硅波導(dǎo)可從中獲益。量子計算在不斷發(fā)展的人工智能和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域舉足輕重。光學(xué)計算是注重效率的任務(wù)的理想選擇，備受業(yè)界關(guān)注并有望產(chǎn)生重大影響。

  先進的光子元件及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可以改變醫(yī)療保健，實現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測。要實現(xiàn)臨床應(yīng)用，必須克服監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化方面的挑戰(zhàn)?；诠韫庾蛹夹g(shù)的醫(yī)療應(yīng)用前景廣闊，在各種醫(yī)療保健和醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大潛力。將硅光子技術(shù)擴展到可見光譜顯示了未來發(fā)展的潛力，提供了廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用。

  硅光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)格局正在形成，參與者多種多樣，包括：主要的垂直整合參與者(英特爾、思科、Marvell、Broadcom、Nvidia、IBM 等);積極參與硅光子產(chǎn)業(yè)的企業(yè);初創(chuàng)企業(yè)和設(shè)計公司(AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence);研究機構(gòu)(UCSB、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程學(xué)院、麻省理工學(xué)院等);代工廠(GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、TSMC 等);以及設(shè)備供應(yīng)商(應(yīng)用材料公司、ASML、Aixtron 等)。所有這些參與者都為公司的大幅增長和多樣化做出了貢獻(xiàn)。

  英特爾是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，在研發(fā)方面投入了大量資金。有許多初創(chuàng)公司專注于硅光子技術(shù)，旨在為市場帶來創(chuàng)新。這些初創(chuàng)公司通常專注于特定應(yīng)用或新技術(shù)，如高速收發(fā)器、光互連和激光雷達(dá)系統(tǒng)。大學(xué)和研究機構(gòu)在推動硅光子技術(shù)發(fā)展方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它們經(jīng)常與行業(yè)合作伙伴合作開發(fā)尖端技術(shù)并分享知識。

圖 2：大量潛在應(yīng)用預(yù)示著大有可為的機遇即將到來。

  代工廠提供硅光子學(xué)服務(wù)，幫助其他公司制造光子芯片。這些代工廠通常使用先進的制造工藝，如 CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)來生產(chǎn)這些芯片。設(shè)備供應(yīng)商提供制造硅光子設(shè)備所需的工具。這些工具的質(zhì)量和精度對生產(chǎn)高性能光子元件至關(guān)重要。

  硅光子產(chǎn)業(yè)的特點是不斷進行研發(fā)、建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，以及參與者之間為推動技術(shù)發(fā)展而開展合作。由于硅光子代工廠的出現(xiàn)和該領(lǐng)域?qū)I(yè)知識的不斷增長，更多的公司也更容易獲得該技術(shù)。該技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低能耗并實現(xiàn)各種應(yīng)用，因此是一個前景廣闊的產(chǎn)業(yè)增長領(lǐng)域。

  英特爾仍然是數(shù)據(jù)通信市場的領(lǐng)導(dǎo)者，在出貨量和收入方面都占據(jù)了 61% 的市場份額，緊隨其后的是思科、Broadcom 和其他較小的公司。

  Yole Intelligence 預(yù)計，隨著其他公司近期加強產(chǎn)品組合并將 PIC 商業(yè)化，英特爾將失去其主導(dǎo)市場份額。在電信領(lǐng)域，思科(Acacia)占據(jù)了近 50% 的市場份額，其次是 Lumentum(Neophotonics)和 Marvell(Inphi)。相干可插拔 ZR/ZR+ 模塊推動了電信硅光子市場的發(fā)展。

圖 3：英特爾、思科、Marvell... 硅光子產(chǎn)業(yè)對其未來價值充滿信心。

  英特爾最近把水?dāng)嚋喠耍粌H未能完成對 Tower 公司的收購，還將其基于硅光子技術(shù)的可插拔模塊生產(chǎn)線剝離給了捷普公司(Jabil)。英特爾正在努力重新奪回芯片生產(chǎn)技術(shù)的領(lǐng)先地位，希望與 Tower 公司的合并能幫助其加速轉(zhuǎn)型，成為其他芯片設(shè)計公司的主要制造商。此次收購的失敗將迫使英特爾將其代工服務(wù)(IFS)部門的業(yè)務(wù)戰(zhàn)略重點完全放在領(lǐng)先的工藝技術(shù)上。由于技術(shù)是中美緊張經(jīng)濟關(guān)系中的主戰(zhàn)場，這也會讓與中國關(guān)系密切的美國公司進一步感到寒意。

  英特爾最近做出戰(zhàn)略決策，將其生產(chǎn)線移交給捷普，從而優(yōu)化運營效率，降低成本，并利用捷普的專業(yè)技術(shù)更好地服務(wù)客戶，保持市場競爭力，提高盈利能力。英特爾正在將重點轉(zhuǎn)向開發(fā)和生產(chǎn)價值更高的部件，如處理器和計算平臺，這些部件與即將推出的專為分解數(shù)據(jù)中心設(shè)計的光互連產(chǎn)品密不可分。該公司正將重點放在硅光子元件上，這些元件對于新興的傳感應(yīng)用(如汽車行業(yè)或醫(yī)療用途)至關(guān)重要。

