深入分析硅光芯片产业，AI 硅光子迎新机遇的时代

注意：原文为开源证券《AI 高速时代，硅光子迎来成长机遇”，分析师：蒋颖

利用现有现有的硅光子技术，以硅和硅基衬底材料为基础。 CMOS 光器件开发与集成技术的新一代技术，是实现光子与微电子集成的理想平台。

随着传统微电子和光电技术逐渐进入“后摩尔时代”，硅光产业链不断完善，已初步覆盖前沿技术研究机构、设计工具提供商、设备芯片模块制造商。Foundry、IT 在光通信、光传感、光计算、智能驾驶、消费电子等诸多领域，公司、系统设备制造商、客户等环节得到了广泛的应用。

在名叫《AI 在高速时代，硅光子迎来成长机遇的深度研究报告中，分析人员从多个角度介绍了硅光子技术的近期进展。

下面是内容节选：

硅光子技术：后摩尔时代重要技术平台

1、介绍硅光子技术

硅光技术是利用硅和硅基衬底材料(例如SiGe//Si、SOI等。)作为光学介质，相应的光子器件和光电器件(包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等。)都是通过集成电路技术制造的。这些器件用于激起、处理和操作光子，实现光通信、光互连和光计算的应用。

在当前“计算光传输”的信息社会下，微电子/光电子的技术瓶颈不断凸显，硅基光电子具有与CMOS微电子技术完美兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。

就需求发展而言，微电子和微电子集成源的动力来源于微电子/光电子各自的发展需要，微电子、深亚、μm下电连接面临严重的延迟和功耗瓶颈，需要引入光电连接处理电连接的问题；在光电方面，面对信息流量快速增加的加速降本需求，需要使用完善的微电子加工技术平台，实现大规模、高集成、高成品率、低成本的批量生产。

就技术特点而言，硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、高精度制造的特点和光子技术的快速、超低功耗的优点，以及硅光子技术基于硅材料本身的特点，主要具有集成度高、速度快、成本低等优点。

就发展过程而言，自1969年由著名的贝尔实验室提出以来，硅光子技术经历了1969-2000年的原理探索阶段三个主要发展阶段；2000-2008年的技术突破阶段；2008-2014年的集成应用阶段。现在，硅光子技术已经逐步进入应用扩展阶段：硅光子集成平台在许多领域得到了广泛的应用。

从技术演变来看，硅光子技术的发展可以分为四个阶段，因为由于硅材料本身的光电性能，仍然存在高密度集成灯源、集成低损耗高速光电调制器等问题。目前，硅光子技术主要集中在第二阶段——硅光子集成阶段。

就工艺而言，硅光子集成分为单片集成与混合集成，目前混合集成应用广泛，但单片集成性能较好，是未来的发展趋势。

2、核心组成硅光PIC

光子集成回路在硅光中（PIC）其中，主要包括光的产生、路由、调配、处理和检测。

其核心设备主要包括:激光(负责将电信号转换为光信号)、光调制器(负责提高光信号带宽)、光探测器(负责将光信号转换为电信号)、(解)复用设备(负责合并或分离不同波长携带的多通道数据)、(解)、光纤导线(负责在硅基材料上传输光信号)、光栅耦合器(负责减少与外界连接的光纤对准的插损)等。

1）激光器

由于硅材料间接带缝的能带结构使其难以实现高效的灯源，目前光源技术仍然是硅光芯片的一大技术难题，硅基灯源也可分为混合集成和单片集成两种形式。

混合集成包括片间混合集成、片上倒焊混合集成、片上键合异质集成。混合集成方案工艺成熟，但成本高，难以大规模集成；单片集成是一种性能有待提高的激光增益介质，直接从硅材料中生长特定材料。但一直被认为是硅光子片灯源的终极解决方案，可以与硅光子工艺同步缩小线距，提高集成度。有望实现大规模光电子集成电路。

2）调制器

光调制器是将调制信号加载到光波导上的设备，是完成从光模块到光信号转换的关键设备。硅光调制器也是硅光集成设备中的核心设备之一。目前，硅基调制器的3dB带宽可达67GHz以上，可支持单波200Gbit/s以上速度的调配和传输。

3）光探测器

光探测器（PD）其作用是将输入光信号转换成导出电信号，可用于接收端和发射端MPD的光模块。

4)复用装置(解)

