硅光，半導體的另一條賽道

馬曉凱　朱邵歆

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行開發和集成的一種新技術。由于其既擁有微電子的工藝成熟、集成度高、價格低廉等基礎，又兼具光電子的極高帶寬、超快速率、抗干擾性、低功耗等優勢，在微電子技術接近瓶頸的后摩爾定律時代，受到英特爾、華為、思科、諾基亞等公司熱捧，技術不斷進步，產業化進程日益加快，儼然已經成為半導體領域競爭的另一條賽道。

硅光產業發展迅速

根據Yole預測數據，硅光市場規模將從2018年的4 55億美元，增長到2024年的40億美元。

微電子技術瓶頸和硅光技術優勢助力硅光興起。微電子技術是當今半導體領域主要技術，從1958年第一款集成電路誕生至今，微電子技術已經遵循摩爾定律發展了60多年。隨著徽電子芯片集成度不斷增加，工藝線寬不斷變窄，微電子技術已經逐漸接近性能極限，摩爾定律失效的言論當道，雖然不斷有科學家為摩爾定律續命，但前方道路依然漫長。與此同時，與微電子具有“一字之差”的光電子憑惜自己的高速和低功耗等優勢正在蓬勃發展，逐漸受到人們的青睞。受集成電路的啟發，集成光路的概念被提出，既利用光波導將光發射、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襯底上，從而構成一個具有一定獨立功能的微型光學系統。傳統的光電技術大部分都是基于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在過去半個世紀取得了舉世矚目的成就，技術積累十分全面，硅基工業具有非常強大的產業能力。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，硅光技術應運而生，并且憑借其兼具的微電子和光電子兩大技術優勢火速興起戚為半導體和通信企業的競爭熱點。

技術演進和企業收購助力產業發展。硅光從提出至今，技術不斷演進，其中里程碑事件為英特爾在2004年研制成功iGb/s硅光調制器，在這之后硅光產業化進程突飛猛進，新技術層出不窮，硅光產品越來越多，不斷有企業進入該領域。由于硅光產品技術和準入門檻較高，下游企業對硅光產品依賴度增大，越來越多的下游公司在硅光領域開始展開布局，并為此進行了多輪收購或并購，從而實現產業垂直整合，其中以思科、諾基亞等為主要代表。

硅光應用領域和市場規模不斷擴大。目前硅光產品的發展已經初具規模，在光通信及光信息處理方面具有微電子無法比擬的優越性，應用廣泛。根據Yole預測數據，硅光市場規模將從2018年的4 55億美元，增長到2024年的40億美元。在消費電子領域，硅光的大規模集成特性非常適合消費電子產品需求，智能傳感、移動終端等產品均可利用硅光技術在有限的空間集成更多的器件;在光通信領域，隨著網絡帶寬的不斷增加，高速率傳輸技術已經成為光通信領域的研究重點，硅光產品憑借尺寸小、成本低、與現有CMOS技術兼容等優勢，成為高速光通信實現產業化的最佳方案;在量子通信領域，由于硅光技術保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優勢，基于硅光的量子通信芯片有望成為量子通信的重要技術方案。此外，硅光在智能駕駛、激光雷達、面部識別、高速互聯等應用領域均有解決方案。

我國處于追趕者地位

相比集成電路企業，我國硅光企業大都規模較小，芯片嚴重依賴國外。企業實力較弱，垂直整合能力有待提高。

由于我國進入硅光領域較晚，目前主要通過并購或者與外企合作的模式切入，正處于追趕者的地位。我國目前在硅光領域開展布局的企業主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創科技等。華為2013年收購比利時硅光子公司Caliopa，并且在英國建立了光芯片工廠發展硅光技術。2017年亨通光電與英國的硅光子企業洛克利合作，獲得多項硅光芯片技術許可，2020年3月10日發布了400G硅光模塊。2018年光迅科技聯合國家信息光電子創新中心等單位聯合研制成功100G硅光收發芯片并正式投產使用。2020年博創科技與Sicoya公司合作，推出了高性價比的400G數據通信硅光模塊解決方案。

同時，我國硅光發展與發達國家仍存在差距。在設計方面，架構不夠完善，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決。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題。在測試方面，高速儀器儀表還嚴重依賴國外。在推廣應用方面，雖然第一代硅光相干芯片已經完成研制，但是距離應用還有一段路要走，關于如何在數據通信領域發揮硅光技術優勢，降低成本，依然是我國硅光發展需要面臨的問題。在企業規模上，相比集成電路企業，我國硅光企業大都規模較小，芯片嚴重依賴國外，企業實力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些硅光企業，但大都是設計、后道制程和封裝企業，具有芯片制備能力的企業寥寥無幾。

四點建議助力我國硅光發展

發展我國硅光技術，做好長期投入的準備。硅光是技術密集型產業，需要持續不斷關注，不能唯眼前回報而論。

積極與下游廠商對接。由于硅光技術正在不斷發展中，且下游智能傳感、量子通信等硅光產品應用領域尚未完全成熟和普及，因此為了占領未來市場，需要硅光廠商與下游廠商積極對接合作，及時了解產品需求，在研發和產業化上做到有的放矢，提升產品競爭力。

建設硅光工藝平臺。硅光工藝平臺對于企業的技術水平和財力要求較高，因此目前國內高端硅光芯片流片基本都需要在國外完成，成本高、周期長，制約了我國硅光的發展。加快在國內建設硅光工藝平臺，提供流片、封裝等硅光工藝服務，方便國內硅光科研院所和企業進行研發，降低成本。

增強企業垂直整合能力。鼓勵國內廠商通過收購或兼并等方式在硅光產業鏈上不斷進行拓展，加大創新投入、改善人才引進與激勵機制，完成技術與業務能力的提升，增強企業垂直整合能力，占據產業鏈高端。

做好長期投入的準備。硅光是技術密集型產業，需要持續不斷關注，不能唯眼前回報而論。以英特爾為例，其發展硅光到現在并沒有盈利，但是依然在堅持研發新產品，不斷引領硅光技術有新的發展。我國在硅光方面對比國外，雖然不如徽電子差距那么大，但是依然有差距，處于追趕者地位，沒有誰可以保證硅光一定賺錢，但是沒有一家公司能承受不做硅光帶來的損失。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具備穩定的研發能力，從而最終贏得硅光戰役的勝利。