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    国产硅光芯片的厚积薄发

    2023年09月12日 09:57:47   来源:微信公众号:半导体产业纵横

      随着摩尔定律的放缓,人们开始将视线转移到其他方式。自2021年开始,越来越多的人将视线投向了硅光。2021年12月,阿里巴巴达摩院发布2022十大科技趋势之一是硅光芯片;同年,英特尔研究院宣布成立集成光电研究中心。

      硅光技术成为了众人期待的能够延续摩尔定律的技术之一。作为一种新型技术,硅光芯片的发展已经跨过了萌芽期,目前我国硅光芯片进展如何?

      01

      硅光技术逐步使用

      要聊硅光芯片,首先了解一下这个新兴的技术。据北京邮电大学教授、博士生导师李培刚解释,硅光芯片制造技术是基于硅和硅基衬底材料,利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行光器件开发和集成的技术,其结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。

      为什么开始探索硅光芯片?

      一方面,如前文所述,硅光芯片极有可能成为突破摩尔定律瓶颈的技术。一般来讲,硅材料适合大规模的集成,其工作温度宽、散热性能好、性能稳定,有致密的氧化物钝化层。而硅集光电子集成芯片的兴起,可以利用成熟的硅工艺,其晶圆尺寸大、单颗芯片成本低;制程线宽小,直接进入130nm/90nm/45nm。因此,硅光芯片可以利用成熟的硅半导体代工供应链,与CMOS、SiGe等产业共享产能。

      另一方面,硅光芯片的“超低功耗”,能够使得在能耗日益增加的时代,减少电力消耗。举一个例子,现在即使是在消费设备层面,数据速率也开始超过传统互连技术的能力。比如,最新高清电视的非凡像素密度和高帧速率使传统的铜质HDMI电缆变得越来越无效。即使在家庭娱乐系统中相对较短的距离内,此类电缆的信号衰减程度也很严重。

      这里的核心问题是,传统的电子数据系统需要对电线进行充电和放电,以便将一点数据从A点发送到B点。即使在CPU和RAM芯片内部的微观电线中,这种充电-放电周期需要精力和时间。

      美国斯坦福大学应用物理学家和电气工程师大卫·米勒也曾指出,信息处理中使用的大部分能量都用于通信,而不是逻辑。即使在栅极级,能量耗散的主要驱动因素是充电和放电的导线的电容,每微米导线的电容约为200阿托法拉(10–18F)。在数据中心层面,*的服务器群可能消耗整个发电厂的电力。如果将电缆和开关配置为使用光子而不是电子进行通信,那么其中许多问题都将得到显著缓解。

      虽然硅光芯片在器件性能、集成度还是应用方面都有了众多突破性进展,但至今仍有很多主流光模块厂商依然采用光电器件分立封装的形式,主要原因是受限于硅材料本身的光电性质。例如,硅材料间接带隙的能带结构使得它无法实现高效率的片上光源,线性光电效应(Pockels效应)限制了调制器的速度。

      所以,如果要实现真正意义上大规模光电集成芯片的产业应用,需要依托硅材料与不同种类光电材料的异质集成,以充分发挥各种材料的优异特性。其中包括磷化铟(InP)(激光器和其他可在光纤上推动光子的技术的黄金标准)和硅锗(SiGe)(广泛用于高速混合信号电子器件中,使光受到控制)。

      02

      硅光芯片的历程

      硅光子技术最早在1969年由贝尔实验室提出,全球硅光子技术历经50多年发展,已进入产业化。欧美一批传统集成电路和光电巨头通过并购迅速进入硅光子领域抢占高地。

      2004年,英特尔研制出*款1Gb/s速率的硅光调制器之后,人们才看到硅芯片中“光进铜退”的可能性。其后,在IBM、康奈尔大学、贝尔实验室、MIT等单位共同推动下,硅光芯片工作速率在2013年左右达到了50Gb/s,首次超越当时主流的光电子器件,硅光芯片的产业化大幕就此揭开。

      之后,硅光技术持续演进,光模块朝着提升波特率一直迈进。从10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s。2016年英特尔利用片上键合异质集成技术已开发出100Gbps4通道硅光模块,至2021年已实现500万颗以上模块的销售。

      2020年不少企业纷纷研发出不同类型的400G光模块,海思更是发布了《400G全场景光模块白皮书》,探讨400G光模块应用场景。

      2022年是800G光模块的启动年,各大厂商纷纷布局800G光模块的“研发-量产”之路。国内的华工科技也在2022年推出应用于超大规模云数据中心领域、高速率可插拔800G OSFP DR8 SiPh光模块。

      整体而言,目前100Gb/s硅光模块已成熟应用,400Gb/s硅光模块正在进入规模化商用阶段,800Gb/s硅光模块已研制成功,下一步将向着1.6Tb/s发展。

      03

      光模块和光芯片国产化率差异

      光模块中最核心的部分是光芯片,激光器芯片和探测器芯片合称为光通信芯片,激光器芯片技术壁垒较高,依照结构不同又可分为VCSEL、FP、DFB、EML等不同种类。光通信芯片在中端和高端光模块成本中占比超过50%。

