发布时间： 2024-10-31 09:37:23来源：智行车家
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，是实现光子和微电子集成的理想平台。随着传统微电子、光电子技术逐步步入“后摩尔时代”，硅光产业链逐步完善，已初步覆盖了前沿技术研究机构、设计工具提供商、器件芯片模块商、Foundy、IT 企业、系统设备商、用户等各个环节，硅光子技术作为平台型技术，其高速率、高集成度、低成本、低功耗、小型化等特点正逐步凸显，正被广泛应用于光通信、光传感、光计算、智能驾驶、消费电子等多个领域。
一、硅光子在智能驾驶、光计算等多领域应用潜力大
硅光子技术的 CMOS 工艺兼容、高集成度、波导特性在众多领域存在应用可能，如智能驾驶、光计算、消费电子等方向有很大的发展空间。
1.1、 智能驾驶：硅光固态激光雷达技术路线是未来激光雷达发展的优选方向
车载激光雷达市场前景广阔。激光雷达是一种使用激光脉冲来测量障碍物距离的传感技术。随着技术的进步和激光雷达制造成本的降低，目前已成为自动驾驶、无人机、智能机器人等领域的关键传感技术，特别是作为自动驾驶的核心组成，其车载领域的应用具备广阔的成长空间。根据深圳自动驾驶智能研究中心、车控CHEK 和 HiEV 联合发布的《车载前装激光雷达全球发展报告（2022）》预测，到2027 年，全球激光雷达的发货量将接近 300 万台，年复合增长率将达到 76%，全球市场规模将达到近 60 亿元人民币。 
硅光方案助力激光雷达降本放量。激光雷达技术方案众多，硅光芯片化集成有望助力激光雷达完成成本控制进而实现上车放量，硅光固态激光雷达或成未来发展方向。
从技术上看，自动驾驶所使用的激光雷达主要涉及探测技术和扫描技术。探测技术主要有脉冲飞行时间（ToF）和调频连续波（FMCW）两种模式；扫描技术可分为机械、半固态（如 MEMS、转镜）和全固态（如色散、Flash 和 OPA）等。不同厂商的激光雷达采用了不同的探测技术、扫描技术和激光波长。从发展趋势来看，激光波长正在从 905 向 1550 纳米演进，探测技术正在从 ToF 向 FMCW 演进，扫描方式正在从机械向半固态、全固态演进。
从产业发展来看，激光雷达要实现规模化量产上车需要满足高性能和低成本两方面，目前多数方案都是依靠各类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，在大规模上车上存在挑战。通过硅光子技术实现芯片化集成，可以降低系统成本、实现规模化应用，具备高性能、低成本、小尺寸、低功耗等优点。具体方案上，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列激光雷达两种：硅基相控阵激光雷达就是将光源、光分束器、相位调制器、光转束器、探测器等集成在几平方毫米的区域，快速识别远方目标；硅基光开关阵列激光雷达是通过将激光器发射的光经过硅基上的光开关阵列传输到特定位置的光学天线，并配合天线上方设置的透镜实现光束偏转。 
硅光 FMCW 的解决方案获企业布局。从实际应用来看，Intel Mobileye、Aeva正积极推进硅光 FMCW 激光雷达的应用，2024 年 1 月 8 日，Aeva 宣布推出首款专为量产汽车应用而设计的 4D LiDAR 传感器 Aeva Atlas，其 CoreVision 正是基于硅光构建，利用硅光子技术取代了传统 Tof 激光雷达中的复杂光纤系统，并以合适的成本实现量产；在 CES 2021 大会上， Mobileye 展示了与 Intel 合作开发的硅光FMCW 激光雷达芯片，预计2025 年实现上车。
1.2、 CPO：硅光CPO 或成为未来高速光通信发展方向
CPO 有望替代传统可插拔光模块。传统光电互连采用的板边光模块，走线较长，寄生效应明显，存在信号完整性问题，且模块的体积较大、互连密度低、多通道功耗较大。共封装技术将光收发单元与 ASIC 芯片封装在一个封装体内，通过将光子器件和电子器件封装在同一个载板上，进一步缩短了光信号输入和运算单元之间的电学互连长度，在提高光模块和 ASIC 芯片之间的互连密度的同时实现了更低的功耗。
CPO 相较于可插拔光模块，带宽密度提升一个数量级，能量效率优化 40%以上。目前基于硅基材料的光电芯片共封装技术发展最为迅速，理想情况下，CPO可以逐步取代传统的可插拔光模块，将硅光子模块和超大规模 CMOS 芯片以更紧密的形式封装在一起，从而使系统成本、功耗和尺寸都得到进一步优化。
CPO 方案众多，其中核心 PIC 多基于硅光方案。从物理结构分类，CPO 可分为 3 种技术形态：2D 平面CPO、2.5D CPO 和3D CPO。