(解)复用装置是实现波分复用技术中不同波长携带的多路数据合并或分离的关键装置。波分复用和解复用是将两个或两个以上不同波长的光信号合并到发射端的复用器中进行传输，然后在接收端通过解复器将不同波长的光信号分开的技术。采用波分复用和解复用技术，可扩大光连接的通讯能力，减少光纤的消耗，从而降低成本。

5）光波导

在硅基光子集成电路中，光波导常用于路由，有条形波导，脊形波导，弯曲波导。光波导分为核心层和包层。核心层硅材料和包层二氧化硅材料之间存在较高的折射率差异。这种差异一方面促使硅波导的尺寸非常紧凑，另一方面也导致光在波导中的传输损失对波导的表面粗糙度敏感。如何减少硅波导消耗是实际应用中硅光器件性能的一大挑战。

6）耦合器

硅基波导光学藕合技术是硅基光电芯片封装的核心技术，主要用于解决硅基集成光电芯片上光信号与外界光信号互连的问题。

3、硅光子工艺流程

整个硅光产品生产过程包括三个过程：设计、制造和封装。

硅光子集成技术作为应用CMOS技术的前沿技术方向，从设计方法、设计工具和流程、基于工艺平台的协同设计等方面参考和参考了微电子相关技术，使硅光芯片的设计者在实际生产中能够更方便地享受晶圆厂完善工艺的流片服务，而硅光子学不需要最先进的纳米光刻技术，可采用光刻水平不高的老式代工工厂带来成本效益。

整个过程主要经过设计、生产和包装，近年来在生产和设计技术瓶颈上逐步取得突破，包装成为出货量和良率受制的主要因素。

设计环节主要负责对硅光产品的电路图和内部结构进行规划。

在生产和封装阶段，主要负责将晶圆加工成硅光芯片，并对相应设备进行封装和测试。

4、硅光子技术面临的难题

硅光子集成技术具有广阔的市场前景，但目前仍面临许多挑战：

硅光器件的性能问题。目前，硅光子技术已经可以替代许多传统的光器件，但仍然存在一些技术问题需要克服，如如何减少硅波导的损耗，如何有效地将波导与光纤联系起来，如何克服温度对功率和波长稳定性的影响。这些技术问题将影响硅光子技术的普及和在数据中心场景中的应用。

测试步骤和方法。与常规的大规模集成电路芯片不同，光电芯片本身成本高，制造工艺多，工艺复杂，废品率高。因此，在与其他电芯片集成之前，有必要对晶圆进行测试和筛选，以防止二次芯片造成不必要的后期包装成本。

缺乏标准化解决方案。硅光芯片在各个环节都缺乏标准化解决方案。例如，设计环节需要使用特殊的EDA工具，制造和封装阶段缺乏提供硅光工艺晶圆代工服务的制造商。这使得硅光子技术更难大规模工业化。

但是总的来说，近几年硅光子技术的蓬勃发展，给许多行业带来了巨大的技术创新。

其他重要概念硅光子芯片

1、1.6T高速光通信时代加速，硅光模块或行业加速期加速

硅光模块具有集成度高、功耗低、成本低、微型化等优点。与传统光模块相比，硅光模块的工作原理基本相似，主要区别在于基于CMOS制造工艺的硅光芯片集成所产生的设备和技术差异。

总体而言，从应用领域来看，硅光子技术与III-V设备相比，在不同速度和距离的传输距离下，具有竞争优势。

2、CPO：未来高速光通信的发展方向可能是硅光CPO

CPO有望取代传统的可插拔光模块。板边光模块采用传统光电互连，布线长，寄生效果明显，存在信号完整性问题，模块体积大，互连密度低，多路功耗大。共封装技术在一个封装体内包装光收发模块和ASIC芯片，通过在同一个载板上包装光子器件和电子器件，进一步缩短了光信号输入和计算单元之间的电气连接长度，提高了光模块和ASIC芯片之间的连接密度，实现了较低的功耗。

与可插拔光模块相比，CPO的带宽密度提高了一个数量级，能效提高了40%以上。目前，基于硅基材料的光电芯片共封装技术发展最快。理想情况下，CPO可以逐渐取代传统的可插拔光模块，以更紧密的方式将硅光子模块和超大型CMOS芯片封装在一起，从而进一步优化系统的成本、功耗和尺寸。CPO方案很多，其中核心PIC多以硅光方案为基础。对物理结构进行分类