      目前,国内光模块和光芯片国产化率出现了明显的差异。根据Lightcounting和ICC的数据,2022年全球光模块份额前十的厂商中有7家中国厂商,分别为中际旭创(排名并列第1)、华为(排名第4)、光迅科技(排名第5)、海信宽带(排名第6)、新易盛(排名第7)、华工正源(排名第8)、索尔思光电(排名第10)。

      而25G光芯片的国产化率为20%,25G以上光芯片的国产化率仅5%。也就是说,尽管我国光模块厂商发展势头良好,但绝大多数模块厂商并不具备光芯片研发自给能力,需要进口采购,依赖外部合作或者海外光芯片供应商的长期供应。

      例如剑桥科技光芯片就长期依赖美国光学巨头Lumentum供应。在今年回答投资者提问时,表示:“硅光芯片有几个渠道,最深度合作的就是思科,这是长期的合作。最近也投资了南通赛勒公司,公司还在评估北美另外一家。”

      目前国内做光芯片的企业包括源杰科技,仕佳光子和长华光芯。首先来看源杰科技,其以IDM模式深耕光芯片,主要产品包括2.5G、10G和25G及更高速率激光器芯片。在今年的业绩发布会上,源杰科技表示面向800G等高速光模块,公司有对应的100G光芯片产品。目前,100G产品研发进展比较顺利,主要的核心工艺难点、设计难点已经实现了突破,目前在和客户对标送样准备中。

      再来看仕佳光子,凭借在PLC和AWG光芯片的突破成为国内无源光芯片*,是全球*PLC分路器芯片制造商,全球市占率*,达到53.92%。2023上半年,仕佳光子重点对400G/800G光模块用AWG、平行光组件、连续波高功率激光器等芯片及组件,相干通讯用超宽带密集波分复用AWG等关键技术持续攻坚,现已实现客户验证及小批量出货。

      最后看长华光芯。长光华芯在2014年就开始了VCSEL的工艺研发(3英寸),2017年开始建设6英寸量产线,相当于是硅基半导体的12英寸量产线。

      目前,长光华芯已拥有2英寸、3英寸、6英寸三大半导体激光芯片晶圆垂直整合生产线,拥有边发射激光芯片(EEL)和面发射激光芯片(VCSEL)两大产品结构,GaN(氮化镓)、GaAs(砷化镓)和InP(磷化铟)三大材料体系。

      今年5月,长华光芯发布了单波100Gbps(56Gbaud四电平脉冲幅度调制(PAM4))电吸收调制器激光二极管(EML)芯片,支持四个波长的粗波分复用(CWDM),达到了使用4颗芯片实现400Gbps传输速率,或8颗芯片实现800Gbps传输速率的应用目标,产品可用于400G/800G超算数据中心互连光模块。

      光模块厂商方面,光迅科技、华为海思、海信宽带、华工正源等也是具备光芯片研发和生产能力。

      光迅科技是国内*量产10G以下DFB、APD芯片的厂,也是国内*具备自主研发全系列PLC芯片并规模生产的厂商。光迅科技有能力出货8000万芯片/年。

      海思光电目前在100GE~400GE数据中心网络光芯片均有产品,在2020年时,面向数据中心400G光模块主要包括400GE-SR8、400GE-DR4/DR4+和400GE-FR4三种。

      华工正源自2001年成立,主要研究包括光芯片、光模块、光组件、智能终端等,其市场规模位居全球光电器件厂商TOP8。2021年Q1,实现400G全系列数通光模块批量交付、自研400G硅光芯片实现量产;2022年Q3,实现800G全系列发布。

      值得注意的是,光模块已经开启了800G时代。行业知名调研机构LC预测,预计2024年,800G光模块将超过400G光模块的销售额,市场容量达70亿美元。

      2010年左右,100G的交换芯片出现,2016年100G交换机开始规模部署。2017年*400G交换芯片Tomahawk3送样,2020年200G和400G光模块开始规模部署。博通于2022年8月推出Tomahawk5交换芯片,标志着800G光模块规模部署的先决条件逐步具备。

      今年,随着海外AI数据中心的交换机互联速率逐步由400G向800G升级,在数据中心间(DCI)、叶交换机和脊交换机上已开始使用800G光模块。

      目前,国际上仅少数公司实现了400G-800Gb/s硅光芯片的商用,这方面中国内产商走在了前列。2020年,光迅科技和中际旭创率先发布了800G相关产品。

      中际旭创在今年透露,公司重点客户明年对800G光模块需求较今年将达成几倍的增长,公司对相关产品的扩产将一直会持续到明年上半年;剑桥科技表示,客户目前已经开始接受800G硅光光模块产品送样并且有小批量发货;华工科技400G硅光芯片已开始量产,800G硅光芯片也具备了小批量生产能力。

      文章内容仅供阅读,不构成投资建议,请谨慎对待。投资者据此操作,风险自担。

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