群雄逐鹿矽光子晶片市場

日前，思科宣布，公司將斥資6.6億美元的現金和股權獎勵收購加州半導體公司Luxtera。思科表示，思科表示，Luxtera先進的矽光子晶片技術，能幫助思科滿足商業客戶對快速和高性能網絡服務的需求。

無獨有偶，在幾個月前，中國信息通信科技集團宣布，我國首款商用「100G矽光收發晶片」正式研製投產；上海市政府將矽光子列為首批市級科技重大專項，予以全力支持；國內上市公司亨通光電宣布在矽光晶片上獲得突破。

 

國內外供應鏈的廣泛關注證明，矽光子晶片競爭進入了一個新階段。

為什麼關注矽光子？

近年來，全球數據流量與正在高速發展。尤其是正在到來的5G引爆的各種引用，將會進一步推動數據中心流量的增長，這就對其內部的傳輸提出了新的需求，矽光子就是為了解決這個問題而產生的。

目前，傳統光模塊主要採用III-V族半導體晶片、高速電路矽晶片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬於「電互聯」。而隨著電晶體加工尺寸的逐漸縮小，電互聯將逐漸面臨傳輸瓶頸，在此背景下，矽光子技術運用而生。

矽光子市場規模預測（source：Intel）

所謂矽光子集成技術，是以矽和矽基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學介質，通過互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的集成電路工藝製造相應的光子器件和光電器件（包括矽基發光器件、調製器、探測器、光波導器件等），並利用這些器件對光子進行發射、傳輸、檢測和處理，以實現其在光通信、光互連、光計算等領域中的實際應用。矽光技術的核心理念是「以光代電」，即採用雷射束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微晶片中。在矽片上用光取代傳統銅線作為信息傳導介質，大大提升晶片之間的連接速度。

矽光子晶片示意圖（source：IBM）

因為這種技術的產品結合了以微電子為代表的集成電路技術的超大規模、超高精度的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。矽光子技術能夠解決400G通信時代需要面對的PAM4電調製方案帶來的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發的器件數量增加與工作帶來溫度提升帶來的溫漂等挑戰性問題。

這項技術自1969年由貝爾實驗室提出以來，就一直受到廠商的廣泛關注。本世紀初， IBM、Intel、Sun Microsystems（ 後 並 入 Oracle）、NTT/NEC 等公司便設立獨立矽光子部門並投入大量資源，和學術界一起對矽光子產業進行深入研究，IBM和Intel也都推出了相應的矽光子晶片。而在產學研三方的努力下，近十年更是催生了Luxtera、Kotura、Lightwire 、Aurrion和Acacia等一波聚焦在矽光子通信的公司，矽光子產業一觸即發。

巨頭環伺的市場

因為矽光子擁有如此大的魅力，這就吸引了上述眾多廠商投入其中，並取得了不錯的成果。

以IBM為例，在2015年，該公司對外展示了一款號稱完全整合的分波多任務CMOS矽光子(silicon photonics)晶片。時任IBM Research矽光子部門(Silicon Photonics Group)經理Will Green表示，該晶片的4個laser信道──分別以25Gbps的速度在晶片上運作──是以鍺(germanium)光學探測器以及光學解多任務器(demultiplexers)，將之融合為單一100Gbps電子信號，在需要時進行處理；該電子信號能以幹涉儀(interferometers)調變四道晶片外的laser，成為在晶片邊緣外行進的光脈衝。

IBM的全整合式分波多任務CMOS光子晶片

「我們所展示的是該單晶片以分波多任務所達成的 數據速率，光學濾波器結合與分離多任務色彩，就能完成矽光學組件的解多任務程序；這一切只要使用任何一座CMOS晶圓廠的矽與電介質製造的單一晶片，搭配以次100納米(sub-100nm)絕緣上覆矽(silicon-on-insulator)生產的鍺薄膜光探測器」， Green強調。

另一個矽光子先行者Intel在矽光子方面也有了很深的研究。

早在上世紀90年代末，英特爾就開了一個平面光電路公司，這引起業界的頗多關注，但他們在 2004 年卻又將這個業務悄然關閉。數年前，Intel宣布他們的 Light Peak技術能夠讓高速光連結降到平價，這讓光互連領域為之興奮（Light Peak 後來演變成蘋果的 Thunderbolt）。用於電傳輸。對矽光子的投入則是英特爾對之前探索的延續，他們還在2015年推出了一款全新矽光子產品，這個採用內置混合集成雷射器+矽調製器的方案可以在數據中心的數據傳輸過程中提供極大速率。據了解，這款產品不僅價格較低，生產過程也比較容易，該技術有望改善數據中心的數據交換瓶頸問題。

按照英特爾數據中心集團執行副總裁黛安·布萊恩特的說法，網線中的電子不會對矽光子產品造成影響，「我們研發矽光子技術已經超過16年，是首家『用光點亮矽晶片』的公司。」，她強調。

Intel的矽光子產業發展規劃（source：Intel）

今年八月在羅馬召開的歐洲光通信會議（ECOC）上，英特爾公布了其新型矽光子接收器的規格。據介紹，其100G CWDM4（粗波分復用 4 通道）QSFP28 光收發器的工作溫度範圍比較廣，具有雙速率 40Gbps / 100Gbps 通用公共射頻接口（CPRI）和 eCPRI，雙工單模光纖下的使用距離可達 10 公裡，旨在為通信和雲服務商提供支持 5G 無線網絡擴展的硬體。他們還將將從2018年 4 季度起向客戶交付 400 Gbps DR4 矽光子模塊樣品，並在 2019 下半年開始量產。

