光子晶片技術發展現狀及趨勢分析

光子晶片技術發展現狀及趨勢分析

半導體行業觀察 發表於 2020-11-23 15:41:24

　　以電子驅動的集成電路（晶片）產業已經發展了半個多世紀，自從它出現以後，人類的生活、工作等活動就發生了翻天覆地的變化。集成電路、半導體逐漸成為了信息產業的基石，已經是人類社會活動不可或缺的重要組成。

　　信息產業發展源於晶片，在此基礎上，出現了計算機，計算機又催生並推動了軟體業。自從PC普及到每個家庭和每個人之後，又推動了網際網路的快速發展和普及，隨之而來的是路由器、交換機，以及光纖基礎設施的湧現和普及。也就是在此時，光通信逐步進入了人類的工作和生活，且應用越來越廣，重要性與日俱增。

　　這裡有兩個重要的時間點：1960年，美國物理學家梅曼發明了世界首臺雷射器，人類第一次有了如此單色性好、高準直、高能量密度的光源；1964年，中國科學院西安光學精密機械研究所完成了高速攝影機的研製，拍攝到我國第一顆原子彈爆炸的瞬間過程。

　　以電子驅動的集成電路業發展一直遵循摩爾定律，但經過半個多世紀的發展，該定律逐步呈現失效的態勢。當下的半導體產業，如果按照摩爾定律判定的話，已經進入到了一個瓶頸期，這就需要新的產業驅動力量。光子晶片正是這樣一股力量。

　　如當年集成電路開創資訊時代一樣，當下，已經普及的光通信正在成為新革命力量的開路先鋒，與此同時，光子晶片正在從分離式器件向集成光路演進，在不久的將來有望取得更好的發展。

　　相對於電子驅動的集成電路，光子晶片有超高速率，超低功耗等特點，利用光信號進行數據獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的光子晶片，具有非常廣闊的發展空間和巨大的潛能。未來，光子晶片將成為5G和人工智慧時代的關鍵基石，因為無論是網際網路、5G，還是物聯網，基礎設施都離不開光纖和光學器件。

　　未來，集成光路一定是人工智慧時代的基礎設施，而5G，以及之後的6G網絡是人工智慧的主要通信載體，其將光通信的速度提升了4倍以上，如100G的光模塊開始向400G演進。

　　除了通信，光子晶片在計算、存儲和顯示方面也發揮著越來越重要的作用，現在的雲計算和數據中心裏面，已經大量採用了光收發模塊，Google現在已經是全球最大的光器件採購商了。而信息的顯示本身就是光學。以AR、VR為代表的3D感知和顯示已經嶄露頭角，最具代表性的，就是在2017年問世的iPhone X，它在業內首先商用了Face ID，在手機裡開始加大了光學成本，Face ID裡面用了三個VCSEL雷射器。如中科創星創始合伙人米磊所說，iPhone X拉開了消費光子時代的序幕。

　　進入2020年以後，突發的疫情影響著全人類的健康，紅外測溫設備、投影式紅外成像設備、AR/5G遠程會診系統等光學領域多項技術，在抗擊新冠疫情的過程中，起到了重要的支撐作用，也是光子晶片發展的加速器。

　　光通信、感知與計算

　　目前來看，光子技術主要用在通信、感知和計算方面，而光通信是這三者當中應用最為廣泛的，而光計算還處於實驗室研究階段，距離大規模商用還有一段距離。

　　光通信已經商用很多年，市場廣大，相對也比較成熟，不過，核心技術和市場都被歐美那幾家大廠控制著，如II-VI，該公司收購了另一家知名的光通信企業Finisar，Finisar的傳統優勢項目在於交換機光模塊。另一家大廠是Lumentum，該公司收購了Oclaro，之後又將光模塊業務出售給了CIG劍橋。它們都在為未來光通信市場的競爭進行著技術和市場儲備。光電晶片是光通信模塊中最重要的器件，誰掌握了更多、更高水平的光晶片技術，誰就會立於不敗之地。

　　在光感知方面（主要用於獲取自然界的信息），雷射雷達是當下的熱點技術和應用，特別是隨著無人駕駛的逐步成熟，雷射雷達的前景被廣泛看好，不過，成本控制成為了阻礙其發展的最大障礙，各家傳感器廠商也都在這方面絞盡腦汁。另外，還有多種用於大數據量信息獲取的光學傳感器和光學晶片在研發當中，這也是眾多初創型光電晶片企業重點關注的領域。

　　而在光計算方面，矽光技術是業界主流，包括IBM、英特爾，以及中國中科院在內的大企業和研究院所都在研發光CPU，目標是用光計算來解決傳統電子驅動集成電路面臨的難題。

　　不過，矽基光電子產品的大規模商用還需時日，因為矽光晶片的規模應用同現有的產品技術方案存在著競爭，雖然性能更優，但是矽光的成本很高，矽光晶片需要足夠大的量才能擺脫價格方面的劣勢，而到目前為止，市場規模最大的數據中心和雲計算雖然用到了光電器件，但比重不高，還沒有完全向矽光晶片打開大門，而在當下光通信領域的需要量不足以支撐其大規模生產。因此，光計算市場還需要時間培育。

　　政策支持

　　正是看到了光子時代的美好前景，行業領先的半導體企業，以及眾多初創企業，紛紛在光子晶片領域重金投入，以求在未來的競爭中佔據主動。與此同時，多個國家政府也出臺政策，以扶持光子產業發展。

　　上世紀80年代，歐美發達國家就已經在光子晶片領域抓緊布局，美國國防部更是把光子學列為美國的20項關鍵技術之一。而德國政府則將光子學確定為21世紀保持其在國際市場上先進地位的九大關鍵技術之一，並投入35億歐元用於產業研發，並發布了著名的 「地平線2020」計劃，加大光電子集成研究。

