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1、,硅光子行业分析,2017年4月,1,2,3,4,5,6,7,芯片层面的光进铜退是必然趋势,在固网传输领域，全球已经历了光纤替代铜线电传输数据的浪潮，解决了长途传输过程中的网络建设问题。云计算、大数据时代的到来，全球企业快速将业务重心转移到云平台架构，数据中心流量快速提升。光通信已经发展了近40年，从 八十年代左右开始，相继完成了WAN、MAN、LAN、System、Board 领域的渗透。,光传输发展路径,传统光通信模块主要是由III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、被动光学组件及光纤封装而成。随着晶体管加工尺寸不断减小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用，传统铜电路已接近瓶颈，5
2、0Gbps已接近传输极限。,铜线在高速传输信号（10G）时出现困难,铜线的传输极限未来将无法满足数据中心通信和云计算产业的发展需求，需要更快的传输速度，数据中心内部及芯片层面的光进铜退成为必然。,技术背景,随着晶体管加工尺寸不断减小,电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号串扰大、成本高等局限,芯片集成度提高的速度减慢甚至趋于停滞。IT从业者开始为半导体芯片寻找继任者，出现了光子计算、量子计算、超导计算等概念。由于光信号在传输过程中很少衰减且可获得极大的带宽，最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的工艺难度相对较低，所以科研人员认为用光通路取代电路在硅芯片间传输数据是一种有效的解决方案。
3、由此硅光子技术应运而生。,硅光子技术的发展经历了技术探索、技术突破、集成应用三个阶段：,1969年美国贝尔实验室的S.E.Miller首次提出集成光学概念。1972年S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半导体衬底上同时集成光器件和电器件的设想。然而当时为了制备功能多样的光器件，仍需采用不同特性的材料作为衬底，这大大限制了集成光器件的发展。,进入21世纪，互联网的兴起对宽带速度的要求越来越高，数据中心CPU芯片的协同运算能力受到芯片互联带宽的严重制约。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。,2008年以后，以Luxtera、Intel、和IBM为代表的公
4、司不断推出商用级硅光子集成产品。在2012年之后，Kotura公司、美国Alcatel-Lucent、Acacia公司、日本的Fujikura公司相继都有相关报道，不断推动硅光子集成技术的发展。,技术概述,硅光子技术,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。概括地说，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代传统铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度，可使处理器内核间的数据传输速率比目前提升100倍以上，取得比传统铜导线更优异的数据传输性能与极低的能耗。,基本原理,硅光子架构主
5、要由光源、调制器、光纤/波导、探测器等几部分组成。使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过调制，将电信号转换为光信号，通过电路板上铺设的光波导，到另一块芯片后再转换为电信号。相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度，甚至更快。而传输介质采用硅作为集成光器件衬底，可以利用已有的集成电路工艺制作光器件，有助于降低成本及实现光电集成。,光发送集成芯片,光接收集成芯片,光收发集成芯片,技术优势,功耗更低、可靠性更高相比传统的光学技术，它结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联密度以及更多的嵌入式功能，同时功耗更低、可靠性更高。早
