芯片級硅光通信技術的特點

芯片級硅光通信技術是一種將光學元件與半導體器件集成在單個硅晶片上從而實現通信功能的技術。

• 技術結合性

• 硅光芯片整合了傳統的光學元件與半導體器件。這種集成是基于硅材料制造集成電路芯片，以用于光通信和光互聯領域。它通過將硅材料的光電特性與光學器件原理相結合來工作，在芯片上形成波導結構，引導光子傳播，同時集成了光調制器、激光器、光探測器等光學器件，光子與電子在其間通過光電效應相互轉換，實現光信號的調制、發射和接收。

• 硅光芯片的關鍵技術涵蓋半導體激光器、光放大器、光濾波器、光交換器等，這是實現高效光通信的重要技術要素集成，通過這些技術使芯片能夠在光電之間進行信號的轉化、處理和優化傳輸，每種技術在芯片內部各司其職，共同協同保障光信號的有效傳輸和處理。

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• 性能優勢

• 高效率與低功耗：硅光芯片的半導體特性讓其在高速傳輸數據時可以維持較低的功耗水平。這是因為其在芯片設計和制造過程中，材料與結構的選擇使得電子在傳輸和進行運算等工作時能量損耗較小。而光學技術保證在長距離傳輸數據時的高效率，例如通過合理的光學設計，可優化光的傳播路徑減少損耗，使得長距離傳輸中的信號衰減始終保持在可接受范圍并且相對較低，硅光芯片能夠承載更多信息和傳輸更遠距離，這一特性使得它在面臨數據量持續增長以及它們需要長距離傳輸情況時非常有優勢，特別是對于數據中心之間的數據傳輸和大規模網絡通信。

• 體積小且成本低：單個硅晶片上整合光學元件與半導體器件的方式極大地減小了芯片的體積規模。這種緊湊的設計不僅方便在各類設備中的集成安裝，節省大量空間而且有助于降低整體成本。在生產過程中，由于硅材料成本相對較低，并且制造工藝的逐漸成熟和規模化，使得芯片的制造成本相較于傳統光通信技術成本更低，這更有利于大規模生產和推廣應用，能夠被廣泛地應用到各種不同環境下的設備和通信場景當中，包括消費級電子設備、企業級數據中心等不同規模和需求的應用場景。

• 發展挑戰點

• 多功能性待提高：現有的硅光芯片很多時候僅僅具備單一的功能，如只能用作光放大器或光交換器。市場上對于硅光芯片多功能一體化的要求越來越多。例如在一個復雜的通信網絡環境中，如果一個硅光芯片僅能進行信號放大，但是缺乏其他的如信號交換，信號過濾等功能的，在網絡布局時可能需要多個不同功能單一的芯片協作，這不僅增加成本而且網絡復雜度提升，對于實現高效小型化網絡來說是一個巨大阻礙。

• 高溫極端環境可靠性：由于硅光芯片包含半導體器件，而半導體在高溫環境下可靠性審核要求較高。在高溫下，半導體材料的電學性能可能會發生變化，從而影響光信號的正常處理，以及可能造成光學元件與半導體器件間的集成穩定性受到沖擊，進而對整個芯片的通信性能產生負面影響。這對于一些可能處于高溫環境下工作的設備通信芯片提出了很大的挑戰，例如汽車電子系統中的部分靠近引擎需要高溫環境下工作且需要依賴光通信的部件等。

硅光通信技術的市場現狀

• 發展階段與進程

• 硅光技術的發展歷程較長，從1969年美國貝爾實驗室提出集成光學開始，到 21世紀Intel等企業開始進入硅光領域協助突破發展。硅光子技術開始進入產業化技術突破階段，2008年后，Luxtera、Intel等公司開始推出商用硅光集成產品，硅光芯片開始正式進入市場化階段[]7]()。其發展整體可分為四個階段：第一階段是通過硅基材料制造光通信的底層器件，逐步取代光分立器件；第二階段，集成技術從混合集成逐漸向單片集成發展，當前就處于這個階段，也就是將各類器件通過不同組合實現不同功能的單片集成；未來的第三階段預計將通過光電一體技術融合，實現光電全集成融合；第四階段是將器件分解為多個硅單元排列組合，矩陣化表征類，通過編程自定義全功能，實現可編程芯片[]7]()。