其實在2015年英特爾推出其產品之前，文章開頭的主角，被思科收購的lextura已經推出了外置雷射器+矽調製器方案。這家成立於2001年的公司是全球第一家提供光子器件解決方案的公司。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS電子學工藝集成，體積比傳統的光子器件更小。

Luxtera表示，他們和臺積電合作開發的技術可以相比其他矽光方案提供翻倍的性能和四倍的傳輸能力，支持光互聯能力與CMOS電晶片的全面集成，並可以進一步降低功耗和成本。按照計劃，他們會從2018年開始利用臺積電的7nm CMOS工藝把這些新技術用在100GBase-DR和400GBase-DR4模塊中。Luxtera 和 Intel在之前一直在用激進的定價，試圖在光模塊市場打開一個缺口。

通過對Photonic Controls、BinOptics、FiBest等企業的收購，美國大廠MACOM也進入了矽光晶片市場。按照他們介紹，。MACOM在矽光平臺種引入了具有專利的端面刻蝕技術（EFT）和自對準技術（SAEFT）使其矽光產品獨具優勢。這也讓MACOM的雷射器晶片無需氣密封裝，可顯著降低最終元器件的尺寸和成本，並且允許矽光子集成電路直接位於模塊電路板上，從而增大了矽光子可實現的互連密度。他們將包括雷射器、調製器和多路復用器在內的光學器件封裝到單個矽晶片上的矽光PIC系列產品也將於2018年第二季度開始批量供貨。

成立於2009年的Acacia也是矽光子晶片的另一個重要玩家，他們在2014年就發布了首款具有完整100G相干收發器功能的單晶片矽光子集成電路（PIC）。同時，公司也是第一個在市場上發布 400G 轉發器的供應商，在矽光領域具有全球領先實力。

其他如Finisar、Oclaro、博通、SiFotonics、Leti、、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex和IMEC、ST、臺積電、格芯、Fabrinet等也都是這個領域不可或缺的參與者。除了這些獨立的廠商外，思科和華為，甚至谷歌和Facebook這些原本客戶的加入，讓矽光晶片這個市場競爭更為激烈：除了近期收購的Luxtera，思科在2012年就已經斥資2.7億美元收購了矽光子公司Lightwire；華為也在2013年前後收購了比利時矽光子公司Caliopa和英國光子集成公司CIP，加碼這個領域。

挑戰依然存在

雖然矽光子市場前景看好，但在工藝和設計上依然面臨一系列的挑戰。

中國電子科技集團公司第三十八研究所的郭進、馮俊波和曹國威在其題為《矽光子晶片工藝與設計的發展與挑戰》的論文中指出，與微電子工藝相比，矽光子在總體路徑、版圖、工藝和材料方面都有其特殊性，那麼在工藝的開發過程中就必須考慮到溫度預算、汙染控制和關鍵工藝等問題。他們指出，矽光子集成的工藝開發路線和目標比較明確，困難之處在於如何做到與 CMOS 工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進的半導體設備和工藝，同時需要關注個別工藝的特殊控制。矽光子晶片的設計目前還未形成有效的系統性的方法，設計流程沒有固化，輔助設計工具不完善，但基於 PDK 標準器件庫的設計方法正在逐步形成。如何進行多層次光電聯合仿真，如何與集成電路設計一樣基於可重複 IP 進行複雜晶片的快速設計等問題是矽光子晶片從小規模設計走向大規模集成應用的關鍵。

基於標準 CMOS 工藝的矽光子工藝流程開發

Inphi的首席技術官Radha Nagarajan在接受semiengineering採訪時表示：「光子的波長比電子的要大得多。這也是為什麼電子產品可以進入7nm節點，而標準矽光子器件是130nm或180nm節點，而且通常使用245nm光刻線。光學器件不同於電子器件，它們的相位較為敏感，側壁粗糙度和損耗很重要。當這些成為重要因素時，重要的將不是節點，而是更大尺寸但更精準的節點下，光刻和蝕刻的質量。」

西門子公司Mentor定製IC設計組的產品營銷經理Chris Cone則強調，當你驅動一個光子接口時，你遇到了很多關於噪聲和大量熱量的問題，這必須考慮在內。沒有東西可以提供這種能力，這一切都歸結為接口，它速度非常快，以每秒幾十千兆位的速度運行，開關驅動調製器上的結點或移相器，並產生一個你必須考慮的EMI籤名。同樣，從光電探測器出發，你需要一個非常敏感的輸入進入跨阻放大器。你必須屏蔽來自電路其它部分的噪聲。

雖然開發困難比較大，且競爭環境激烈。但對於國內廠商來說，去投入這個產業是必須的。尤其是在中興制裁時間之後，我們看到了國內在光通信方面的短板，尤其是在矽光子方面，國內更是幾近於無。這就迫使國內將這個研發提上日程。

但按照中興光電子技術有限公司的孫笑晨和張琦在其名為《矽光子通信產品技術和商業化進程》的文章中的說法，由於這個產業的專業細分化和各層次的高度成熟性，使得在未形成有 效的 Fabless- Foundry 模 式前 ，進入的門檻和初始的投入非常大。無論對於初創公司還是大公司的部門，都需要準備大量的研發資源並仔細考慮其應用場景。

文/半導體行業觀察 李壽鵬