　　在中國，2018年1月，國家工信部發布了中國光電子器件發展五年路線圖（2018-2022），其中明確提及了中國光通信器件產業目標：2022年中低端光電子晶片國產化率超過60%，高端光電子晶片的國產化率突破20%；2022年國內企業佔據全球光通信器件市場份額的30%以上，有1家企業進入全球前3名。

　　新時代 新機遇

　　在晶片行業，中國的整體水平暫時落後於人。而在諸如光學傳感、生物光子和消費光子等新興領域，中國與歐美日韓等發達國家差距較小，呈現出群雄逐鹿的態勢。

　　因此，光子時代的到來，對中國來說是一個非常重要的機遇。特別是中國現在面臨一個問題，就是核心晶片依賴進口，這不禁讓我想起了2018年針對中興通信的貿易禁令，其中，很大一部分是光電晶片和元器件。

　　所以，中國必須要攻克的就是以核心晶片為代表的核心技術，這是中國必須解決的問題。

　　在光電領域也是如此，中國本土也具備了較為完整的設備和模組產業鏈，但是上遊的光電晶片主要依賴進口，國產替代前景廣闊。而中興和華為事件的爆發，加速了晶片國產替代的腳步。

　　2017年，IPhone X手機的結構光人臉識別功能，帶動3D傳感的爆發，打開了VCSEL在電子消費領域的巨大市場。VCSEL的爆發，使得原本一片空白的國內市場如雨後春筍般地冒出了一批從事VCSEL雷射器晶片設計的企業，甚至一些從事大功率雷射器晶片的企業也切入VCSEL。同時，ToF憑藉較低的成本，也在手機3D感知應用方面迅速躥紅，與VCSEL形成分庭抗禮之勢。但是，目前國內產業鏈還不完善，上下遊鏈條沒有完全打通，特別是國內VCSEL外延環節的市場規模還未形成。這是挑戰，同時也是投資發展的機遇。

　　投資與共贏

　　綜上，光子晶片是朝陽產業，值得投資。

　　特別是5G產業對光電晶片的需求巨大，而且會不斷增長，因此，這逐漸成為了政府、投資機構，以及產業孵化器等重要的半導體投入板塊。無論是在光發射端、接收端，還是在光電轉換端，有越來越多的布局。

　　而在中國，創業和投資需要沉下心來，不能總是頻繁轉換風口，特別是在半導體和光子晶片這樣的高新技術領域，要有十年磨一劍的雄心、魄力和毅力，才能把事情做成功。

　　近些年，一批專注於光電技術和產業發展的投資機構和初創企業得到了越來越多的關注和尊重。投資機構如中科創星、德聯資本等。新興的光電晶片企業在材料、外延、晶片、設備、顯示等產業鏈環節均有布局目前，這些投資機構和晶片企業都做出了成績。

　　在光電晶片投資領域，中科創星在國內具有較強的代表性，早在2014年，中科創星便已側重在光電領域的布局，以突破「卡脖子」技術為目標，在信息的獲取、傳輸、存儲、計算、顯示與交互等細分領域持續組網「修路」。在其投資的90餘家半導體企業中，從事光電晶片及相關技術研發的佔有很高的權重，代表企業有曦智科技、奇芯光電、鯤遊光電、唐晶量子、賽富樂斯、飛芯電子、全磊光電、和其光電、知象光電、中科極光、東超科技等。

　　其中，鯤遊光電因為得到了華為哈勃科技的投資而成為了明星企業，其生產的DOE光學元件很有特色。從事VCSEL、射頻外延片生產的唐晶量子已開始獲得業內主流企業認可。另外，專注車載雷射雷達和ToF解決方案的飛芯電子，研發以InP和GaAs為襯底的 III-V 化合物半導體外延片的全磊光電，從事DCT-plate等效負折射率平板透鏡研發生產的東超科技等企業，都得到了業內主流投資機構的廣泛認可。

　　另外，中科創星還提供平臺、設備、基金，專門用於孵化晶片企業。例如，2015年，中科創星和多家科研機構共同發起設立了陝西光子集成電路先導技術研究院，2016年，設立了國內首支專注於光電晶片領域的早期基金——陝西先導光電集成創投基金，總規模10億元。

　　除了投資和晶片研發之外，產業生態建設也非常重要。因為光器件是我國整個光通信產業鏈最薄弱的環節，特別是高端晶片和器件，甚至是空白。市場對於光器件產品迭代速度要求越來越高，中國光器件企業要提升技術水平，只依靠企業自身是不夠的，需要結合學校、研究院所等科研力量，合作共贏。

　　作為國內頂尖的科研院所，中科院微電子所搭建了國內首個完整矽光工藝流片能力平臺，基於8英寸晶圓CMOS工藝線開發了成套矽光技術，包括矽光流片工藝庫和基礎器件庫，制定了矽光器件和晶片的設計規則和工藝規範，形成了矽光PDK。該平臺已對外提供包括無源器件和有源器件在內的矽光全流程工藝服務。

　　眾人拾柴火焰高，中國光電產業需要更多企事業單位的交流、合作，這就需要打造更多集科技資源統籌、戰略智庫規劃、國際前沿產業化技術研究、高端創新創業人才引進、創業投資與孵化為一體的光電子互通平臺。而北京就有這樣一個平臺，它就是定於 2020 年 11 月 24日（周二）舉辦的「2020 中國光子產業高峰論壇」。

　　該論壇邀請了知名科學家、行業領袖、知名投資人等共同參與，大家可以在一起分享相關領域的成果與經驗，探討光晶片所面臨的問題和動態。如果您是中國光電晶片及相關產業的一份子，誠摯邀請您蒞臨此次論壇！
       責任編輯:tzh

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