硅光即硅基光電子，指的是在硅和硅基襯底材料上，利用硅CMOS工藝對光電子器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和集成的一種新技術(shù)。由于其既擁有微電子的工藝成熟、集成度高、價(jià)格低廉等基礎，又兼具光電子的極高帶寬、超快速率、抗干擾性、低功耗等優(yōu)勢，在微電子技術(shù)接近瓶頸的后摩爾定律時(shí)代，受到英特爾、華為、思科、諾基亞等公司熱捧，技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程日益加快，儼然已經(jīng)成為半導體領(lǐng)域競爭的另一條賽道。
硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速
微電子技術(shù)瓶頸和硅光技術(shù)優(yōu)勢助力硅光興起。微電子技術(shù)是當今半導體領(lǐng)域主要技術(shù)，從1958年第一款集成電路誕生至今，微電子技術(shù)已經(jīng)遵循摩爾定律發(fā)展了60多年。隨著(zhù)微電子芯片集成度不斷增加，工藝線(xiàn)寬不斷變窄，微電子技術(shù)已經(jīng)逐漸接近性能極限，摩爾定律失效的言論也甚囂塵上，雖然不斷有科學(xué)家為摩爾定律續命，但前方道路依然漫長(cháng)。與此同時(shí)，與微電子具有“一字之隔”的光電子憑借自己的高速和低功耗等優(yōu)勢正在蓬勃發(fā)展，逐漸受到人們的青睞。受集成電路的啟發(fā)，集成光路的概念被提出，即利用光波導將光發(fā)射、光耦合、光傳輸、光調制、光邏輯、光處理、光接收等光電子器件集成在同一個(gè)襯底上，從而構成一個(gè)具有一定獨立功能的微型光學(xué)系統。傳統的光電技術(shù)大部分都是基于III-V族半導體（GaAs/InP等），制作成本昂貴，工藝復雜，相比之下，以硅CMOS工藝為基礎的微電子技術(shù)在過(guò)去半個(gè)世紀取得了舉世矚目的成就，技術(shù)積累十分全面，硅基工業(yè)具有非常強大的產(chǎn)業(yè)能力。于是有人提出以硅基作為襯底，利用硅CMOS工藝將光電子器件集成，硅光技術(shù)應運而生，并且憑借其兼具的微電子和光電子兩大技術(shù)優(yōu)勢火速興起，成為半導體和通信企業(yè)的競爭熱點(diǎn)。
技術(shù)演進(jìn)和企業(yè)收購助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。硅光從提出至今，技術(shù)不斷演進(jìn)，其中里程碑事件為英特爾在2004年研制成功1Gb/s硅光調制器，在這之后硅光產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程突飛猛進(jìn)，新技術(shù)層出不窮，硅光產(chǎn)品越來(lái)越多，不斷有企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域。由于硅光產(chǎn)品技術(shù)和準入門(mén)檻較高，下游企業(yè)對硅光產(chǎn)品依賴(lài)度增大，越來(lái)越多的下游公司在硅光領(lǐng)域開(kāi)始展開(kāi)布局，并為此進(jìn)行了多輪收購或并購，從而實(shí)現產(chǎn)業(yè)垂直整合，其中以思科、諾基亞等為主要代表。
表1 近三年硅光技術(shù)主要進(jìn)展情況
數據來(lái)源：賽迪智庫集成電路研究所，2020年3月
表2 近十年年硅光產(chǎn)業(yè)主要收購情況
數據來(lái)源：賽迪智庫集成電路研究所，2020年3月
硅光應用領(lǐng)域和市場(chǎng)規模不斷擴大。目前硅光產(chǎn)品的發(fā)展已經(jīng)初具規模，在光通信及光信息處理方面具有微電子無(wú)法比擬的優(yōu)越性，應用廣泛。根據Yole預測數據，硅光市場(chǎng)規模將從2018年的4.55億美元，增長(cháng)到 2024 年的40億美元。在消費電子領(lǐng)域，硅光的大規模集成特性非常適合消費電子產(chǎn)品需求，智能傳感、移動(dòng)終端等產(chǎn)品均可利用硅光技術(shù)在有限的空間集成更多的器件；在光通信領(lǐng)域，隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )帶寬的不斷增加，高速率傳輸技術(shù)已經(jīng)成為光通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，硅光產(chǎn)品憑借尺寸小、成本低、與現有CMOS技術(shù)兼容等優(yōu)勢，成為高速光通信實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的最佳方案；在量子通信領(lǐng)域，由于硅光技術(shù)保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優(yōu)勢，基于硅光的量子通信芯片有望成為量子通信的重要技術(shù)方案。此外，硅光在智能駕駛、激光雷達、面部識別、高速互聯(lián)等應用領(lǐng)域均有解決方案。
