硅光子及共同封裝光學(xué)元件（CPO）成為業(yè)界新顯學(xué)，網(wǎng)絡(luò)上流傳出臺(tái)積電攜手博通、輝達(dá)等大客戶共同開發(fā)，最快明年下半年開始迎來(lái)大單。

據(jù)臺(tái)灣《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》報(bào)道，對(duì)于相關(guān)傳聞，臺(tái)積電表示，不回應(yīng)客戶及產(chǎn)品狀況。不過(guò)，臺(tái)積電高度看好硅光子技術(shù)，臺(tái)積電副總余振華日前曾公開表示：“如果能提供一個(gè)良好的硅光子整合系統(tǒng)，就能解決能源效率和 AI 運(yùn)算能力兩大關(guān)鍵問(wèn)題。這會(huì)是一個(gè)新的范式轉(zhuǎn)移。我們可能處于一個(gè)新時(shí)代的開端。”

IT之家注意到，臺(tái)積電、英特爾、輝達(dá)、博通等國(guó)際半導(dǎo)體企業(yè)都陸續(xù)展開硅光子及共同封裝光學(xué)元件技術(shù)布局，最快 2024 年就可看到整體市場(chǎng)出現(xiàn)爆發(fā)性成長(zhǎng)。

業(yè)界分析，高速資料傳輸目前仍采用可插拔光學(xué)元件，隨著傳輸速度快速進(jìn)展并進(jìn)入 800G 世代，及未來(lái)進(jìn)入 1.6T 至 3.2T 等更高傳輸速率，功率損耗及散熱管理問(wèn)題將會(huì)是最大難題。

硅光子技術(shù)用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，透過(guò) CPO 封裝技術(shù)整合為單一模組，現(xiàn)已獲得微軟、Meta 等大廠認(rèn)證并采用在新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。


硅光芯片成兵家必爭(zhēng)之地

縱觀硅光子在全球的發(fā)展情況，美國(guó)是硅光子最先興起的，也是目前發(fā)展最超前的國(guó)家。

早在1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念，但是由于InP波導(dǎo)的高損耗和工藝落后難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，這一技術(shù)在當(dāng)時(shí)未能掀起波瀾，之后將這一技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大的是Intel。2010年Intel開發(fā)出首個(gè)50Gb/s超短距硅基集成光收發(fā)芯片后，硅光芯片開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。隨后歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過(guò)并購(gòu)迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領(lǐng)域布局最全面的公司。

中國(guó)真正開始大規(guī)模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學(xué)術(shù)上的研究，起步晚導(dǎo)致中國(guó)在硅光子的產(chǎn)品化進(jìn)程上不如美國(guó)。但中國(guó)對(duì)于硅光子技術(shù)研發(fā)方面人才和資金的大規(guī)模投入，使得國(guó)內(nèi)硅光產(chǎn)業(yè)與國(guó)外差距并沒(méi)有十年之久。2017年中國(guó)的硅光產(chǎn)業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展。

從產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)展看，全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸成熟，從基礎(chǔ)研發(fā)到商業(yè)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)均有代表性的企業(yè)。

其中以Intel、思科、Inphi為代表的美國(guó)企業(yè)占據(jù)了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭羊。國(guó)內(nèi)廠商主要有中際旭創(chuàng)、熹聯(lián)光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、華為、亨通光電等。雖然國(guó)產(chǎn)廠商進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，市場(chǎng)份額相對(duì)較小，但是通過(guò)近年來(lái)在技術(shù)上的快速追趕，國(guó)產(chǎn)廠商與國(guó)外廠商在技術(shù)上的差距已經(jīng)在逐步縮小。


什么是硅光子芯片技術(shù)？

顧名思義，硅光子芯片技術(shù)是一種光通信技術(shù)，使用激光束代替電子半導(dǎo)體信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，是基于硅和硅基襯底材料（如： SiGe/Si、SOI ）等；并利用現(xiàn)有CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成的新一代技術(shù)。

其中，硅光子技術(shù)也結(jié)合了集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)對(duì)摩爾定律失效的顛覆性技術(shù)，這種組合得力于半導(dǎo)體晶圓制造的可擴(kuò)展性，因而能夠降低成本。

其次，硅光子技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于擁有相當(dāng)高的傳輸速率，可使處理器內(nèi)核之間的數(shù)據(jù)傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認(rèn)為是新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

緊接著，硅光子技術(shù)是由四個(gè)關(guān)鍵器件來(lái)組成：

光源：生產(chǎn)光信號(hào)的器具，通常采用激光器或LED。

光波導(dǎo)：將光信號(hào)導(dǎo)到需要的位置，通常采用硅基光波導(dǎo)。

調(diào)制器：用于調(diào)制光信號(hào)的強(qiáng)度、相位或頻率，通常采用光電調(diào)制器。

探測(cè)器：將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器具，通常采用光電二極管或光電探測(cè)器。

基于，硅光波導(dǎo)的多種光無(wú)源器件和有源器件均已先后開發(fā)成功，其中不少達(dá)到了實(shí)用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導(dǎo)體材料，不能直接構(gòu)成電驅(qū)動(dòng)激光器和光放大器，需要通過(guò)不同材料的混合集成加以實(shí)現(xiàn)。

接下來(lái)，我們應(yīng)熟知硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)：

集成度高：硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件；與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

成本下降潛力大：傳統(tǒng)的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長(zhǎng)受限，生產(chǎn)成本較高。近年來(lái)，隨著傳輸速率的進(jìn)一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升；與三五族半導(dǎo)體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1.1μm。因此，硅對(duì)于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長(zhǎng)1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性；此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

