當前的信息世界是建立在以二三極體、電阻電容等為代表的電子方案基礎之上的,但受限於半導體工藝,趨膚效應、量子效應等因素,進一步微型化、低能耗、高密度、高性能化面臨很大的挑戰。用光子替代電子作為信息的載體,目前來看是有可能解決這些問題的方案之一,被認為未來在通信、存儲領域,將產生重大的推動作用,備受關注。矽光子技術則是其中最為接近產業化的一種,目前全球都處在整個矽光產業爆發增長的前夜,當前僅有少數幾家美、日公司完成了產品研發並有一定規模的出貨量。
我們此前報導的XYTech(芯耘光電) 就在從事這方面的創業,公司專注於100G及以上速率的光晶片及光子集成技術開發,設計和製造。目前已經推出了傳輸距離為10公裡、40公裡的產品方案,100G的矽光晶片正在研發中,預計將於2018年推出樣品。
原理上來說,光通信利用了光全反射的原理,當光以一定的角度注入,光便可以在光纖中形成全反射,從而達到長距離傳播的效果。相比於其他的傳播方式,光通信可以做到大容量、長中繼距離、價格低,因此在寬帶、通信基礎設施中被廣泛應用。一般來說,通信時將電信號轉換成光信號,然後調製到雷射器發出的雷射束上,過光纖傳遞,在接收端接收並轉化為電信號,經調製解調後變為信息。從這裡可以推出,光通信領域主要的硬體可以分為系統設備、光纖光纜、光模塊三大部分。其中,光模塊裡面的光器件主要實現光電信號的相互轉換。
行業數據顯示,光晶片在光模塊中也是成本佔比最高的。有數據顯示,低端產品中光晶片成本佔比在30%左右,中端產品佔比在50%左右,高端產品佔比可達70%。眾所周知,通信網絡的應用場景不同,傳輸距離也不相同。接入網一般只需要10KM左右的傳輸距離,城域網需要80-120KM左右,骨幹網則往往需要達到500KM以上,而不同的傳輸距離,採用不同的調製方式,往往需要不同的光晶片進行支持。當前,隨著傳輸速率和傳輸距離的提升,對光晶片的性能要求也在提升。
得益於通信行業的高速擴張,對光晶片國產化的重視程度也不斷提升,近年來已經取得了一定的效果,如10Gb/s速率的光晶片國產化率接近50%,但25Gb/s速率及以上國產化率不超過5%,嚴重依賴於新博通、MAOM、三菱、住友、Oclaro等美日公司。數據分析,2015年僅華為和中興在主流光模塊廠商的採購額保守合約已達6.3億美元。而一旦遇到禁售,往往很難應對。因此,近年來諸如海思、光訊等國內知名公司和包括XYTech(芯耘光電)等在內的初創公司也都開始進行相關產品研發。
光晶片的研製過程可進一步分解成為三個環節,分別是外延材料設計、外延材料的生長以及後端工藝製備。外延材料設計是指藉助模擬仿真軟體設計出滿足應用需求的晶片外延結構。外延材料的製備是指利用相關方式生長出滿足設計要求的外延材料,其質量往往是影響光晶片性能的重要因素。後端工藝製備則是利用半導體相關工藝,將外延材料製作成具有一定表面結構的光晶片。
此前,光晶片主要以砷化鎵等三五族 (III-V)元素為生長材料,成本很高,XYTech(芯耘光電) 則希望使用矽基材料實現光波導和晶片。這方面,XYTech(芯耘光電)的團隊成員曾參與過早期第一代網際網路基礎架構、移動手機的射頻晶片方案設計,積累了豐富的高速射頻及太赫茲射頻集成電路設計和半導體工藝方面的經驗。
創業之初,XYTech(芯耘光電)就做過分析,隨著4G網絡升級到5G,100Gb/s速率的光模塊數量會大幅提升,國產光晶片的產業進度將有可能直接影響我國5G網絡的部署進程。XYTech(芯耘光電)告訴36氪,團隊經過8個月的研發,已經完成了100G光器件套片的研發,產品實際性能與設計性能十分接近,完全滿足設計指標,且同時解決了量產難題。目前的產品主要有4 X 25G、 4X28G、等規格,傳輸距離可達到10公裡、40公裡,適用於接入網、城際網,樣品已經送至設備商進行板級測試和驗證,預計今年四五月前後完成量產的全部準備。此外,單波100Gb/s速率的光晶片正在研發中,預計將於2019年完成。
XYTech(芯耘光電)認為中國是全球最大的光通信市場,即將到來的5G投資會激發國內100G市場的爆炸性需求,目前公司正積極地和產業鏈上下遊企業開展合作,布局相關的產業機會。
團隊認為,矽光子技術的成熟,不僅僅意味通信市場和數據中心市場的巨大機會,團隊也有計劃未來以矽光技術作為平臺切入到下一代車載雷射雷達、消費類MEMS光傳感器,高速光交換晶片,高性能光計算晶片等領域。
目前,XYTech(芯耘光電)組建了將近30人的核心團隊。核心成員來自中/美/歐頂尖半導體和光通信企業及相關行業學術機構人才。CEO 夏曉亮在半導體行業有超過15年的從業經驗,創辦XYTech(芯耘光電)之前曾在一家從事CMOS射頻微波晶片企業負責中國區的相關光通信和電信市場業務。核心高管餘永銳畢業於加州大學聖巴巴拉分校,獲得電子電氣工程博士學位,一直從事射頻微波和超高速光通信晶片項目開發,是全球最早的10G/40G/100G光通信晶片的設計者之一,其論文和IEEE核心會議邀請發表文章超過100篇。
根據最近發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018-2022 年)》中提到,到2022年,實現 400G 速率以下產品所用核心光電晶片50%的國產化,市場佔有率提升到 70%,1T+ 速率光收發模塊產品實現市場突破。我們簡單測算,僅考慮光通信和消費電子兩個領域市場,光晶片全球市場規模在 2017 年達到 32.4 億美元,到 2020 年將增長至 61.5 億美,複合增速為 23.8%。