硅基光电子集成技术前沿报告（2020年）.docx

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1、目录一、 微电子技术、光电子技术与硅光技术1硅光技术定义与特点3（一）超高兼容性3（二）超高集成度4（三）强大的集成能力 5（四）超大规模制造能力6二、 国内外硅光技术和产业开展现状7硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战10（一）急需构建适用于大规模光电集成芯片的元器件库 10（二）急需加强光电子融合芯片的工艺能力和基础积累11（三）急需强化光电子融合芯片的架构设计能力11（四）急需增强光电子融合芯片的封装及调控技术11三、 硅光技术开展前景展望以及相关政策建议12现存市场 新兴市场现存市场 新兴市场图7硅光技术目前的主要应用我国在“十五”到“十三五”期间，对硅基光电子技术研究不断 给予投

2、入。目前在硅基激光器/调制器/探测器等高性能单元器件、硅 光片上复用技术、硅光量子芯片、硅光芯片传输功能研究和系统应用 验证等核心技术方面取得了重要进展，在硅光技术基础研究方面接近 国际一流水平。与此同时，经过国家和地方投入，国内企业和科研院 所已经具备了一定的研发团队和产业化条件，一些企业已经实现硅光 产品自主研发的突破。2018年，中国信科集团联合国家信息光电子创 新中心实现我国首款100Gb/s硅光芯片的正式投产，标志着国内硅光 芯片产业化的突破。次年又完成我国首个Pb/s光传输系统实验，基于 自主研制的硅光芯片和特种光纤，将传输容量提升至目前商用光纤传 输系统的10倍，可以在1秒之内传

3、输约100多块移动硬盘所存储的 数据。2020年，阿里巴巴、海信、亨通等局部国内企业也相继展示自 主研制的400Gb/s硅光模块样机。不过总体来看，国内硅光产业还处 于刚刚起步阶段，在前瞻性基础性研究、工艺技术水平、产品工程化 能力和产业链成熟度上与国外还存在较大差距。光交叉光电探测器光耦合器偏振复用器可调光衰减器光功率监控器图8我国首款商用化100Gb/s硅光芯片四、硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战硅基光电子集成芯片是微电子与光电子相融合的产物，也是推动 两个产业持续开展的最正确解决方案。然而，当前的硅基光电子元器件 尺寸仍比拟大，功耗仍比拟高，光电融合芯片架构有待探索和优化， 制造

4、工艺和封装技仍有很大提升空间。因此深入开展新结构、新材料 及新工艺的探索，进一步挖掘硅光芯片的巨大潜力，是未来的研究方 向。具体来讲，从行业开展角度看，真正实现微电子与光电子硅基融 合，硅光技术还面临以下几个难题和挑战：（一）急需构建适用于大规模光电集成芯片的元器件库如前文所述，当前光电子器件的尺寸大、功耗高，而对于硅光技 术的研究和技术突破，大多数只聚焦于某一个光子、电子、光电子器 件，而没有考虑集成芯片中不同器件之间的联合设计与协同技术。因 此需通过新材料、新结构、新工艺的研究，全面开发更适合大规模集 成的新一代光电器件，并逐渐建立完整的光电器件数据库，以支撑未 来更大规模，更复杂的集成芯

5、片设计和制作。（二）急需加强光电子融合芯片的工艺能力和基础积累我国的硅光产业还处于刚刚起步阶段，制备工艺相对落后，目前 尚不具备成熟稳定的硅光工艺线。虽然由于光的特殊物理性质，光芯 片不要求28nm甚或7nm的高精度工艺线，但是对工艺的稳定性和一 致性要求更加苛刻。因此，积极推进工艺线研发和工艺人才储藏，建 立能够支撑硅光芯片研发、样品试制和批量生产的稳定工艺线，是提 高我国自主芯片制造能力的必经之路。（三）急需强化光电子融合芯片的架构设计能力未来硅光芯片的集成度越高，那么包含的光、电器件的种类和数量 就越多。如何通过合理的布局设计，将数量繁多的光电器件完美结合， 获得最好的芯片性能，对设计能

6、力是极大挑战。此外，参照微电子产 业的开展脉络，自动化设计也将会在硅光技术中逐渐开展并成熟，以 提升设计效率。因此不断提升超复杂硅光芯片的设计能力，并开发针 对硅光芯片的设计软件，是未来硅光技术开展的重要环节。（四）急需增强光电子融合芯片的封装及调控技术未来高度集成的硅光芯片，其光学和电学接口数量预计将是现有 光电子芯片100倍以上。对于接口数量如此高的硅光芯片，封装中要 综合考虑光电接口的高效率、高稳定性、高可靠性连接，防止不同接 口之间光、电、热等多种物理效应的相互干扰，以保证硅光芯片的高 速信息交换，这给封装技术带来极大的挑战。因此研究芯片与封装中 的光电融合以及整体布局，探索具有自动优