CPO可以分为三种技术形式：2D平面CPO、2.5DCPO和3DCPO。

3、OIO：硅光子技术是片间互联的重要解决方案

光线互连有望解决片间互联的瓶颈问题。片间通信主要采用片间互联技术(例如PCIe)、以太网、RapidIO、SPI等。)，随着芯片工艺的逐渐缩小，芯片互联网需要越来越细，互联网间距缩小，电子元器件之间的寄生效应会越来越影响电路的性能，因此互联网产生的各种效应成为影响芯片性能的关键因素。尤其是随着AI对数据中心等通信基础设施的传输效率提出了更高的要求，铜I/O在传统技术方案中接近物理极限，将难以支撑数据中心服务器密度的提高，同时其集成度低、功耗高的问题也逐渐显现出来。

与铝、铜、碳纳米管等传统互连材料不同，光互连不容易受到互连材料的物理极限影响。在制造工艺上，虽然光子芯片和电子芯片在工艺和复杂性上相似，但光子芯片对结构的需求并不像电子芯片那样严格，一般是100纳米，减少了对先进工艺的依赖。因此，在AI高速通信时代，光互联有望成为片间互联的理想选择。

OIO主要解决计算芯片之间的互联性问题。

OIO（In-PackageOpticalI/O）它是一种基于芯片光的互联解决方案，以及计算芯片（CPU、GPU、XPU）集成在同一个封装中，旨在实现分布式计算系统中两者之间的无缝通信(跨板、机架和计算行)。在同样能效的前提下，OIO的边带宽密度和UCle、NVlink、PCIe等电相互连接，但是传输距离远远超过电互连。OIO非常适合计算结构(即内存语义结构)，基于光互连低延迟、高带宽、节能的特点，有望成为机器学习拓展、资源分解、内存池定制的新数据中心结构的关键驱动力。

硅光子在多个领域的应用潜力很大。

在智能驾驶、光计算、消费电子等诸多领域，硅光子技术的CMOS技术适配性、高集成度、波导特性都有很大的发展空间。

1、智能化驾驶：硅光固态激光雷达技术路线是未来激光雷达发展的首选方向

硅光方案有助于激光雷达降低成本和成本。激光雷达有很多技术规范，硅光芯片化集成有望帮助激光雷达完成成本控制，实现上车成交量。硅光固态激光雷达将成为未来的发展趋势。

从工业发展的角度来看，激光雷达需要满足高性能、低成本两个方面才能实现大规模生产和上车。目前大部分方案都是依靠各种分立器件的集成来实现雷达系统。缺点是成本高、尺寸大、功耗高、可靠性低，在大规模上车时存在挑战。通过硅光子技术实现芯片集成，可以降低系统成本，实现大规模应用，具有性能高、成本低、超小、功耗低的优点。

在具体方案中，硅光固态激光雷达包括硅基相控阵激光雷达和硅基光开关阵激光雷达。

2、光计算：硅光有望成为实现集成光计算系统的主要材料平台

光学计算是一种新型的计算系统，它利用光作为信息处理的基本媒介，基于光学模块构建光学系统，并通过必要的光学操作实现信息处理或数据运算。

随着全球计算率规模的不断扩大和计算率升级面临的低碳问题，与传统计算机相比，光计算具有自然的并行计算能力、低功耗、高速低延迟、强抗干扰能力等优点。在特定场景下，有望取代传统计算机，解决摩尔定律和冯的困境•有潜力的诺依曼架构瓶颈问题之一。

由于其CMOS工艺适应、集成度高等优点，硅光有望成为集成光计算系统的主要平台。

光量子计算的关键硬件部件包括量子灯源、单光子探测器和光量子芯片，其中光量子芯片是所有企业研发的核心和重点。

硅材料具有很强的三阶非线性效应和紧密约束的特点。采用半导体微纳加工工艺，可实现光波导、光束分束器、光耦合器、光调制器等高密度片上集成光量子芯片的基础设备。

总之，由于其硅基光量子芯片技术的大规模集成和可编程配置的优势，它在基于光学系统的量子计算、量子模拟和量子信息处理的应用方面取得了一系列进展，在未来实现可产品化大规模光量子计算和信息处理的应用方面具有很大的潜力。目前，多家光量子计算公司通过与芯片制造商合作或自建芯片开发光量子芯片。

3、消费电子

硅光子技术集成度高，满足消费电子的空间需求。消费电子需要在有限的空间内集成更多的设备，对尺寸敏感。硅光的高集成特性满足了可穿戴设备、生物医疗等消费电子的需求。根据YoleGroup的预测，预计2027年基于硅光子技术的消费医疗市场规模将达到24亿美元。

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