6、在上世纪70年代就提出了集成光学的概念，即在同一芯片中同时集成光器件和电器件，但由于技术上的各种限制，更由于网络发展远未达到传输瓶颈，硅光技术更多地停留在学术研究层面。,在数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高带宽传统的铜电路已经接近物理瓶颈，继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求：数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。例如一颗Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二
7、。,突破芯片互联瓶颈单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机，已经连续五次获得世界计算机Top500的第一名，它的柜与柜所有的连接就都是通过光进行通信。铜电路不仅带宽提升困难，功耗和发热也不可小视，由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题，光信号在安全性上得到了巨大提升。因此业界对硅光技术寄予了厚望。,1,2,3,4,5,6,7,硅光子产品层次,硅光子器件与产品可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。硅光器件：是各个环节的功能单元，主要包括光源、调制器、探测器、波导等。硅光芯片：将若干基
8、本器件进行单片集成，以实现高性能、低功耗、低成本等特性。包括光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等。硅光模块：是最终系统级的产品形式，即将光源、硅光子器件/芯片、外部驱动电路（激光器驱动、调制器 IC 和探测器读出放大 IC 等）集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等。,硅光组件概述,硅光器件：光源,硅光通信系统中，光源是光信息载体，为便于高速稳定地传输大量信息，要求光源具有响应时间小（典型值小于1ns）、单色性好（光谱带宽小于或等于2nm）等特点，而且要求其可以相应尺寸的波导实现较好耦合。实际使用
9、的所有半导体激光器都是多层异质结器件。,现状,主要挑战,在硅光通信系统中，硅基激光器的集成是一大难点，因为硅是间接带隙半导体，发光效率低，难以制备硅基发光器件。同时，由于硅的间接能带隙，如何提供高效的电子泵浦光源还是目前的主要挑战。,技术进展,引入高效电子泵浦光源的一个方法是采用III-V族发光材料与硅光电路混合集成。目前有三种途径实现，一是使用III-V族芯片在硅上粗对准键合，随后进行硅圆级加工；二是在硅或SOI上直接外延生长层III-VI族层；三是前两个方法的结合：在硅上生产长III-V族增益层，然后将其键合到SOI晶圆，以达到有效的波导耦合和光子集成电路制造。目前，硅光子中大多数光源使用
10、III-V硅晶圆键合（异质集成）或对接耦合（混合方案）。硅与III-VI族材料的集成能利用两类材料的优势，硅能提供低传播损耗，而III-VI族材料能带来高增益值、通过改变合金组成对能带隙进行调整。根据需求的不同，光源分为连接器光源和电信光源。,连接器光源,电信光源,未来连接器技术的三个关键指标是带宽密度、能效和延迟。电气互联将无法跟上能力要求，未来十年光学连接器将成为片上通信的首选设计。在以上三个指标达到要求后将会朝光互联过渡。,窄线宽（narrow linewidth）激光在现代通信中变得越来越重要。传统III-V激光线宽在兆赫范围，而达到最优性能需要时线宽达到亚千赫的程度（sub-kHz）
11、,各年宽可调谐集成激光器线宽,按以下三类：III-VI族激光器对接耦合芯片（assembly）单芯片（异质集成）,小结,尽管混合集成激光器可能是片上光源的最有潜力的实用方案之一，但以Intel 为首研究的全硅拉曼激光器和以美国MIT为首研究的硅基锗激光器也在近年取得了一系列突破，以英国伦敦大学为首的硅激光器也取得了良好性能。这些都为未来实现完全CMOS 工艺兼容的硅基光互连提供了前期的技术储备。,硅光器件：硅光调制器,概述,从激光器发出的光波是没有加载信号的，需要经过调制器，将外界电流、电压信号转换为光波的强度、幅值、相位、频率、偏振方向等参数，将电信号数据加载到光波上实现信号的光学传输。光调
