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众人看好的光芯片国产有什么机会

时间: 2023-09-08 17:06:34 |   作者: 汽车排放气体分析仪

早在 1979 年,我国科学家钱学森就看好光子学,并围绕光子学提出了光子工业的概念,而到现在很多

产品特性

  早在 1979 年,我国科学家钱学森就看好光子学,并围绕光子学提出了光子工业的概念,而到现在很多设想依然没有实现,许多价值还有待挖掘。

  如今,光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革命,芯片从电到光,将是我国实现赶超的战略机遇[2]。光子革命已至,但若要光为人所用,其实也没有想象中那样容易。

  现代大多数芯片的本质,就是将环境信号转换为可精细操控的电信号,或将处理过的电信号转换为环境信号的一个过程(如用电产生电热或用洛伦兹力产生磁场)。同理,光也可转化为电信号。实现光电信号相互转换的核心器件,就是光芯片。没有它,我们就无法与光交流。

  光芯片早已深入每个人生活之中。你我都知道,家用电脑若要连接网络,都要安装光纤和“光猫”,让这套系统正常运作的功臣,就是光芯片。

  这是因为光子作为信息载体具有先天的优势,能轻松实现几十 Tb / s 的信息传输速率,实现低交换延迟和高传输带宽,实现多路同时通信,同时拥有超低功耗的表现[2]。研究显示,光基设备中的数据以光速移动,相比普通电子电路,移动速度快 10 倍。[3]

  虽然光芯片是天赋型选手,但要在系统中发挥作用,还是离不开电芯片。二者与 PCB、结构件、套管进一步构成光器件,并以此为基础加工为光模块实现最终功能,最终应用于市场。

  目前,光芯片的技术概念有多重含义,包括光通信、光计算、光量子等,应用广泛分布在工业、消费、汽车、医疗等领域。但它的典型应用场景仍然是光通信,也是最核心的应用领域。

  光通信指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式,通过光芯片和传输介质实现对光的控制。

  在光通信产业链中,光芯片是最核心的部分,大体上分为 2.5Gb / s、10Gb / s、25Gb / s 及以上各种调制速率,速率越快对应的光模块在单位时间内传输的信号量就越大。

  与此同时,光芯片也是光模块物料成本结构中占比最大的部分。通常而言,光芯片约占中端光模块物料成本的 40%,一些高端光模块中它的物料成本甚至能占到 50% 以上[5],反观电芯片的成本通常占比为 10%~30%,越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高。[6]

  按功能,光芯片大致上可以分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号,将电信号转化为光信号,按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片,最重要的包含 VCSEL、FP、DFB、EML;探测器芯片用于接收信号,将光信号转化为电信号,最重要的包含 PIN 和 APD。

  对光芯片来说,市场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪 60 年代开始,光芯片就在材料、结构设计、组件集成和生产的基本工艺方面一直在改进。目前 EML 激光器芯片大规模商用最高速率已达 100Gb / s,DFB 和 VCSEL 激光器芯片大规模商用最高速率已达 50Gb / s,与此同时,这些改变也让光芯片拥有向更广阔应用领域发展提供底气,诸如车载激光雷达、医疗等。[4]

  光芯片的生产制造是难点。生产工序依序为 MOCVD 外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等。其中,外延工艺是光芯片生产中最主要和最高技术门槛的环节,工艺水平直接决定了成本的性能指标和可靠性。一款优秀的光芯片背后,是高昂的投入、极长的研发周期、较大的研发风险以及极快的技术更新速度。

  由于光芯片处在产业链上游,会牵扯出复杂的原材料问题。其本身一般由化合物半导体所制造,主要以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的 III-V 族材料为衬底,通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收,进而实现光电信号相互转换。除此之外,制作的完整过程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原材料。

  光芯片作为上游元件,市场主要受下游光模块拉动。据国信证券测算,以光模块行业平均 25% 的毛利率及 Light Counting 对光模块全球超 150 亿美元的市场规模预测估算,2021 年光芯片全球市场规模约为 35 亿美元,预计 2025 年可达 60 亿美元。[7]

  随着数据量需求爆炸式增长,人们对光芯片的速率要求慢慢的升高,而学术界和工业界则将目光放到了硅光芯片上。

  展望未来 3 年,硅光芯片(或光电融合)将是光通信的一大趋势,它将支撑大型数据中心的高速信息传输。目前,硅光芯片技术探讨研究由美国、欧洲和日本引领,100Gb / s、200Gb / s、400Gb / s 硅光系列新产品占据全球相干光模块市场约 30% 以上。[8]

  顾名思义,硅光芯片就是在硅光子和硅电子芯片上取长补短,发挥二者优势。这一概念早在 40 年前就已诞生,但硅基发光一直是巨大难题,因此一般是以硅材料为基底,引入多种材料实现发光[9],分为 SOI(绝缘体上硅)、SiN、III-V 族(GaAs 和 InP)、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制造平台。[10]

