硅光子已成为未来趋势

当格芯推出硅光代工平台，誓要成为领先硅光子代工厂；长电科技预测硅光封装成为未来趋势之时，这项早在上世纪提出的技术，正悄悄改变着半导体行业。

云时代带来的海量数据、逼近极限需要解决的节点间隙，这些可以通过光子解决的问题，正一步一步推动着硅光子前行。

阿里巴巴达摩院发布的2022十大科技趋势中，硅光芯片是其预测的趋势之一。随着云计算与人工智能的大爆发，硅光芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展。达摩院预计未来三年，硅光芯片将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。

光网络模块市场预计2021年至2026年间的复合增长率为26％，到2026年可能达到40亿美元。目前，硅光子技术主要用于通信领域，后续将逐步扩展到人工智能 （AI）、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。

硅光技术发展优势

在硅光子技术中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。从结构上看，硅光芯片包括光源、调制器、波导、探测器等有源芯片及源芯片。

硅光芯片将多个光器件集成在同一硅基衬底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技术主要有以下三大优势：

①集成度高。硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工艺制作光器件。

与传统方案相比，硅光子技术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。

②成本下降潜力大。在光器件和光模块中，光芯片的成本占比较高。传统的GaAs／InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。

近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的三五族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

③波导传输性能优异。硅的禁带宽度为1．12eV，对应的光波长为1．1μm。因此，硅对于1．1—1．6μm的通信波段（典型波长1．31μm／1．55μm）是透明的，具有优异的波导传输特性。

此外，硅的折射率高达3．42，与二氧化硅可形成较大的折射率差，确保硅波导可以具有较小的波导弯曲半径。

格芯推出新一代硅光子平台Fotonix

格芯近日宣布，它正在与包括博通（Broadcom）、Cisco Systems， Inc、Marvell 和英伟达（NVIDIA）等公司，以及包括 Ayar Labs、Lightmatter、PsiQuantum、Ranovus 和 Xanadu 在内的突破性光子领导者合作，以提供创新、独特、功能丰富的解决方案，来解决当今数据中心面临的一些最大挑战。

GF Fotonix 是一个单片平台，也是业内第一个将其差异化的 300mm 光子学特性和 300GHz 级 RF－CMOS 集成在硅晶片上的平台，可以大规模地提供一流的性能。

GF Fotonix 通过在单个硅芯片上结合光子系统、射频 （RF） 组件和高性能互补金属氧化物半导体 （CMOS） 逻辑，将以前分布在多个芯片上的复杂工艺整合到单个芯片上。

GF Fotonix 可在光子集成电路 （PIC） 上实现最高水平的集成，因此客户可以集成更多产品功能，并简化其材料清单 （BOM）。

终端客户可以通过增加容量和能力来实现更高的性能。新解决方案还支持创新的封装解决方案，例如大型光纤阵列的无源连接、2．5D 封装和片上激光器。

GF Fotonix 解决方案将在公司位于纽约马耳他的先进制造工厂生产，PDK 1．0 将于 2022 年 4 月推出。EDA 的合作伙伴 Ansys、Cadence Design Systems， Inc． 和 Synopsys 提供设计工具和流程，以支持格芯的客户及其解决方案。

格芯为客户提供参考设计套件、MPW、测试、制程前后、和半导体制造等服务，以帮助客户更快地进入市场。

中国硅光子芯片的研究

工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3％左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60％，高端光电子芯片国产化率突破20％。

国家层面，支持硅光技术的利好政策纷至沓来，各地政府也纷纷入局。上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。

湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。在政策的扶持下，国内也研制出硅光芯片。

2021年12月，国家信息光电子创新中心、鹏城实验室在国内率先完成了1．6Tb／s硅基光收发芯片的联合研制和功能验证，实现了我国硅光芯片技术向Tb／s级的首次跨越。

结尾：

当下，光子芯片的发展刚起步，整个产业链还未成熟，虽然我国依旧落后于欧美，但整体差距不大，有可能成为我国半导体行业换道超车的关键。

部分内容来源于：大印蓝海科技：以光代电的硅光工； 半导体产业纵横：写在硅光技术爆发前夜；瞻研究：硅光技术，后摩尔时代的突围方向