日前，思科宣布，公司將斥資6.6億美元的現(xiàn)金和股權(quán)獎勵收購加州半導(dǎo)體公司Luxtera。思科表示，思科表示，Luxtera先進(jìn)的硅光子芯片技術(shù)，能幫助思科滿足商業(yè)客戶對快速和高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。

無獨有偶，在幾個月前，中國信息通信科技集團(tuán)宣布，我國首款商用“100G硅光收發(fā)芯片”正式研制投產(chǎn)；上海市政府將硅光子列為首批市級科技重大專項，予以全力支持；國內(nèi)上市公司亨通光電宣布在硅光芯片上獲得突破。

國內(nèi)外供應(yīng)鏈的廣泛關(guān)注證明，硅光子芯片競爭進(jìn)入了一個新階段。

為什么關(guān)注硅光子？

近年來，全球數(shù)據(jù)流量與正在高速發(fā)展。尤其是正在到來的5G引爆的各種引用，將會進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)中心流量的增長，這就對其內(nèi)部的傳輸提出了新的需求，硅光子就是為了解決這個問題而產(chǎn)生的。

目前，傳統(tǒng)光模塊主要采用III-V族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、光學(xué)組件等器件封裝而成，本質(zhì)上屬于“電互聯(lián)”。而隨著晶體管加工尺寸的逐漸縮小，電互聯(lián)將逐漸面臨傳輸瓶頸，在此背景下，硅光子技術(shù)運(yùn)用而生。

硅光子市場規(guī)模預(yù)測（source：Intel）

所謂硅光子集成技術(shù)，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實現(xiàn)其在光通信、光互連、光計算等領(lǐng)域中的實際應(yīng)用。硅光技術(shù)的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統(tǒng)銅線作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，大大提升芯片之間的連接速度。

硅光子芯片示意圖（source：IBM）

因為這種技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢。硅光子技術(shù)能夠解決400G通信時代需要面對的PAM4電調(diào)制方案帶來的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發(fā)的器件數(shù)量增加與工作帶來溫度提升帶來的溫漂等挑戰(zhàn)性問題。

這項技術(shù)自1969年由貝爾實驗室提出以來，就一直受到廠商的廣泛關(guān)注。本世紀(jì)初， IBM、Intel、Sun Microsystems（ 后 并 入 Oracle）、NTT/NEC 等公司便設(shè)立獨立硅光子部門并投入大量資源，和學(xué)術(shù)界一起對硅光子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深入研究，IBM和Intel也都推出了相應(yīng)的硅光子芯片。而在產(chǎn)學(xué)研三方的努力下，近十年更是催生了Luxtera、Kotura、Lightwire 、Aurrion和Acacia等一波聚焦在硅光子通信的公司，硅光子產(chǎn)業(yè)一觸即發(fā)。

巨頭環(huán)伺的市場

因為硅光子擁有如此大的魅力，這就吸引了上述眾多廠商投入其中，并取得了不錯的成果。

以IBM為例，在2015年，該公司對外展示了一款號稱完全整合的分波多任務(wù)CMOS硅光子(silicon photonics)芯片。時任IBM Research硅光子部門(Silicon Photonics Group)經(jīng)理Will Green表示，該芯片的4個laser信道──分別以25Gbps的速度在芯片上運(yùn)作──是以鍺(germanium)光學(xué)探測器以及光學(xué)解多任務(wù)器(demultiplexers)，將之融合為單一100Gbps電子信號，在需要時進(jìn)行處理；該電子信號能以干涉儀(interferometers)調(diào)變四道芯片外的laser，成為在芯片邊緣外行進(jìn)的光脈沖。

IBM的全整合式分波多任務(wù)CMOS光子芯片

“我們所展示的是該單芯片以分波多任務(wù)所達(dá)成的 數(shù)據(jù)速率，光學(xué)濾波器結(jié)合與分離多任務(wù)色彩，就能完成硅光學(xué)組件的解多任務(wù)程序；這一切只要使用任何一座CMOS晶圓廠的硅與電介質(zhì)制造的單一芯片，搭配以次100納米(sub-100nm)絕緣上覆硅(silicon-on-insulator)生產(chǎn)的鍺薄膜光探測器”， Green強(qiáng)調(diào)。