12、制器有电光、热光、声光、全光四种调制，电光调制性能最佳，其原理是利用晶体的电光效应，通过控制外电场来改变晶体折射率或双折射率，从而改变输出光波的相位或强度。光学微机电系统调制的也是一种可选方案，但仅限于一些低速应用。调制器关键参数包括速度、调制深度、驱动电压(或功耗)、光损耗、紧密度、波长范围、温度敏感性和偏振依赖性。,目前电光调制器主要分为三类：利用直接电光效应的LiNbO3调制器、利用多量子阱电吸收原理的InP调制器、利用等离子色散效应的硅基电光调制器。等离子色散调制器基于马赫-泽德干涉（MZI），这是目前主要的商用调制器。目前主要挑战在于降低功耗，要实现足够的调制深度通常需要较大驱动电压
13、（6v），功耗约在pJ/bit。等离子色散调制器又可分为载流子积累型、注入型和耗尽型，而调制效果最好的是载流子积累型。基于载流子积累效应的调制器可以提升约5倍的效率，但是制造工艺更复杂，或需要掺杂多晶硅从而导致高传播损耗。一个解决方案是使用一个共振或慢波结构减小封装尺寸和调制器的驱动电压，但这样会使设备的温度依赖性高，并缩小光学带宽。如果对设备调优（tuning）以抵消温度变化也会导致功耗增加。另一种方案已应用在商用产品中，即弗朗兹一凯尔迪什效应调制器，这类调制器同样存在一定的温度依赖性。还有一种较有前景的方案是电浆调制器（plasma modulator）。,技术现状与挑战,理想的光学调制器
14、是高调制速度、大带宽、低损耗、小尺寸及超低功耗.然而,目前这些要求无法同时都满足。所以，目前在实际应用中是根据不同的目的进行折中优化。,小结,光调制器原理,硅光器件：复用/解复用器件,概述,为了充分发挥光通信带宽优势，采用波分复用（WDM）技术是一种有效途径。此外还有偏振复用（PDM）、模式复用（MDM）等复用技术。,波分复用技术是利用多个不同波长的光，在单根光纤/波导上的多通道数据实现并行传输，极大地拓展了已光互连的通信容量，因而在长距离光通信系统中获得了极大成功，得到了广泛应用。其关键功能是如何将不同波长携带的多路数据合并或分开，对应的关键器件即波分复用器件。实现波分复用器件的基本原理是利
15、用光束干涉，可分为双光束干涉和多光束干涉两大类。相比于双光束干涉器件（如马赫曾德尔干涉仪），多光束干涉器件可实现更窄带宽的滤波，易于实现多通道密集波长复用。最常见的多光束干涉波分复用器件主要有阵列波导光栅（AWG）、刻蚀衍射光栅（EDG）、微环谐振器（MRR）等。波分复用技术的特点：光无源波分复用器的可靠性较高，结构简单、尺寸小、易于与光纤耦合，可双向传输降低器件的极限速率。WDM技术在满足系统容量的基础上，大幅降低了对某些器件的性能要求提高光线频带效率具有透明的传输信道，与电调制方式和信号的传输速率均无关提高光纤网络组网的灵活性，增加其使用范围，使系统具有多功能存在插损和串扰，会降低系统的实
16、际有效功率。未来硅光子的波分复用将从稀疏波分复用向密集波分复用发展。,技术现状与挑战,采用单一的复用方式已经无法满足不断增长的巨大的带宽需求，而模式复用技术同现有非常成熟的波分复用技术、偏振复用技术一般有着很好的兼容性。其较高的信息密度，减小了器件的体积，对于有限的片上空间来说意义更为重大。多种复用方式混合使用可以实现更大带宽的光链路，有效地提高光的信息密度，是未来互联的发展方向。,小结,硅光器件：耦合器,概述,硅基波导光学耦合技术用于解决硅基集成光电芯片上的光信号同外部光信号互连的问题。硅基光波导的宽度通常在300500nm左右，相比于通常使用的单模光纤（芯径尺寸约810um）在几何尺寸上有
17、很大差距，造成了模场的严重失配，如图所示。因此需通过设计不同结构、材质的光耦合器件，使片上硅波导的光模场同单模光纤的光模场耦合相匹配，达到最优光耦合效率，常使用端面SSC（spot size converter）耦合以及光栅耦合两种方式。,端面SSC耦合：使光信号直接在硅基波导的横截面和光纤的横截面直接相耦合，优点在于耦合效率较高，而且能够在不改变光路的情况下进行对准。在制备上工艺难度大，需要特殊的端面抛光。通过在硅波导端面制作多层波导结构改变光波传播的模场，以实现不同直径模场匹配。不同波导材质及外形尺寸设计对SSC耦合损耗有影响。光栅耦合器：是一种常见的实现芯片与光纤间光互联的耦合器，原理是
18、利用布拉格衍射效应，光从光纤垂直（或有微小偏角）入射到光栅耦合器表面时，衍射光会在芯片表面垂直于光栅结构的方向上相互干涉得到增强，从而使一部分光延光栅耦合器进入芯片中的光波导。通过这种方式使得耦合器结构和位置的设计更加的自由，同时光栅结构（通常为12m12m）的尺寸同光纤芯尺寸（810m）相适应，可以提高光纤与耦合器的对准容差。阵列耦合：是多通道光器件同外部实现光交互的重要形式。实现多端口同时对准耦合，端口的耦合误差会形成积累，难度高于单端口耦合。可以分为光栅阵列耦合以及端面SSC阵列耦合，光栅阵列耦合是光电子芯片常见的阵列耦合形式，优点是操作简单、对准容差大，是常用的耦合手段。端面SSC阵列