2D CPO：基于 2D 封装的 CPO 技术是将光子集成电路 PIC 和集成电路 EIC 并排放置在基板或 PCB 上，通过引线或基板布线实现互连。2D 封装的优点是易于封装、灵活性高。电子集成电路和光子集成电路都可以使用不同的材料、不同的工艺单独制作。根据芯片和基板互连方式不同，基于 2D 封装的技术发展出了基于引线键合的 CPO、基于倒装的 CPO、基于扇出型晶圆级封装技术的 CPO 3 种技术路径。
2.5D CPO：2.5D 封装将 EIC 和 PIC 均倒装在中介层（Interposer）上。通过中介层上的金属互连PIC 和EIC，中介层与下方的封装基板或PCB 板相连。根据所用转接板的材料不同，基于 2.5D 封装的技术发展出了基于玻璃转接板的 CPO、基于硅转接板的 CPO 和基于嵌入式多芯片互连桥接。
3D CPO：3D 封装技术将光电芯片进行垂直互连，可以不仅能实现更短的互连距离、更高的互连密度和更好的高频性能，还能实现更低的功耗、更高的集成度和更紧凑的封装。基于 3D 封装的CPO 技术是目前CPO 技术研究的热点和趋势。
CPO 商用在即，市场前景广阔。根据 Lightcounting 预计，CPO 出货预计将从800G 和 1.6T 端口开始，于 2024 至 2025 年开始商用，2026 至 2027 年开始规模上量，主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。全球 CPO 端口的销售量将从 2023 年的 5 万增长到2027 年的450 万。2027 年，CPO 端口在 800G 和 1.6T 出货总数中占比接近 30%。Yole 报告数据显示，2022 年CPO 市场产生的收入达到约 3800 万美元，预计 2033 年将达到 26 亿美元，2022-2033 年复合年增长率为 46%。
硅光子技术有望充分受益于 CPO 发展。目前 CPO 仍处于产业化初期，技术工艺上，CPO 在封装工艺、仿真技术、可靠性、标准化等方面仍然面临诸多挑战；产业发展上，CPO 的技术路线优化本质上是对整个网络架构的优化，需要数据中心整体产业链的协同推进；参与厂商上，当前 CPO 产业链包括设计、光引擎供应商、激光器供应商、交换机厂商、硅光代工厂、设备商等。
我们认为，CPO 作为新型光电互连技术，在 AI 光通信迅速发展的背景下，CPO 或是实现高速率、大带宽、低功耗的必经之路，有望成为光通信行业必备技术，特别是对目前基于可插拔光模块方案的产业链影响，CPO 已然成为学术和产业界的研究重点，以及对传统光模块厂商的综合考验。其中硅光子技术作为 CPO 的核心技术之一，有望充分受益于 CPO的发展需求，并成为各大厂商的战略布局重心。 
二、硅光子技术：后摩尔时代重要技术平台
2.1、 硅光子技术是微电子/光子集成的理想平台
硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术是利用硅和硅基衬底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作为光学介质，通过集成电路工艺来制造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），这些器件用于对光子的激发、处理和操纵，实现其在光通信、光互连、光计算等多个领域的应用。
硅光子技术是实现光子和微电子集成的理想平台。在当前“电算光传”的信息社会下，微电子/光电子其技术瓶颈不断凸显，硅基光电子具有和成熟的 CMOS 微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。
从需求发展来看，光电子和微电子集成源动力来自于微电子/光电子各自的发展需求，微电子方面，深亚微米下电互连面临严重的延时和功耗瓶颈，需要引入光电子利用光互连解决电互连的问题；光电子方面，面对信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的微电子加工工艺平台，实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。
从技术特点来看，硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、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，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技术主要具有高集成度、高速率、低成本等优点：