另一個硅光子先行者Intel在硅光子方面也有了很深的研究。

早在上世紀(jì)90年代末，英特爾就開了一個平面光電路公司，這引起業(yè)界的頗多關(guān)注，但他們在 2004 年卻又將這個業(yè)務(wù)悄然關(guān)閉。數(shù)年前，Intel宣布他們的 Light Peak技術(shù)能夠讓高速光鏈接降到平價，這讓光互連領(lǐng)域為之興奮（Light Peak 后來演變成蘋果的 Thunderbolt）。用于電傳輸。對硅光子的投入則是英特爾對之前探索的延續(xù)，他們還在2015年推出了一款全新硅光子產(chǎn)品，這個采用內(nèi)置混合集成激光器+硅調(diào)制器的方案可以在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸過程中提供極大速率。據(jù)了解，這款產(chǎn)品不僅價格較低，生產(chǎn)過程也比較容易，該技術(shù)有望改善數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換瓶頸問題。

按照英特爾數(shù)據(jù)中心集團(tuán)執(zhí)行副總裁黛安·布萊恩特的說法，網(wǎng)線中的電子不會對硅光子產(chǎn)品造成影響，“我們研發(fā)硅光子技術(shù)已經(jīng)超過16年，是首家‘用光點亮硅芯片’的公司?！?，她強(qiáng)調(diào)。

Intel的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（source：Intel）

今年八月在羅馬召開的歐洲光通信會議（ECOC）上，英特爾公布了其新型硅光子接收器的規(guī)格。據(jù)介紹，其100G CWDM4（粗波分復(fù)用 4 通道）QSFP28 光收發(fā)器的工作溫度范圍比較廣，具有雙速率 40Gbps / 100Gbps 通用公共射頻接口（CPRI）和 eCPRI，雙工單模光纖下的使用距離可達(dá) 10 公里，旨在為通信和云服務(wù)商提供支持 5G 無線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的硬件。他們還將將從2018年 4 季度起向客戶交付 400 Gbps DR4 硅光子模塊樣品，并在 2019 下半年開始量產(chǎn)。

其實在2015年英特爾推出其產(chǎn)品之前，文章開頭的主角，被思科收購的lextura已經(jīng)推出了外置激光器+硅調(diào)制器方案。這家成立于2001年的公司是全球第一家提供光子器件解決方案的公司。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS電子學(xué)工藝集成，體積比傳統(tǒng)的光子器件更小。

Luxtera表示，他們和臺積電合作開發(fā)的技術(shù)可以相比其他硅光方案提供翻倍的性能和四倍的傳輸能力，支持光互聯(lián)能力與CMOS電芯片的全面集成，并可以進(jìn)一步降低功耗和成本。按照計劃，他們會從2018年開始利用臺積電的7nm CMOS工藝把這些新技術(shù)用在100GBase-DR和400GBase-DR4模塊中。Luxtera 和 Intel在之前一直在用激進(jìn)的定價，試圖在光模塊市場打開一個缺口。

通過對Photonic Controls、BinOptics、FiBest等企業(yè)的收購，美國大廠MACOM也進(jìn)入了硅光芯片市場。按照他們介紹，。MACOM在硅光平臺種引入了具有專利的端面刻蝕技術(shù)（EFT）和自對準(zhǔn)技術(shù)（SAEFT）使其硅光產(chǎn)品獨具優(yōu)勢。這也讓MACOM的激光器芯片無需氣密封裝，可顯著降低最終元器件的尺寸和成本，并且允許硅光子集成電路直接位于模塊電路板上，從而增大了硅光子可實現(xiàn)的互連密度。他們將包括激光器、調(diào)制器和多路復(fù)用器在內(nèi)的光學(xué)器件封裝到單個硅芯片上的硅光PIC系列產(chǎn)品也將于2018年第二季度開始批量供貨。

成立于2009年的Acacia也是硅光子芯片的另一個重要玩家，他們在2014年就發(fā)布了首款具有完整100G相干收發(fā)器功能的單芯片硅光子集成電路（PIC）。同時，公司也是第一個在市場上發(fā)布 400G 轉(zhuǎn)發(fā)器的供應(yīng)商，在硅光領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先實力。