19、耦合损耗小、封装体积小，将是未来光电子器件封装的主要形式。,主要技术,小结,如何进一步提高耦合效率是目前的主要问题，标准单模光纤阵列同硅基波导阵列之间的耦合将是解决未来大规模，高密度的集成硅光子芯片同外部光互联问题的重要手段。,直径约为10m,硅光器件：偏振相关器件,偏振态是光波的一个重要属性。在平面光波导中，一般存在TE、TM 两种偏振模式。对于硅纳米线光波导而言，由于硅和包层（空气或SiO2）存在巨大折射率差，其双折射效应极为显著。因此，大多数硅纳米线光波导器件均具有非常严重的偏振敏感特性。另一方面，硅纳米线光波导的超强双折射效应也有利于实现超小尺寸片上偏振调控器件，包括起偏器、偏振分束器
20、、偏振旋转器，可用于是实现线偏光的重要元件，一般用于光隔离器、光调制器、量子光学系统芯片等。,概述,起偏器（Polarizer）：获得偏振光的器件称为起偏器，是实现线偏光的重要元件，一般可利用光波导中模场、本征损耗或者截止条件的偏振相关性来实现。偏振旋转器（Polarization Rotator，PR）：同样是偏振调制系统的关键器件，用于旋转光束的线偏振偏振方向,配合偏振分光棱镜使用，通过控制光束的偏振方向以达到控制光从指定光路通过的功能。其实现原理通常是基于在非对称结构中混杂模式的干涉或者渐变演化的机制，具体结构一般可采用具有弯曲、倾斜侧壁或者缺角等特殊结构的光波导。偏振分束器（Polar
21、ization Beam Splitter，PBS）：用于将入射非偏振光分成两束偏振态正交的偏振光，两束出射的偏振光与入射光相互平行。O光沿着原光路出射，没有位移，E光会沿着光轴方向走离，但是出射时仍然与入射光平行。偏振分束器也可以反过来用于将两束正交偏振态的偏振光合束。,硅光器件：探测器,概述,光电探测器是一种能够将光辐射转换成电量的一个器件，利用被照射材料由于辐射的关系电导率发生改变的物理特点对光波进行探测。光电探测器性能的基本参数主要包括决定器件灵敏度的探测噪声（暗电流）、决定器件速率的电容、以及代表器件将光转换为电的能力的量子效率与光谱响应等。,目前的主要挑战是如何提高探测灵敏度，因为
22、硅光通信的首要问题是降低能耗，一是降低每个光电设备的功耗和芯片上的传播损耗，二是尽可能降低光源的输出光功率，这都需要提高探测器的灵敏度。目前光纤通信系统中商用通信波段探测器普遍使用III-V族材料，价格昂贵，热学机械性能差。硅基IV族材料探测器与Si-CMOS工艺兼容性好，成本低廉，并且易于与硅基波导器件集成，因而开展基于IV族材料的硅基探测器具有非常重要的应用价值。为了提高灵敏度，硅光电探测器发展出许多结构，包括硅APD光电探测器（Avalanche Photo-Diode）、SACM探测器（Separate Absorption Charge Multiplication）、MSM（Met
23、al Semiconductor Metal）光电探测器。,技术现状与挑战,小结,目前光纤通信系统中商用通信波段探测器普遍使用III-V族材料，价格较高，热学机械性能差。硅基IV族材料探测器与Si-CMOS工艺兼容性好，成本低廉，并且易于与硅基波导器件集成，因而开展基于IV族材料的硅基探测器具有非常重要的应用价值。,Pin二极管 APD,硅光器件：波导,概述,光波导是引导光波在其中传播的介质，又称介质光波导。光波导有两大类：一类是集成光波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫作集成光波导；另一类是圆柱形光波导，即光纤。硅基波导是构成
24、光电子器件和器件之间互联的基础。,常用的波导和包层组合包括：硅/空气、硅/二氧化硅、氮化硅/二氧化硅，氮氧化硅/二氧化硅对于高密度集成，硅/二氧化硅的波导结构更具有优势，主要原因在于这种波导的损耗低，且具有较大的芯和包层折射率差（约58%），远远大于常用的单模光纤的1%。常见的硅基波导结构有条形波导、脊形波导、单沟槽波导以及光子晶体波导，,技术现状与挑战,小结,在制造过程中波导会有尺寸上的波动，这会对无源波长选择器件的相位精确度造成影响，波导有效折射率改变还将导致器件光谱灵敏度发生无法控制的变化。在最好的控制下，对于先进的193nm深紫外光刻（DUV），观察到的谱线宽度波动大约5nm的顺序，最