• 市場規模與增長趨勢

• 目前，硅光技術市場呈現出快速增長的態勢，市場規模不斷擴大。據市場研究機構Yole數據顯示，2022年硅光芯片市場價值為6,800萬美元，預計到2028年將超過6億美元，2022 - 2028年的復合年均增長率為44%。LightCounting預計硅光芯片的銷售額將從2023年的8億美元增至2029年的略高于30億美元。全球硅光市場規模有望在2026年達到300億美元，年復合增長率高達20%。從地區分布來看，亞洲地區尤其是中國和日本是硅光技術市場的主要增長動力；北美和歐洲市場也占據一定份額[]7]()[]8]()。

• 主要應用領域分布

• 數據通信用途主導：數通應用在硅光應用中占比達90%以上。其中推動增長的主要因素是用于高速數據中心互聯和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的800G可插拔光模塊，數通光模塊的應用占硅光芯片市場的93%，復合增長44%。在數據中心內部和數據中心之間建立高速、大帶寬的互聯網絡，是目前硅光芯片在數據通信領域的重要應用場景，這是因為硅光芯片的高效率、低功耗、小體積等特性可以很好地滿足數據中心對于大量數據處理和快速信息交互的要求。

• 其他領域嶄露頭角：除數據通信外，在電信領域、光學激光雷達、量子計算、光計算以及在醫療保健領域都有廣闊的發展前景。例如在電信領域，硅光芯片可以實現高集成度、高性能和低成本的光學通信解決方案；在醫療保健領域，可用于生物醫學成像、生物分析和藥物篩選等方面，利用高靈敏度的光傳感來達成相應的功能；在光計算方面，可以利用光的高速傳輸和并行處理能力，提供更高效、快速的計算和數據處理能力[]7]()。

芯片級硅光通信技術的應用領域

• 數據中心互聯

• 數據中心需要處理海量的數據。硅光芯片憑借其高效率、大帶寬的光通信能力，可以為數據中心內部服務器之間、不同數據中心之間提供高速連接。例如在大型云計算數據中心，大量的服務器和存儲設備之間需要進行持續的數據交互，硅光芯片能夠確保數據快速而穩定地傳輸，滿足海量數據對高速傳輸的需求。其低功耗特性在數據中心這種大規模集群設備中優勢巨大，能夠有效降低能源消耗成本。同時，隨著數據中心對于降低延遲、提高吞吐量需求的增加，硅光芯片作為800G可插拔光模塊的主要應用技術，有助于推動數據中心向更高性能發展。

• 超級計算領域

• 在超級計算中，其需要處理大規模的數據以及應對復雜的計算任務。傳統電子器件在速度和帶寬方面已經逐漸不能滿足需求。硅光芯片的光子技術能夠實現更快速的數據傳輸和處理，通過光子進行數據的快速運輸和交換，能夠提高超級計算機整體的運算速度和效率。比如在一些科學計算場景下，如氣象模擬、基因測序等大規模數據運算場景中，硅光芯片幫助計算機系統更快地傳輸在運算過程中所需的各種數據，保證計算效率的提升，同時減少在傳輸過程中的數據誤差和信號衰減可能造成的計算結果偏差。

• 光互聯領域

• 是通過光纖或光波導將不同設備如計算機芯片之間，不同的計算機硬件系統之間等連接起來形成一個高速、高容量的互聯網絡。硅光芯片作為光互聯的關鍵部分，可以實現不同設備間光信號的傳輸和轉換。芯片級的硅光芯片通過將光學器件和半導體器件集成，可以縮小光互聯的設備占用體積，并且實現低功耗運行，這有利于構建更加復雜、高效、大規模的光互聯網絡架構。例如在5G通信設備基站后的傳輸網絡中，光互聯網絡的構建通過應用硅光芯片可以更好地承載不斷增長的5G網絡流量傳輸需求。

• 生物醫學領域

• 在生物醫學成像過程中，如光學成像需要較高的分辨率和靈敏度。硅光芯片可以被應用到生物醫學成像設備，提供高分辨率和高靈敏度的光信號處理，進而幫助醫療人員得到更清晰準確的影像以便進行疾病的診斷。并且在生物分析和藥物篩選等方面，硅光芯片可以通過其精確的光信號調控和感知，對生物樣本進行各類檢測分析以及觀察藥物對于生物細胞等的作用效果。例如在檢測血液樣本中的特定癌細胞標記物時，利用硅光芯片的生物傳感功能，可以通過構建特定的光學結構來探測癌細胞標記物分子與光學傳感器之間發生的光學變化，從而精準判斷癌細胞標記物情況，為癌癥早期診斷提供輔助信息。