其他如Finisar、Oclaro、博通、SiFotonics、Leti、、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex和IMEC、ST、臺積電、格芯、Fabrinet等也都是這個領(lǐng)域不可或缺的參與者。除了這些獨立的廠商外，思科和華為，甚至谷歌和Facebook這些原本客戶的加入，讓硅光芯片這個市場競爭更為激烈：除了近期收購的Luxtera，思科在2012年就已經(jīng)斥資2.7億美元收購了硅光子公司Lightwire；華為也在2013年前后收購了比利時硅光子公司Caliopa和英國光子集成公司CIP，加碼這個領(lǐng)域。

挑戰(zhàn)依然存在

雖然硅光子市場前景看好，但在工藝和設(shè)計上依然面臨一系列的挑戰(zhàn)。

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所的郭進(jìn)、馮俊波和曹國威在其題為《硅光子芯片工藝與設(shè)計的發(fā)展與挑戰(zhàn)》的論文中指出，與微電子工藝相比，硅光子在總體路徑、版圖、工藝和材料方面都有其特殊性，那么在工藝的開發(fā)過程中就必須考慮到溫度預(yù)算、污染控制和關(guān)鍵工藝等問題。他們指出，硅光子集成的工藝開發(fā)路線和目標(biāo)比較明確，困難之處在于如何做到與 CMOS 工藝的最大限度的兼容，從而充分利用先進(jìn)的半導(dǎo)體設(shè)備和工藝，同時需要關(guān)注個別工藝的特殊控制。硅光子芯片的設(shè)計目前還未形成有效的系統(tǒng)性的方法，設(shè)計流程沒有固化，輔助設(shè)計工具不完善，但基于 PDK 標(biāo)準(zhǔn)器件庫的設(shè)計方法正在逐步形成。如何進(jìn)行多層次光電聯(lián)合仿真，如何與集成電路設(shè)計一樣基于可重復(fù) IP 進(jìn)行復(fù)雜芯片的快速設(shè)計等問題是硅光子芯片從小規(guī)模設(shè)計走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。

基于標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的硅光子工藝流程開發(fā)

Inphi的首席技術(shù)官Radha Nagarajan在接受semiengineering采訪時表示：“光子的波長比電子的要大得多。這也是為什么電子產(chǎn)品可以進(jìn)入7nm節(jié)點，而標(biāo)準(zhǔn)硅光子器件是130nm或180nm節(jié)點，而且通常使用245nm光刻線。光學(xué)器件不同于電子器件，它們的相位較為敏感，側(cè)壁粗糙度和損耗很重要。當(dāng)這些成為重要因素時，重要的將不是節(jié)點，而是更大尺寸但更精準(zhǔn)的節(jié)點下，光刻和蝕刻的質(zhì)量?！?/p>

西門子公司Mentor定制IC設(shè)計組的產(chǎn)品營銷經(jīng)理Chris Cone則強(qiáng)調(diào)，當(dāng)你驅(qū)動一個光子接口時，你遇到了很多關(guān)于噪聲和大量熱量的問題，這必須考慮在內(nèi)。沒有東西可以提供這種能力，這一切都?xì)w結(jié)為接口，它速度非?？?，以每秒幾十千兆位的速度運(yùn)行，開關(guān)驅(qū)動調(diào)制器上的結(jié)點或移相器，并產(chǎn)生一個你必須考慮的EMI簽名。同樣，從光電探測器出發(fā)，你需要一個非常敏感的輸入進(jìn)入跨阻放大器。你必須屏蔽來自電路其它部分的噪聲。

雖然開發(fā)困難比較大，且競爭環(huán)境激烈。但對于國內(nèi)廠商來說，去投入這個產(chǎn)業(yè)是必須的。尤其是在中興制裁時間之后，我們看到了國內(nèi)在光通信方面的短板，尤其是在硅光子方面，國內(nèi)更是幾近于無。這就迫使國內(nèi)將這個研發(fā)提上日程。

但按照中興光電子技術(shù)有限公司的孫笑晨和張琦在其名為《硅光子通信產(chǎn)品技術(shù)和商業(yè)化進(jìn)程》的文章中的說法，由于這個產(chǎn)業(yè)的專業(yè)細(xì)分化和各層次的高度成熟性，使得在未形成有 效的 Fabless- Foundry 模 式前 ，進(jìn)入的門檻和初始的投入非常大。無論對于初創(chuàng)公司還是大公司的部門，都需要準(zhǔn)備大量的研發(fā)資源并仔細(xì)考慮其應(yīng)用場景。