25、先进的SOI基板的硅层厚度波动大约1nm。因此，优化制造技术使提升波导尺寸的均匀性是需要解决的主要问题。同时，目前大量的研发工作正在进展中，以解决在一个共同的波导上集成多个组件的需求，并能达到高产量。,目前对于独立的硅光器件，采用不同的波导厚度是最优的方案。而对于集成，领先的晶圆厂采用了220纳米厚的设备层作为电路开发的标准。在短期内，需要进一步研究最优的厚度以用于标准化。长远来看，达到需要的电路性能需要协整（co-integration）有不同硅厚度的多种波导结构。,集成芯片,由于高度集成的芯片涉及到激光光源或者探测器，在这方面，锗硅探测器虽然有不错的突破，但业界仍以III-V族异质集成为主
26、流，因此在下列示例中，也主要列举这类的芯片。,模块/系统产品,光学次模块:可分为光发射次模块（Transmitter Optical Sub-assembly，TOSA）与光接收次模块（Receiver Optical Subassembly，ROSA）。,光发射次模块TOSA的功能是把电信号转换为光信号。主要应用在电-光(E/O)转换，在整体产品架构则包括光学次模块及电子次模块两大部分。首先硅片部分是以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs）等作为发光与检光材料，利用MOCVD等方式制成晶圆片。在芯片制程中，则将晶圆片制成发光二极管。随后将发光二极管、搭配滤镜等组件封装
27、成TO can(Transmitter Outline can)，再将此TO can与陶瓷套管等组件封装成光学次模块(OSA)。最后再搭配电子次模块(ESA)，电子次模块内部包含传送及接收两颗驱动IC，用以驱动发光二极管与检光二极管，如此结合即组成光传输模块。,光接收次模块ROSA的功能是把光信号转换为电信号。光传输模块分为单模光传输模块与多模光传输模块，在整体产品架构上则包括光学次模块(Optical Subassembly，OSA)及电子次模块(Electrical Subassembly，ESA)两大部分。图16为Enablence 公司的 10 x10G ROSA。,光模块（optic
28、al module）：由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。简单地说，光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。光模块按功能可分为光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。光收发一体化模块主要功能是实现光电/电光变换，包括光功率控制、调制发送，信号探测、I-V转换以及限幅放大判决再生功能，此外还有防伪信息查询、TX-disable等功能，常见的有：SFP、CFP、XFP+、GBIC、RJ光模块等。光转发模块除了具有光电变换功能外，还集成了很多的信号处理功能，如：MUX/DEMUX、CDR、功能
29、控制、能量采集及监控等功能。常见的光转发模块有：200/300pin，XENPAK，以及X2等。,集成工艺,在硅光通信中，连接成本、性能和功耗需要改善，实现这些改善的主要途径是提高集成光子组件密度。近年来，随着技术的逐步积累以及产业需求的升温，光子集成技术进入较快发展时期，已经从功能器件研究向规模化集成芯片演进。而且，中小规模光子集成技术已经成熟并取得广泛商用，大规模光子集成的集成度已达到数百个元器件。相对于广泛采用的分立元器件，光子集成产品在尺寸、功耗、成本、可靠性方面优势明显，是未来光器件的主流发展方向。另一方面，这是能实现超高密度（10Tb/s/cm2）的唯一途径，为低成本和低功耗的芯片
30、到芯片通信铺平了道路，并可能取代目前金属互联。因此，接下来需要在集成度和性能方面进行提升，才能使硅光子作为更广泛的光通信市场的标准（从厘米到几十公里）。,目前硅光子技术成熟度类似于在1980年代的电子产业，正在从分立器件向集成化过渡。在硅-CMOS行业中，性能提升和新的功能来自于尺寸的优化，而在硅光子行业中则必须依靠集成工艺，并解决硅光子中的几个挑战：首先是电子和光子的集成需要与CMOS技术兼容。第二个挑战是单个组件的光学性能，完全集成的硅光子器件尚未能够执行基于高端分立器件的复杂功能，如密集多路复用/解复用。最后，基于SOI的硅光子技术应用需要多元化，以增加对研发投入的回报。,集成工艺roa
31、dmap,现阶段光子集成芯片主要基于磷化铟（InP）技术，例如Infinera的光发送芯片，已经达到100Gbit/s的传输速度，而能达到100+Gbit/s数据传输速度的其他芯片仍然未能成熟，但可以预见，随着硅光生产工艺的日益标准化，研发成本将大大降低，光子集成芯片的市场也将会迅速地扩大。,器件封装,硅光子学提供了晶圆低成本、可大规模生产的光子系统的可能性，并使用成熟的CMOS工艺流程技术。然而，与硅器件封装相关的挑战通常被低估，并可以对整个光子模块的性能和成本造成显著的影响。,硅光子设备与包装相关的主要挑战包括：单模光纤的封装，尤其是光纤阵列，确保高耦合效率和快速光纤到波导的对准定位过程。