7、化功能的封装技术和封装 工艺，才能为硅光技术商业开展提供产业支撑。五、硅光技术开展前景展望以及相关政策建议随着数字化、智能化社会的开展，硅基光电子片上集成系统芯片 将在更广阔的应用领域发挥重要作用，可以说只要微电子和光电子芯 片能够发挥作用的地方，都展现出了应用硅光芯片技术的前景和必要 性。特别是在信息领域的光通信/光互联、光传感/光测量、光计算/光 处理等技术领域全面发挥核心作用。此外还值得指出，利用国内现有 微电子产业资源和工艺制造平台，建立健全硅光产业链，能有效提升 我国信息光电子的制造能力，缓解高端光电子芯片“卡脖子”困境，为 我国光电子技术换道超车提供有力支撑。总体看，在信息通信设备

8、和元器件小型化、集成化、低功耗的需 求以及相关技术不断融合的驱动下，硅光技术应用而生，成为新一代 信息通信技术突破的重点领域。我国在硅光技术研发和产业化方面已 取得了一定的成绩，但与美欧日等西方兴旺国家相比仍有明显差距， 亟需在人才、资金、应用推广等方面持续发力。特就推动我国硅基光 电子集成技术开展提出如下几点建议：一是加强专业人才培养。顺应技术融合趋势，优化光电子、集成 电路等专业学科设置和培养方案，培育兼具光电子、半导体、信息通 信和集成电路的理论基础和研究能力的复合型人才，为硅基光电集成 芯片的设计、加工、分析、理解和应用提供人才储藏。在科技部重点 研发计划、自然科学基金等工程中对人才培

9、养和培训等指标加强权重。 在各类人才计划的选拔评比中，注重对中青年科研人员的技术成果转 化和产业化应用成效的评价，选拔一批投身硅光技术国产化的领军人 才。二是加强专项支持。在各类科技工程层面加强硅光技术的战略布 局和资金支持。在科技部、自然科学基金委等前沿基础研究工程中， 积极鼓励硅光方向的前沿自主创新与交叉基础理论研究。在科技部重 点研发计划和重大专项中加强对硅基光子集成技术、硅基光电集成、 硅基异质集成技术的相关研究给予重点支持。在各部委工程中加强对 硅光方向的产业技术攻关和新产品、新工艺开发的扶持力度，力争在 通信、传感、量子等领域取得标志性成果，进一步提升我国在该领域 的全链条创新能力

10、。三是加强科研和产业化平台能力建设。继续整合国家级科研平台、 创新中心、高校院所的相关科研资源，加强中试平台条件和中试研发 能力建设。汇聚半导体行业和通信行业的产业资源，重点建设硅光芯 片商用工艺线、商用封装线、商用测试线。重视硅光芯片相关的原材 料、设计软件、工艺装备、检测仪表等短板环节，统筹加强创新链、 产业链布局和协同，着力解决“卡脖子”问题。四是加强国产化应用推广。硅基光电子集成芯片在信息通信、消 费电子、生物医疗、传感检测等领域具有广泛的应用前景。应重点促 进国产化硅光技术和产品在光通信、数据中心、工业物联网、5G、特 高压等重要领域的应用推广，助力“新基建”战略顺利实施。进一步加强

11、硅光技术应用技术研究，开展和促进硅光技术在消费电子、传感测 量、生物医疗、量子信息等新兴领域的应用。一、微电子技术、光电子技术与硅光技术自从1958年第一颗集成电路，特别是Intel CPU创造以来，微电 子技术便一直遵循着摩尔定律开展，已经成为信息社会开展的主要驱 动力之一。在过去的半个世纪里，微电子芯片的集成规模提升了十亿 倍以上。据悉，采用5nmeMOS工艺的苹果处理器芯片A14内部已 集成了 150亿颗晶体管，其运算性能可比肩目前性能最强的MacBook 笔记本电脑。我们生活中的每个角落都充满着各种各样的微电子芯片, 它们感知、处理并产生了海量的信息，让人类社会变得越来越智能和 便捷，