（1）高速率：硅的禁带宽度为 1.12eV，对应的光波长为 1.1μm，硅对于 1.1-1.6μm 的通信波段（典型波长 1.31μm/1.55μm）是近乎无损透明，具有优异的波导传输特性，可以很好地兼容目前的光通信技术标准，同时利用光通路取代芯片间的数据电路，在实现大容量光互连的同时也保持着低能耗和低散热，高效地解决网络拥堵和延迟等问题；
（2）高集成度：硅基材料具有高折射率和高光学限制能力，可将光波导弯曲半径缩减至 5μm 以下，基于成熟的 CMOS 工艺制作光器件，可实现硅光芯片更高的集成度及更多的嵌入式功能，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅（PLC）和磷化铟（InP）光芯片有望提高百倍以上，同时光芯片尺寸缩减也随之带来有低成本、低功耗、小型化等独特优势；
（3）低成本：硅材料作为世界上储量第二的材料，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生产制造也基于 CMOS 和 BiCMOS 等集成电路工艺线，可以实现规模化量产，在芯片成本有较大的下降潜力。 
从发展历程来看，硅光子技术从最初在 1969 年由著名的贝尔实验室提出以来，经历了3 个主要的发展阶段：
1969-2000 年的原理探索阶段，受限于工艺和技术的限制，硅光子技术的发展只集中在硅基有源器件和无源器件的实验室研究阶段；
2000-2008 年的技术突破阶段，以 Intel 为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期间 2004 年 Interl 研制出第一款 1Gb/s 速率的硅光调制器，人们看到硅芯片中“光进铜退”的可能性，其他各类硅光器件如探测器、激光器、无源器件等也陆续获得突破；
2008-2014 年的集成应用阶段，以 Luxtera、Intel、和 IBM 为代表的公司不断推出商用级硅光子集成产品，如 Intel、Luxtera 的硅光光模块，Acacia 的相干光模块等；
目前，硅光子技术已逐渐进入应用拓展阶段：硅光子集成平台被广泛应用于多领域，比如在通信领域，已基本建立了面向数据中心、光纤传输、5G 承载网、光接入等市场的一系列硅光产品解决方案；在新型微处理器技术上，DARPA、Intel、 Ayar Labs 等国外研发机构正在致力于实现硅光芯片与高性能微电子芯片的融合，并已验证了集成硅光 I/O 芯片的新一代 FPGA、CPU 和 ASIC 芯片；在光计算领域， Lightmatter、Lightelligence 等公司积极推进应用于 AI 神经网络运算的硅光芯片；研究人员已研制出集成度最复杂的硅光量子芯片；在智能驾驶领域，硅光固态激光雷达或成下一代激光雷达的重要革新。 
硅光子技术由分组硅光向着可编程芯片方向发展。从技术演进来看，硅光子技术发展可分为四个阶段，由于受限于硅材料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、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：
第一阶段，分组硅光：硅基器件逐步取代分立元器件，即将硅做出光通信底层器件，并实现工艺标准化；
第二阶段，硅光子集成：集成技术从混合集成向单片集成演进，实现部分集成，即通过不同器件的组合集成不同的芯片；
第三阶段，全光电融合：光电全集成化，实现合封的复杂功能；
第四阶段，可编程芯片：器件分解为多个硅单元排列组合，局针化表征类；该种通过编程来改变内部结构的芯片，可自定义全功能。
从工艺角度来看，硅光子集成分为单片集成和混合集成，目前混合集成使用较广，但是单片集成性能更优，是未来发展趋势。
单片集成：将光子学组件直接集成到同一块硅芯片上，包括光源、光调制器、波导、耦合器等光学元件，从而形成一个紧凑的光学电路。单片集成方式的优势在于可以减小尺寸、提高集成度、降低制造成本。
混合集成：将硅芯片与其他材料的光学组件结合在一起，即将电子器件（硅锗、 CMOS、射频等）、光子器件（激光/探测器、光开关、调制解调器等）、光波导回路集成在一个硅芯片上。其中，硅芯片主要负责电子部分的处理，而其他材料的光学元件则负责光的生成和调制。混合集成的优势在于可以利用硅芯片的电子器件和其他材料的优异光学特性，实现更高效的光通信和传感应用。目前，硅光子技术主要采用基于 SOI（绝缘衬底上硅）衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。 