32、集成光源，包括无源光学组件，如微镜头和光电隔离器。控制电子的集成，比如驱动和放大器。热效应管理，特别是通过使用高效的热设计和被动冷却技术，避免控制器的高能耗。以上所述的封装流程的开发，使用电子设备封装通用的快速、自动化、高产量的封装设备。,要克服这些挑战，不仅需要更多的创新设计，还需要加强与设备供应商的合作，以确保能开发出更快的定位系统，同时加上使用标准的封装设计规则，才能最好地确保未来市场需求得到满足。,硅光子器件上的电子集成电路（驱动）封装，使用共晶倒装焊工艺。下方图片显示了一个单铜柱截面，带有用于设备间焊接AgSnCu焊帽。,1,2,3,4,5,6,7,硅光子应用领域,对于硅光子技术而言
33、，数据中心是其最佳机会。微软、亚马逊和Facebook等互联网巨头之所以一直在大力推动该技术的发展，就是因为其数据中心时刻都在处理海量数据，传输瓶颈亟待硅光子技术去解决。此类设备适用于数据中心与高性能计算应用程序，解决基于铜线的以太网网络性能不足问题，极大提升交换节点的传输效率和可扩展性。,同时，还有其他许多硅光子学可以利用的新应用，包括传感器、生命科学以及量子运算等高阶应用。此外，还有两项新兴应用，即瞄准自动驾驶车应用的光达(Lidar)及生化传感器。随着具发展前景的大量新兴可携式应用崛起，业界对于气体侦测的兴趣日益增加。将生物、化学或气体感测器整合于智能终端或可穿戴式设备中，正成为许多公司
34、发展蓝图的一部份，而这一类装置的尺寸、成本与灵敏度目前仍然存在问题。为了让光学式气体感测器更进一步微缩，有些公司已经开始思考采用硅光子技术作为其装置的整合平台。,硅光子应用：数据中心,随着数据通信和互联应用等对带宽的要求越来越大，在获取40Gb/s带宽性能时，铜互连设备的功率和尺寸无法有效应用于更高带宽。因此，开始转向使用可以处理更高带宽的光互连，以降低功耗、提高电磁噪声抗扰度并提供比铜解决方案更灵活的布线管理。基于硅光子学的集成器件由于其基于CMOS工艺的低成本、大批量生产、低功耗、单片集成等优势，成为目前数据中心光网中最有前景的解决方案。,另一方面，数据中心的流量的增长对数据中心通信能力也
35、提出了更高要求。根据思科对未来几年数据流量的预测，可以看出，数据中心内部流量在未来将成为主导，2020年占据超过未来网络流量超过70%；同时，未来网络流量将绝大部分与数据中心相关，5年将增长超过3倍。,注：1EB=109GB,2015-2020 年网络流量趋势（单位：EB/年）,2015-2018年中国IDC市场规模（单位：亿元）,数据来源:Cisco Global Cloud Index 2015-2020,数据来源:中国IDC圈,硅光子应用：光达（LIDAR）传感器,LIDAR（Light Detection And Ranging）即激光探测与测量，也称激光雷达，是结合GPS和IMU（惯
36、性测量装置）进行激光扫描获取外部环境空间三维信息。可应用于汽车、无人机的自动驾驶等。,汽车自动化需要的传感器包括：雷达传感器超声传感器摄像头（可见光、近红外、长波红外）LIDAR,汽车的自动化成本在未来10年最多为$10-15K自动泊车=$2,000自动驾驶=$5,000,成本还需进一步降低，尤其是LIDAR谷歌自动驾驶汽车上的LIDAR使用64个激光器对外部环境进行映射，每秒采集超过一百万个数据点。目前成本大约5万美元。下一代谷歌汽车有一个8000美元的版本，对用户使用还是太昂贵。低于100美元的LIDAR是单波束，针对更简单的应用。,数据来源:Yole,硅光子应用：医用生物传感器,生物传感
37、器是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统，具有接受器与转换器的功能。在医疗方面，光学生物传感器具有灵敏度高、直接、实时、无标记检测等优势。在提高机械稳定性和集成度时，由于CMOS的可扩展性，使用硅光子技术会降低产品成本。光学生物传感器将成为增长最快的技术类型。,大多光学无标记生物传感器是基于渐逝场探测原理：把处于测量场中的波导外一小段包层去掉，再在这段波导涂上一层折射率小于其折射率的物质，敏感包层对被测物进行吸附，使敏感包层折射率发生变化，或