12、但是这些数字化信息的传递和通信成为一大难题。为了解决信息传输问题，人们注意到了另一种信息载体光子。 光子可以以宇宙中最高的速度传输，其传输速率不会随着传输通道变 窄而变慢，而且不易发生串扰，因此十分适合信号的通信和传输。相 比于电导线互连，光通信技术具有超高速率、超大容量、超长传输距 离和超低串扰等显著优势，因而被广泛地应用在电信网络、卫星通信、 海底通信、数据中心和无线基站等通信设备中。目前，人类社会超过 95%的数字信息需要经过光通信技术来传播，其重要性不言而喻。光 通信系统所必需的光源、调制（电信号转换为光信号）、传输、控制、 探测（光信号转换为电信号）等功能都需要通过光电子器件来实现。

13、 研究和利用光电子器件中的光子和电子相互作用机制和功能的技术 那么被称为光电子技术。集成多种光电子元器件功能的芯片也就被称为 光电子集成芯片，或简称为光芯片。在微电子技术和光电子技术这两大支撑性技术的共同开展和推 动下，我们已经逐渐构建起一个“电算光传”的信息社会。然而，随 着微电子芯片和光电子芯片的物理极限被不断迫近，两大技术都面临 着严峻的挑战。一方面，微电子“摩尔定律”接近终结。微电子芯片 内部集成度不断提高，晶体管尺寸不断微缩导致量子效应的影响加剧, 晶体管的不可靠性显著增加。此外，微电子芯片所产生的大量信号无 法有效地通过其内部的精细电导线传递出来，出现了 “茶壶里煮饺子 倒不出来”

14、的信息拥堵现象，成为困扰微电子芯片升级的一大瓶颈。 另一方面，随着网络流量爆发式增长，在光通信领域也存在类似于“摩尔定律”的现象，即网络流量每9-12个月翻一番，骨干光通信 设备每2-3年才升级一次。只有将光器件和光芯片做得更快、更小、 更廉价才能满足人们对“提速降费”的刚性需求。在微电子和光电子 产业的共同开展和需求引导下，硅光技术便应运而生。from: IrYte!图1硅基光电子集成芯片概念图二、硅光技术定义与特点所谓硅光技术，即研究和利用硅材料中的光子、电子及光电子器件的工作机理和光电特性，采用与集成电路兼容的微纳米加工工艺， 在硅晶圆上开发制备光电子芯片的技术。硅光芯片结合了集成电路技

15、 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。经过20余年的快速开展，得益于大容量数据通信场景的日 益增加以及新需求、新应用的出现，硅光芯片技术研究已逐渐从学术 研究驱动转变为市场需求驱动。如今，我们可以在硅芯片上实现包括 调制器在内的所有光子功能的单片集成，也可以采用同一套流片工艺 将硅光子功能元件与微电子集成电路进行一体化集成。这种前所未有 的光电融合能力，给未来芯片性能的飞跃带来无限的可能性。硅光技术到底有多重要？我们从专家学者的评价中可一窥究竟。 Intel数据中心集团执行副总裁Diane Bryant认为：”硅光技术是20 世纪最重要的两项创造的组合，即硅集

16、成电路和半导体激光器。”思 科首席技术官与首席架构师Dave Ward称：“硅光子是当今专用集成 电路中最具开展前途的事物，是唯一一种能够解决长期技术与商业需 求的颠覆性技术。”那么到底为什么硅光芯片具有如此大的吸引力？ 总地来说，其主要优势可以归纳如下：（一）超高兼容性硅材料是良好的光学材料，对于波长为1.18微米的光波近乎无 损透明，因此完全与光通信器件的1.31.6微米工作波段兼容。这意 味着各类光通信器件可直接应用于硅光芯片，同时硅光芯片也可以很好地适应已有的光通信技术标准。如今，传输距离500m以上的光收 发模块均可采用硅光芯片来实现。1OG ZR80kmtoioog QPSk -z

17、r400G 16QAM 800G WIMV外调制激光器硅光或lllV相干集成芯片俄 40Km柒 30Km10km2km10GER25G6R 50GERIMV直调激光器10G LR 2S6IR100GER4/4WDM4 5Poog rm400GER4100C LR4 QOG LR100G-CWDM4 100GDR1/FR1硅光芯片400GLR4800GLR44006 DR4/FR4 SxlOOGlOGbps 25Gbps 50Gbp$ 1006bps lOOGbps 400Gbp5 400Gbps 800Gbps光模块速率6xW0G1.6TbpS图2不同传输距离的光芯片应用情况(二)超高集成度与

