国内硅光子技术发展回顾及困难解析
作者：王伟
发布日期：2019-01-11
硅光子技术最早1969年由贝尔实验室提出，50年来大体经历了技术探索（1960年-2000年）、技术突破（2000年-2008年）、集成应用（2008年至今）三个阶段。期间内，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，以传统半导体强国为主导的全球硅光子产业格局悄然成形。
美日欧硅光子技术发展概览
美国一直注重光子产业的发展，早在1991年就成立了“美国光电子产业振兴会”（OIDA），以引导资本和各方力量进入光电子领域。2008~2013年，DARPA开始资助“超高效纳米光子芯片间通讯”项目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC）。目标是开发和CMOS兼容的光子技术用于高通量的通讯网络。2014年，美国建立了“国家光子计划”产业联盟，明确将支持发展光学与光子基础研究与早期应用研究计划开发，支持4大研究领域及3个应用能力技术开发，并提出了每一项可开发领域的机会和目标。
美国以IBM、Intel、Luxtera公司为代表，近年来都在光互连技术研发方面取得了不错的成绩。
Intel 硅光子产业发展规划
日本发展光电子技术时间也较早，1980年，为推动光电子技术的发展，日本成立了光产业技术振兴协会（OITDA）。在产业化及市场方面，由于光电领域的重大技术发明多产生于美国，因此，早期日本政府主要是靠引进外国技术进行消化吸收，后期则是自主创新过程。2010年，日本开始实施尖端研究开发资助计划（FIRST），该计划由日本内阁府提供支援。FIRST计划是从600个提案中选出30个核心科研项目予以资助，项目资助的总金额达到1000亿日元。光电子融合系统基础技术开发（PECST）是FIRST计划的一部分，以在2025年实现“片上数据中心”为目标。
硅光子技术在欧洲各国也受到了广泛的关注。2010年前，为了发展光电子集成电路（OEIC），欧洲发起了几大项目：PICMOS项目验证硅回路上InP键合器件的全光链路；随后发起的WADIMOS项目进一步验证光网络；英国硅光子学项目和欧洲HELIOS项目主要关注光电子集成的电信设备，可以完成SOI光子回路的晶片键合或光子金属层的低温制造。从2013开始， 欧盟的节能硅发射器使用III-V族半导体量子点和量子点材料的异质集成（SEQUOIA）项目一直在开发具有较好的热稳定性、高调制带宽以及可能产生平面波分复用蜂窝的混合III-V激光器。作为欧盟第七框架计划（FP7）研发领域的具体目标研究项目（STREP）之一，IRIS项目由爱立信与欧洲委员会联合创建，旨在利用硅光子技术，创建高容量和可重构WDM光交换机，实现在单个芯片上整体集成电路。
2013年，欧盟启动4年期针对硅光子技术的欧盟PLAT4M（针对制造的光字库和技术）项目。该项目的目的是打造硅光子技术的整个产业链，聚集了以法国微电子和纳米技术研究中心CEA-Leti为领导的包括德国Aifotec公司等在内的15家欧盟企业和研究机构以及潜在用户。
我国硅光子产业发展道路曲折
在硅光子学研究方面，我国较早开展了相关研究，例如中科院半导体研究所的王启明院士近年来专心致力于硅基光子学研究，主持了国家自然科学基金重点项目“硅基光电子学关键器件基础研究”，在硅基发光器件的探索、硅基非线性测试分析等方面取得了许多进展。但从整体来看，我国对硅基光子学的研究与世界相比还有一定差距。
反观我国硅光子产业，处于发展初期，产业基础较为薄弱。且国内设计的高端硅光子芯片基本都要在国外流片，导致成本高周期长，很大程度上制约了我国硅光子技术的发展。
目前，光迅科技、华为、海信都已经在硅光子产业开展部署规划，光迅科技已经投入研发探索硅光集成项目的协同预研模式，力争打通硅光调制、硅光集成等多个层面的合作关节，但是国内整体技术发展距离发达国家仍有较大的差距。中国在光电子器件制造装备研发投入分散，没有建立硅基和 InP 基光电子体系化研发平台。随着国内企业综合实力逐渐增强，以及国家集成电路产业的扶持，国内厂商需要不断加快推进硅光子项目。
2015年4月9日，美国商务部发布报告，决定拒绝英特尔向中国的超级计算广州中心出售至采用硅光子技术“至强”(XEON)芯片用于天河二号系统升级的申请。对于突然实行至强芯片禁运的原因，美国方面给出的解释是这4家中国超算中心从事“违反”美国安全或外交政策利益的活动。
随即2016年3月7日，中兴通讯首度遭受美国商务部制裁，不仅不允许其在美国国内采购芯片，并要求供应商全面停止对中兴的技术支持，制裁条款整整实行的1年；在当时，美国硅光子公司ACACIA每年25％硅光子模块的产量都是销往中兴通讯。
2017年，上海市政府将硅光子列入首批市级重大专项，面向硅光子全产业链，针对国内发展硅光子最为短缺的工艺平台、核心关键技术和关键产品研发精准布局，开展激光雷达、人工智能计算芯片、大规模光开关、3D光电集成等具有巨大应用潜力的前沿研究，力求让国内企业摆脱对国外光芯片供应商的依赖。
2017年底，工信部发布《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》并指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求在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%。
到了2018年1月，国内首个硅光子工艺平台在上海成立，可以提供综合集成技术的流片服务，流片器件及系统性能指标与国际最优水平相当，流片速度相比国外的流片代工线速度快了一倍，只需3个月。目前，张江实验室正在建造我国第一条硅光子研发中试线，预计2019年3月通线运行。
国内硅光芯片发展的四大难题
（一）硅光子芯片技术的设计痛点
硅光芯片的设计方面面临着架构不完善、体积和性能平衡等难题。硅光芯片的设计方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺点是面积利用率不高、SOI衬底光/电不兼容、灵活性低和波导掩埋等，在工艺上的成本超高；后端集成在制造方面难度很大，尤其是波导制备目前而言很有挑战；至于混合集成，虽然工艺灵活，但成本较高，设计难度大。
（二）硅光子芯片技术的制造难题
硅光芯片的制造工艺面临着自动化程度低、产业标准不统一、设备紧缺等技术难关。由于光波长难以压缩，过长的波长限制芯片体积微缩的可能。同时光学装置须要更精确的做工，因为光束传输的些微偏差会造成巨大的问题，相对需要高技术及高成本。光子芯片相关的制程技术尚有待完善，良品率和成本将是考验产业的一大难题。
（三）硅光子芯片面临的封装困扰
芯片封装是任何芯片的必经流程，关于硅光子的芯片封装问题，这是目前行业的一大痛点。硅光芯片的封装主要分为两个部分，一部分是光学部分的封装，一部分是电学部分的封装。从光学封装角度来说，因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小，跟光纤存在着不匹配的问题，与激光器也存在着同样的问题；不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大，这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别。用硅光做高速的器件，随着性能的不断提升，pin的密度将会大幅度增加，这也会为封装带来很大的挑战。
（四）产业相关的器件难题
硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相关技术难题未解决。如硅基光波导主要面临的产品化问题：硅基光电子需要小尺寸、大带宽、低功耗的调制器。有源光芯片、器件与光模块产品是重点器件，如陶瓷套管/插芯、光收发接口等组件技术目前尚未完全掌握。