38、光在敏感包层中的传输损耗增大，波导结构发生变化，引起输出端光功率减小，从而反映出检测物质性质。,数据来源:Yole,硅光子应用：高端计算&量子计算,量子计算机使用全光架构，光子取代量子比特（qubits）是极具前景的方案。大的挑战在于光子组件的集成，通常在单独的衬底上相排斥。Physical Science Inc.（PSI）开发了一种紧凑的CMOS兼容的光学收发器，可用于美国空军平台，包括航空器和卫星。新技术平台可用于长距离高数据速率通信需求的商业系统和大型数据中心。硅光子技术的成熟将给量子计算的发展提供新的推动力，PSI公司、英国布里斯托尔大学、IBM等都在研发基于硅光子的量子计算。但是量
39、子计算技术预计到2025年前才可能完备。量子计算的主要参与者：,1,2,3,4,5,6,7,市场规模,据法国市场研究机构Yole预测，2018年将成为分水岭。到2018年，全球硅光芯片及其封装器件市场将接近2亿美元，后续硅光子技术的整体市场将保持高速增长，2015-2025年的十年间，复合增长率超过45%。据Yole预测，到2025年硅光子市场规模将超13亿美元，其中将超过90%来自于数据中心应用。,数据来源:Silicon Photonics ReportYole Dveloppement,市场份额,硅光子不断有新的玩家加入，下图为2013年与2015年硅光子市场份额比较（芯片级）。,$25
40、M,$33M,硅光子产业链,硅光子技术涉及“设计制造封装”等环节。从产业链来看，包括原材料供应商（晶圆厂等）、设计厂商、制造厂商、封装厂商、系统集成商等。,硅光子技术是半导体技术和光学技术的结合，并且对于通信行业的影响将是颠覆性的，在这一领域，目前投入研发的公司不仅包括 Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光通信公司，Intel、IBM、思科、IMEC等半导体厂商和华为等设备商也加入了这一领域的竞争。,硅光子领域已形成较完整产业链，参与的公司不断增多。,1,2,3,4,5,6,7,行业现状,在2000年，美国光电器件供应商Bookham（经过一系列兼并和
41、收购后，成为现在的Oclaro公司）首次实现了硅光子组件的商用，也即阵列波导光栅和收发器。2006年，Kotura公司实现可变光学衰减器（Variable Optical Attenuator，VOA），成为第二款商用硅光子产品。而移动互联网和大数据的到来更是催生出了对于硅光子产品迫切的市场需求，Acacia公司和Intel等公司在2016年相继推出更多的硅光子产品，大部分都瞄准100G网络传输。,目前市场上的硅光子产品仍然较少：,2020年以前，硅光子晶片将远远超越铜布线的能力，而其解决方案可望部署于高速的信号传输系统中。2025年以后，这项技术将更广泛地用于处理互连多核心与处理器芯片等应用
42、中。,市场上商用产品较少，发展迅速。,行业格局,目前在硅光子领域，国外的巨头都走在前面，有较长时间的积累，最活跃的仍是由Intel、IBM等大公司。在国内，华为在硅光子领域十分积极活跃。目前，硅光子领域企业还不多，2015年的销售额不到4千万美元，只有几家公司开始在开放市场上出货产品，其中还包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体（ST）、Acacia与Molex等，都是这一市场的主导业者。,硅光芯片：国际主流大厂商已通过自主研发和收购，掌握100G光模块核心芯片技术，而国内除华为海思外，大部分还停留在10G水平，且无法完全掌握核心技术。由于光子芯片需要长期投入，中国厂商在短期内
43、难以赶超。,硅光器件：目前光迅科技、捷沃光通等中国器件商能小批量供货，更多厂商推出了100G产品，但还处在样品测试阶段。国外400G CDFP MSA在2014年成立，发起方包括Avago、Brocade、IBM、JDSU、Juniper、Molex和TE Connectivity，后续加入的厂商包括FCI、Finisar、华为、Inphi、Mellanox、Oclaro、Semtech和Yamaichi。,硅光模块：目前主流高端光模块速率为100Gbps，400G和1T光模块在研发或预研中。100G光模块包括长距离和短距离，目前主要供应商包括国外的Finisar、JDSU、Oclaro、Fu
44、jitsu、Sumitomo等，思科收购Lightwire后能自供。目前国内仅华为海思掌握核心技术，可自己供货。,行业处于初步发展期，没有形成完整竞争格局。,行业趋势,行业电子属性增强硅光子技术是光学技术和半导体技术的结合，但随着硅基激光器等光学分立器件取得突破性的进展，我们认为硅光子技术的半导体属性越来越强，在整个产业链中电子公司的地位越来越重要，话语权也越来越重。越来越多的电子公司看到硅光子技术的未来前景，包括思科、意法半导体、NEC、华为海思等公司也投入研发，加上此前的英特尔、IBM 等，电子大厂拥有的资本优势、客户优势、资源优势使得其在硅光子领域的发展中话语权越来越重。,下游应用端厂商