18、微电子不同，光芯片尺寸不依赖于加工工艺的精细度，而通常被光波导和弯曲半径大小所限制。硅基材料平台具有高折射率和高光学限制能力，可以将光波导宽度和弯曲半径分别缩减至仅约0.4微米和2微米，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅(PLC)和磷化锢 (InP)光芯片有望提高百倍以上。光芯片尺寸缩减也随之带来低成 本、低功耗、高速、超小型化和超轻超薄等独特优势。图3同一功能的PLC、InP、硅光芯片的尺寸比照（三）强大的集成能力丰富多样的光学功能、高密度光子集成和光电一体化集成是硅光 芯片的先天优势。以往传统光芯片通常只能完成个别或局部功能，因 此要实现完整功能的光收发模块，需要将不同材料的光芯片屡次封装

19、, 然后拼接组装到一起，导致效率低下且本钱高昂。而硅光技术可以在 同一芯片上集成光学系统所需的各类光子、电子、光电子器件，甚至 微电子集成电路。通过研究人员的努力，如今我们在一块硅光芯片集 成的功能已可以取代以往一个笔记本电脑大小的模块，其一致性、稳 定性和可靠性的工业优势也十分突出。传统光模块图4传统的光模块结构与100Gb/s硅基光电子芯片的比照图5与微电子趋同的硅光芯片自动化开发流程CMOS光电集成芯片、(GlobalFoundries)（四）超大规模制造能力和微电子一样，硅光子芯片的生产制造也基于CMOS和BiCMOS 等集成电路工艺线。因此充分利用微电子芯片生产线的闲置或淘汰产 能，

20、可直接将成熟的集成电路工艺直接应用于硅光芯片的超大规模生 产制造。近年来，台积电、Intel、GlobalFoundries等CMOS晶圆厂均 开发出了商用化硅光芯片工艺流程，硅光芯片的开发流程也参考和借 鉴了微电子对应的设计方法、仿真工具、封装测试等经验和手段。可 以说硅光技术从诞生开始就站在微电子行业“巨人的肩膀上”，其持 续升级工艺和超大规模产能是硅光区别于其它光芯片技术的优势。三、国内外硅光技术和产业开展现状回顾过去，其实硅光技术的开展道路并不平坦。硅基光芯片这一概念最早在上个世纪90年代初被提出，诞生伊始主要瞄准在芯片内 部以光互连取代电互连。然而，受工艺和设计上的限制，在早期很长

21、一段时间内该技术并没有获得足够的关注和投入。直到2004年，Intel 研制出第一款IGb/s速率的硅光调制器之后，人们才看到硅芯片中“光进铜退”的可能性。其后，在IBM、康奈尔大学、贝尔实验室、 MIT等单位共同推动下，硅光芯片工作速率在2013年左右到达了 50Gb/s,首次超越当时主流的光电子器件，硅光芯片的产业化大幕就 此揭开。光电融合2018, Acacia 400Gb/s 硅光相干收发器集成与应用光电融合片上系统： Tb/s峭片、阳专感、光 计算、光量子集成度图6硅光技术开展历程如今，在Intel、Cisco.国家信息光电子创新中心等领军企业的持 续大力投入之下，硅光产业链不断完善

22、，技术标准相继形成，已逐渐 从学术研究驱动转变为市场需求驱动的良性循环。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。根据行业调查机构的预测，2020年硅光模块 市场将到达7.4亿美元，预计至2024年仅100G-400G硅光模块市场 容量即可到达55亿美元，在整个光通信模块市场占比到达1/3以上。 在量子技术领域，研究人员通过在硅光芯片上集成数百个光量子器件 已研制出集成度最复杂的光量子芯片，实现了高维度、高精度、高稳 定性和可编程的量子纠缠、量子操控、量子传输和量子测量。在传感 领域，MIT、Vbyant Photonics等多个团队

23、推出基于硅基光学相控阵 (OPA)芯片的全固态激光雷达(LiDAR),具有集成度高、扫描速度快、 体积小、本钱低等优势，可以用作无人驾驶、无人机及机器人的“眼 睛”，成为下一代激光雷达的重要革新。在人工智能(AI)领域，AI 处理器芯片需进行的高通量、大规模矩阵运算可由硅光神经网络运算 单元来完成，研究显示光神经网络芯片比传统电子计算机有两个数量 级速度提升，且功耗降低达三个数量级。在新型微处理器技术上，美 国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,预计可将处理下的吞吐速率提升100 倍，同时能耗降低至1/10,为“超越摩尔”开辟了新路径。