此外，對(duì)于我國(guó)目前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，硅光子芯片有它獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)——可以避開先進(jìn)光刻機(jī)的掣肘；

雖然，它在制作流程和復(fù)雜程度上同傳統(tǒng)芯片相似，但它對(duì)于制程工藝的先進(jìn)程度要求不高，不像傳統(tǒng)芯片那樣制程和能效的關(guān)聯(lián)性巨大，一般百納米級(jí)的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求。

再者，這對(duì)于我國(guó)來(lái)說(shuō)，120納米左右的芯片是完全可以自主生產(chǎn)的，這樣就可以繞開先進(jìn)制程工藝的限制，在未來(lái)實(shí)現(xiàn)換道超車。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術(shù)的投入研發(fā)再次被重視，越來(lái)越多的科技公司開始加大對(duì)硅光子技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)投入。


產(chǎn)業(yè)鏈機(jī)遇

目前光模塊市場(chǎng)規(guī)模最大的場(chǎng)景是數(shù)據(jù)中心，800G光模塊已進(jìn)入市場(chǎng)導(dǎo)入驗(yàn)證和批量出貨狀態(tài)，1.6T產(chǎn)品也已實(shí)現(xiàn)研發(fā)突破。其中，傳統(tǒng)光模塊占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，硅基材料的硅光模塊逐漸進(jìn)入市場(chǎng)開始商用化。

傳統(tǒng)光模塊將III-V族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、被動(dòng)光學(xué)組件及光纖封裝到一起，主要成本來(lái)自III-V族光芯片和系統(tǒng)封裝。III-V族InP/GaAs等材質(zhì)的光芯片在25Gbps時(shí)的傳輸速率時(shí)已趨于傳輸極限，直接限制了光通信系統(tǒng)的傳輸效率。相比來(lái)看，硅光模塊可突破傳統(tǒng)單通道光芯片的傳輸瓶頸，在未來(lái)高速傳輸時(shí)代具有較大優(yōu)勢(shì)。相較傳統(tǒng)分立光模塊，硅光模塊還擁有成本低、功耗低、兼容CMOS工藝、集成度高的優(yōu)勢(shì)。

從硅光器件、硅光芯片到硅光模塊，硅光子產(chǎn)品可分為三個(gè)層次。

其中，硅光模塊主要由硅光器件、驅(qū)動(dòng)電路和光接口組成。硅光模塊按功能可分為接收模塊，發(fā)送模塊，收發(fā)一體模塊等類型。相較傳統(tǒng)光模塊，具有傳輸速率大、集成度高、傳輸損耗低等優(yōu)勢(shì)，在通信互聯(lián)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，硅光模塊市場(chǎng)前景廣闊。

預(yù)計(jì)硅光芯片全球市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的1.52億美元增長(zhǎng)至2027年的9.7億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率約為36%。增長(zhǎng)最快的應(yīng)用領(lǐng)域是共封裝引擎和光互聯(lián)，2021-2027年復(fù)合增長(zhǎng)率分別為302%、259%。

2016至2025年全球硅光模塊市場(chǎng)規(guī)模將從2.02億美元增長(zhǎng)至37.28億美元，復(fù)合增長(zhǎng)率約為38%。其中200G和400G硅光模塊復(fù)合增長(zhǎng)率約為96%。

目前400G硅光模塊的商用還存在一定的遲滯。在未來(lái)800G等更高速率的光模塊，硅光技術(shù)將具有更大的優(yōu)勢(shì)。

整體來(lái)看，硅光技術(shù)最主要的應(yīng)用是收發(fā)器，用于長(zhǎng)距離傳輸和數(shù)據(jù)中心。同時(shí)，受到光收發(fā)器的研發(fā)驅(qū)動(dòng)，硅光技術(shù)在5G收發(fā)器、光纖陀螺、免疫分析、消費(fèi)者健康等場(chǎng)景的應(yīng)用也開始受到市場(chǎng)關(guān)注。

用于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)和共封裝光學(xué)產(chǎn)品正處于開發(fā)階段，預(yù)計(jì)CPO（共封裝光學(xué)）將在2025年后在HPC場(chǎng)景得到應(yīng)用。隨著產(chǎn)業(yè)鏈分工垂直化和硅光技術(shù)的發(fā)展，硅光技術(shù)在激光雷達(dá)、生物傳感、光子計(jì)算等領(lǐng)域也會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的突破和落地。

從硅光產(chǎn)業(yè)鏈上來(lái)說(shuō)，與電芯片相似，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)鏈上游為晶圓、設(shè)備材料、EDA軟件等企業(yè)；中游可分為硅光設(shè)計(jì)、制造、模塊集成三個(gè)環(huán)節(jié)，其中部分公司如Intel、ST等為IDM企業(yè)，可實(shí)現(xiàn)從硅光芯片設(shè)計(jì)、制造到模塊集成的全流程；下游則主要包括通信設(shè)備市場(chǎng)、電信市場(chǎng)和數(shù)通市場(chǎng)（數(shù)據(jù)中心通信市場(chǎng)）。隨著硅光市場(chǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)光模塊廠商也在通過(guò)自研/并購(gòu)切入硅光設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

從設(shè)計(jì)、制造、封裝以及硅光器件來(lái)看，硅光技術(shù)整體仍有較大提升空間，產(chǎn)品性能及成熟度有待提升，同時(shí)下游客戶驗(yàn)證也需要時(shí)間。因此硅光產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司還需找準(zhǔn)定位，進(jìn)行模式突破。