  复杂的材料学问题引发更多技术难题,诸如硅光耦合工艺、晶圆自动测试及切割、硅光芯片的设计工具等技术挑战。另外,受制于产业链、工艺水平限制,硅光芯片还没有在产能、成本、良率上凸显优势。不过,硅光芯片的颠覆性引发了研究热潮,技术日趋成熟,即将进入规模化商用阶段。[11]

  硅光芯片的作用远不至此,它具有高运算速度、低功耗、低时延等特点,在制造工艺上,与微电子器件类似,但又不必追求工艺尺寸的极限缩小,也许是帮助人们突破摩尔定律天花板的关键[12]。更重要的是,做好它就等于打通光子工业的关节。科学家一致认为,光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息,其中光计算就是重要先进领域之一。光通信的光电转换技术能应用在光计算中,而光计算所要求的低损耗、高密度光子集成也会促进促进光通信发展。未来 5 年~10 年,以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。[13]

  据 Yole 预测,从 2020 年到 2026 年,硅光芯片的全球市场规模将从 8700 万美元升至 11 亿美元。其中,消费者健康、数据中心、光子计算、共封装引擎、长距离收发器将是主要细分市场。[14]

  欧美日在光芯片上技术起步早、积累多,是市场的主导者。这些国家的研究机构和先进企业通过不间断地积累核心技术和生产的基本工艺,逐步实现产业闭环,建立起了极高的行业壁垒。

  反观国内则起步较晚,高速率光芯片(25Gb / s 及以上速率)严重依赖进口,与国外产业领先水平存在很明显差距。多个方面数据显示,我国 2.5Gb / s 光通信芯片国产化率接近 50%,但 10Gb / s 及以上的光通信芯片国产化率却不超过 5%,非常依赖 Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]

  与此同时,虽然光芯片国产商普遍拥有晶圆外延环节以外的后端加工能力,但核心的外延技术并不成熟,高端的外延片需要进口,大大限制了高端光芯片发展。

  2017 年,中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线 年)》中指出,我国厂商只掌握了 10Gb / s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及 PLC / AWG 芯片的制造工艺和配套 IC 的设计、封测能力,高端芯片能力比国际落后 1~2 代以上,且缺乏完整、稳定的光芯片加工平台和人才,导致芯片研发周期长、效率低,逐渐与国外的差距拉大。彼时明确了重点是 25Gb / s 及以上速率激光器和探测器芯片。[18]

  到了 2022 年,国产高端光芯片有明显突破,但依旧大幅落后于国际巨头。而关键的 25Gb / s 激光器和探测器芯片方面,源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等公司开始量产,不过整体销售规模仍然较小。以源杰科技为例,其 10Gb / s、25Gb / s 激光器芯片系列新产品出货量在国内同种类型的产品中已名列前茅,但其 2022 年上半年销售额仅为 4100 万元。[19]

  对国产光芯片追逐者来说,分工模式是关键。芯片行业分为 Fabless(设计公司)和 IDM(设计、制造、封装全流程)两种模式,其中 IDM 模式是主导光芯片的主要模式。一方面,光芯片的核心在于晶圆外延技术;另一方面,由于采用 III-V 族半导体材料,因此要求光芯片设计与晶圆制造环节相互反馈验证。

  纵览市场,国产光芯片典型玩家均选择了 IDM 模式,如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面,IDM 能够及时响应市场需求,灵活调整产品生产的全部过程中各种工艺参数;另一方面,能够高效排查问题,精准触达产品设计、生产、测试环节问题;另外,IDM 模式形成了完整的闭环流程,不仅全部自主可控,同时能有效保护知识产权。[21]

  近两年,光芯片在投融资界也热闹异常。据果壳硬科技统计,25Gb / s 及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子(光电融合)是最为热门和吸金的赛道,也是商业化较近的项目。另一些项目则更聚焦在未来,如光计算、光量子,这些项目商业化进程动辄十年、二十年,很具有前瞻性。

  掌握先进的光芯片技术,是各国争相竞逐的关键。以美国为例,不仅在政策上不断倾斜,以 IBM、Intel 为代表的工业巨头、以 MIT、UCSB 为代表的学术界领军机构都在不遗余力地发展大规模光子集成芯片。另外,欧盟的“地平线”计划和日本的“先端研究开发计划”中也涉及光电子集成研究项目。[22]

  中科创星创始合伙人米磊曾提出“米 70 定律”,即光学技术是推动科学技术产品进步的关键瓶颈技术,光学成本占未来所有科学技术产品成本的 70%。[23]

  纵观历史,科技革命的扩散周期大约为 60 年,集成电路从 20 世纪 60 年代诞生至今也已过去 60 年[2],光芯片无疑是引领下一个 60 年的关键。当然,光子也并不是要完全替代掉电子,而是相互协同。

  属于光芯片的时代已经到来,但芯片行业一直残酷地循环着优胜劣汰和洗牌,谁能追逐得更快,谁才会成功。

  [10] 马浩然,李筱敏,王曰海,杨建义.硅基光子芯片研究进展与挑战 [J].半导体光电,2022,43 (02):218-229.

  本文来自微信公众号:果壳硬科技 (ID:guokr233),付斌丨作者 李拓、刘冬宇丨编辑

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