45、切入研发制造环节另一方面，随着硅光子技术被市场认可，下游客户（大型互联网公司、运营商、通信设备厂商等）切入中上游制造过程。这些厂商最接近硅光子通信两大应用领域：电信市场和数据中心市场，在当前竞争格局还未确定的情况下，这些厂商也是未来硅光子行业发展的极大助推力。,行业电子属性增强，下游应用端厂商切入研发制造环节。,硅光子发展Roadmap,硅光子应用,目标成本,2006,功耗,技术突破,VOA,2016,有源光纤AOC,2017,2018,2019,2025,Mid-board optics（非硅光产品）,硅光子混合工艺silicon photonics hybrid approach,CWDM
46、与激光器集成CWDM&Laser Integration,DWDM+R Laser,容量,10pJ/bit,2pJ/bit,200fJ/bit,10Gb/link,30Gb/link,200Gb/link,2Tb/link,$5/Gb,$1/Gb,$0.1/Gb,$0.05/Gb,$20/Gb,50pJ/bit,2024,2023,2022,2020,2021,硅光子生物传感器,硅光子化学传感器,基于硅光子的mid-board optics,基于硅光子的光达,量子计算,片内互连,500fJ/bit,1,2,3,4,5,6,7,领先公司概况：Intel,Intel是全球最大的半导体公司，公司在服
47、务器领域占全球约90%市场份额，大数据时代的到来，对于服务器内部的通信要求越来越高，Intel投入硅光子技术研发长达16年，是全球最早且最大投入的公司之一。,2016年8月，Intel宣布其硅光子模组100G收发器（425G）正式投入商用，代表数据中心的铜线架构将快速被高速光纤的硅光架构取代。率先出货的是100Gbps PSM4 QSFP28光学收发器，该收发器每个收发器的功耗仅3.5W，并且与现有的以太网路交换器或路由器接口相容，主要提供给一线云服务供应商和OEM厂商。此次与英特尔合作的晶圆厂商是联亚光电。,Intel 100Gbps PSM4 QSFP28 光学收发器,同时基于CWDM4、
48、多源协议CLR4 MSA的硅光电子光学模组也已经开始采样，Intel预计在2018-2019 年做出400Gbps 的光学收发器。,Intel 硅光收发器模组发展计划,领先公司概况：IBM,IBM随着计算机发展而成为全球最大的信息技术公司之一，近年来，对于计算速度的要求大幅提升（2008 年已经出现了Pflops的计算机，预计2018年可能出现峰值速度为Eflops，2028年可能出现峰值速度为Zflops的系统）。,硅光子以传播速度快和功耗低的特点成为超级计算市场的重要研究方向，在高性能计算HPC 和“百亿亿次（exascale）”级计算中一直是主要的研究领域，这也是IBM致力于硅光子研究的
49、主要原因之一。,2013年，公司推出了90nm CMOS工艺线的硅光子25Gb/s WDM系统。2015年，公司宣布成功把硅光子芯片集成到与CPU相同的封装尺寸，同年展示了完全整合的分波多工CMOS硅光子芯片，该全整合式分波多任务CMOS光子芯片，内含四个独立的发射通道，有四个不同波长的25Gbps收发器信道结合为单一100Gbps通道，利用芯片上的分波多任务器进行结合或分开。IBM研究院硅光子部门经理威尔格林（Will Green）表示，采用四路复用技术能够将数据中心的光纤成本降低50%。,IBM 100G 分波多工CMOS 硅光子芯片,IBM 100G 分波多工CMOS 硅光子芯片工作原理
50、图,领先公司概况：Acacia,Acacia是全球领先的相干高速光互连产品供应商，作为硅光子业务发展最快的上市公司之一，受到市场关注。公司将DSP ASIC和Silicon PIC整合到同一硅基芯片上，较好的提高了集成度，相关模组即插即用，更容易部署，成本低廉，在信号处理芯片和硅光芯片拥有大量知识产权。近几年公司不断推出新产品，发展迅速。,根据公司上市以来财报信息，处于高速发展期，业绩表现强劲。2016Q3，在全球城域网络和数据中心内网络市场强劲需求驱动下，公司销售收入为1.35亿美元，同比增长107%，GAAP净收入3490万美元（非GAAP净收入4090万美元），GAAP毛利率46.8%。