圖 4：2022 年數(shù)據(jù)通信和電信模塊的收入市場份額。

圖 5：2021-2028 年激光技術(shù)在數(shù)據(jù)通信可插拔模塊中的滲透率。

圖 6：1992-2030 年硅光子集成路線圖。

  硅光子學(xué)是一項先進技術(shù)，需要高水平的制造技能，而中國仍然缺乏這種技能。中國公司還處于原型或樣品階段，需要依靠外部合作才能批量供應(yīng)硅光子收發(fā)器或光學(xué)引擎。2014 年，華為和 imec 在光數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)的聯(lián)合研究中加入了硅光子技術(shù)。在此之前，華為收購了從 imec 和根特大學(xué)分離出來的硅光子光學(xué)收發(fā)器開發(fā)商 Caliopa。最終，華為與 imec 的合作被終止，ASML 的 EUV 光刻系統(tǒng)也于 2019 年被禁止向中國發(fā)貨。在被美國商務(wù)部列入實體名單后，華為仍在繼續(xù)開展研究，這對其電信設(shè)備業(yè)務(wù)至關(guān)重要。中國對硅光子技術(shù)進行大量投資的動機十分強烈。

  硅光子學(xué)的技術(shù)途徑是什么?

  盡管硅作為光發(fā)射器存在缺陷，但最近的突破性進展引入了在硅上制造有源光學(xué)元件的創(chuàng)新方法，并在短短幾年內(nèi)實現(xiàn)了量產(chǎn)。值得注意的是，硅的內(nèi)部量子效率較低，而直接帶隙 III-V 材料的效率接近 100%。早在 20 世紀(jì) 90 年代，高亮度 LED 應(yīng)用中的鍵合 LED(GaP 上的砷化鎵)取得成功后，人們就預(yù)計將 III-V 材料鍵合到硅上也會非常有效。

  加州大學(xué)伯克利分校與英特爾公司的合作在解決制造問題和實現(xiàn)大批量生產(chǎn)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。硅光子學(xué)的途徑似乎是通過量子點(QD)實現(xiàn)單片集成。傳統(tǒng)的 InP PIC 需要五到六種再生長方法，調(diào)制器、激光器和探測器可以并排粘合在一起并一起加工，具有固有的優(yōu)勢。然而，由于 III-V 基板的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 300 毫米，基板的成本并不低，這促使人們對單片集成的興趣與日俱增。因此，片上激光器的單片集成技術(shù)為實現(xiàn)高密度和大規(guī)模硅光子集成提供了一種前景廣闊的方法。

  在硅基砷化鎵單片器件中選擇量子阱(QW)還是量子點一直是一個關(guān)鍵問題。經(jīng)過四十年的研究，量子點激光器的內(nèi)在參數(shù)已經(jīng)超過了 QW 器件，使用壽命更長。例如，QD 增益介質(zhì)對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，而其快速的增益響應(yīng)使其適用于放大高速信號。

  此外，QD 增益介質(zhì)在高溫下的穩(wěn)定性使其能夠在不制冷的情況下工作，而窄線寬激光器、低閾值電流密度、內(nèi)部損耗和約束因子則有助于實現(xiàn)低噪聲工作。III-V 族/硅外延技術(shù)的重大改進將 QD 技術(shù)推向了硅光子學(xué)和廣泛應(yīng)用的前沿。不過，要使這項技術(shù)普及到大容量、高性能的 PIC，并使其成為人們負(fù)擔(dān)得起的技術(shù)，還需要付出很大的努力。

  硅光子學(xué)的領(lǐng)域并不局限于單一的襯底或材料。各種材料平臺，如薄膜 LiNbO3 (TFLN)、SiN、BTO 和 GaAs 等，都已證明了它們在光子集成方面的潛力。其中，硅基 TFLN 進展迅速。憑借其緊密的模式約束，TFLN 已被證明是制造高速調(diào)制器、梳狀發(fā)生器和各種設(shè)備的寶貴材料。值得注意的是，HyperLight 在推動這項技術(shù)取得顯著成功方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

  波導(dǎo)超越了硅，涵蓋了多種材料，包括鈮酸鋰化合物半導(dǎo)體、絕緣體化合物半導(dǎo)體(CSOI)、氮化硅等。例如，氮化硅波導(dǎo)可支持在極高溫度下運行的 980 納米可調(diào)激光器，從而帶來了非凡的可能性。

  硅光子學(xué)產(chǎn)品的制造工藝為 45 納米，而先進的硅集成電路工作工藝的僅為幾個納米，兩者在規(guī)模上存在巨大差距。值得注意的是，硅光子學(xué)并不需要 3 納米光刻技術(shù)，因為 45 納米技術(shù)完全足以生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的硅光子學(xué)設(shè)備。這一點非常有利，因為使用光刻水平較低的老式代工廠非常具有成本效益。

  通過利用三維鍵合技術(shù)將 PIC 與電子器件連接起來(電子器件的光刻技術(shù)可能達(dá)到 3 納米或更高水平)，我們可以利用兩個世界的優(yōu)勢。因此，在同一晶圓上以同一工藝流程集成光子學(xué)和電子學(xué)似乎并不合理，因為這會增加成本和延長生產(chǎn)時間。相反，更明智的做法是三維集成，將最先進的電子技術(shù)與最先進的光子技術(shù)相結(jié)合。

  硅光子技術(shù)有可能徹底改變數(shù)據(jù)傳輸和處理的方式，在速度、能效和成本效益方面帶來好處。該技術(shù)途徑涉及材料科學(xué)、設(shè)備工程和應(yīng)用開發(fā)的結(jié)合，以實現(xiàn)這一潛力。

作者：Martin Vallo