我國硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩大現狀
我國正處于追趕者的地位。由于我國進(jìn)入硅光領(lǐng)域較晚，目前主要通過(guò)并購或者與外企合作的模式切入，正處于追趕者的地位。我國目前在硅光領(lǐng)域開(kāi)展布局的企業(yè)主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創(chuàng )科技等。華為2013年收購比利時(shí)硅光子公司Caliopa，并且在英國建立了光芯片工廠(chǎng)發(fā)展硅光技術(shù)。2017年亨通光電與英國的硅光子企業(yè)洛克利合作，獲得多項硅光芯片技術(shù)許可，2020年3月10日發(fā)布了400G硅光模塊。2018年光迅科技聯(lián)合國家信息光電子創(chuàng )新中心等單位聯(lián)合研制成功100G硅光收發(fā)芯片并正式投產(chǎn)使用，但是流片需要依靠國外。2020年博創(chuàng )科技與Sicoya公司合作，推出了高性?xún)r(jià)比的400G數據通信硅光模塊解決方案。
我國硅光發(fā)展與發(fā)達國家仍存在差距。在設計方面，架構不夠完善，體積和性能平衡的問(wèn)題沒(méi)有妥善解決。在制備方面，我國的硅光芯片大部分都需要國外代工，對外依賴(lài)度大。在封裝方面，硅光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問(wèn)題。在測試方面，高速儀器儀表還嚴重依賴(lài)國外。在推廣應用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經(jīng)完成研制，但是距離應用還有一段路要走，關(guān)于如何在數據通信領(lǐng)域發(fā)揮硅光技術(shù)優(yōu)勢，降低成本，依然是我國硅光發(fā)展需要面臨的問(wèn)題。在企業(yè)規模上，相比集成電路企業(yè)，我國硅光企業(yè)大都規模較小，芯片嚴重依賴(lài)國外，企業(yè)實(shí)力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些硅光企業(yè)，但大都是設計、后道制程和封裝企業(yè)，具有芯片制備能力的企業(yè)寥寥無(wú)幾。
三點(diǎn)建議助力我國硅光發(fā)展
積極與下游廠(chǎng)商對接。由于硅光技術(shù)正在不斷發(fā)展中，且下游智能傳感、量子通信等硅光產(chǎn)品應用領(lǐng)域尚未完全成熟和普及，因此為了占領(lǐng)未來(lái)市場(chǎng)，需要硅光廠(chǎng)商與下游廠(chǎng)商積極對接合作，及時(shí)了解產(chǎn)品需求，在研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上做到有的放矢，提升產(chǎn)品競爭力。
增強企業(yè)垂直整合能力。鼓勵國內廠(chǎng)商通過(guò)收購或兼并等方式在硅光產(chǎn)業(yè)鏈上不斷進(jìn)行拓展，加大創(chuàng )新投入、改善人才引進(jìn)與激勵機制，完成技術(shù)與業(yè)務(wù)能力的提升，增強企業(yè)垂直整合能力，占據產(chǎn)業(yè)鏈高端。
做好長(cháng)期投入的準備。硅光是技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，需要持續不斷關(guān)注，不能唯眼前回報而論。以英特爾為例，其發(fā)展硅光到現在并沒(méi)有盈利，但是依然在堅持研發(fā)新產(chǎn)品，不斷引領(lǐng)硅光的技術(shù)新發(fā)展。我國在硅光方面對比國外，雖然不如微電子差距那么大，但是依然有差距，處于追趕者地位。沒(méi)有誰(shuí)可以保證硅光一定賺錢(qián)，但是沒(méi)有一家公司能承受不做硅光帶來(lái)的損失。想要做好硅光，就需要持續投入，重視基礎研究，改善考核機制，保證科研人員和企業(yè)具備穩定的研發(fā)能力，這樣最終贏(yíng)得硅光戰役的勝利。
作者馬曉凱為賽迪研究院集成電路研究所光電研究室研究員、博士，朱邵歆為集成電路研究所副所長(cháng)。
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