影響芯片級硅光通信技術市場應用的因素

• 技術特性本身的因素

• 多功能集成挑戰：前面提到當前硅光芯片多數功能單一，這限制了其在某些復雜通信系統中的直接應用。如果想要擴大市場應用，需要解決如何將多種光通信功能集成到一個硅光芯片之中的問題。例如在一些小型化、集成化的網絡設備當中，希望一個芯片能夠集成光放大器、光交換器以及光濾波器等多種功能，但目前技術在多功能集成上進展仍需要突破。

• 高溫可靠性：硅光芯片內的半導體器件在高溫環境下可靠性受到挑戰，這會影響到在像汽車發動機周邊電子設備或者一些高溫工況下工業控制設備中的應用推廣。因為這些環境中溫度過高時可能引起芯片的光學性能和電氣性能變化，造成通信故障或數據丟失等情況[]1]()[]2]()[]6]()。

• 市場競爭與格局的因素

• 市場份額競爭：在光通信市場中，基于GaAs和InP等材料的光模塊也占據一定份額，并且目前在一些特定應用場景中的優勢明顯。這對硅光芯片的市場擴張產生競爭壓力。例如在一些傳統光通信網絡升級緩慢的地區和場景下，已有的基于GaAs和InP的光模塊有穩固的市場份額，并且從產業鏈的適應和配套上，新的硅光芯片技術切入的成本和難度較大[]7]()。

• 傳統光學企業的轉型策略：傳統的光模塊制造企業如果積極轉型到硅光技術領域則會加劇市場競爭，如果轉型不積極則可能導致硅光技術市場供應體系不夠完善，缺乏足夠的產業鏈支撐。例如一些老牌光模塊廠如果不能及時跟上硅光技術的發展，可能導致一些和傳統光模塊配套的設備在更新到硅光技術時出現產業鏈脫節情況，影響芯片級硅光通信技術的全面市場化推廣[]21]()。

• 行業技術發展趨勢影響

• 新技術融合需求：隨著通信技術發展光通信和其他技術融合性需求日增，如硅光技術和量子通信技術、高速計算技術等融合，要求硅光芯片也適應這種產業技術融合發展的態勢。如果硅光芯片的技術發展不能跨步到與其他技術融合的前沿則會漸漸失去一些潛在市場，例如在量子計算如果需要借助光通信來實現一些數據的交互傳輸時，硅光芯片不能及時整合量子通信的相關協議、技術特點等則不能在這個新興領域獲得良好的市場應用。

• 封裝技術變革：例如當前在光模塊的封裝上，共同封裝光學（CPO）等新型封裝技術的出現，如果硅光芯片的封裝工藝不能與之協同發展，則在性能發揮和成本控制上將受到限制。在CPO技術被認為可以有效解決數據中心的電氣鏈路長度、提高互連頻寬密度和能源效率的情況下，硅光芯片如果不能兼容這種封裝方式，那么在以數據中心為代表的這類極需效率提升和成本降低的市場場景中競爭力將大為下降[]19]()。

芯片級硅光通信技術未來發展趨勢

• 集成度不斷提高

• 在未來，硅光芯片會朝著更高的集成度方向發展。一方面是光電集成度的提高，例如會加強光芯片與電芯片之間的融合程度，不但能夠實現光路與電路的同步制造（像單片集成方式），也能夠借助先進封裝工藝將光芯片與電芯片更精準地集成，在降低功耗的同時提高整體性能，讓整個系統更加小型化、緊湊化，適應更多對空間要求嚴格的設備應用場景[]26]()。另一方面將是多功能的集成，在一個硅光芯片內集成更多諸如光調制、光放大、光過濾等不同功能的光學器件，實現硅光芯片的多功能一體，滿足不同場景下對于硅光芯片功能的多樣化需求，從而進一步擴展其在不同應用場景下的適用性。

• 新材料與性能提升

• 新材料的探索應用：為了克服硅材料本身的局限性，研究人員將會探索更多新型材料與硅光芯片技術相結合。例如低維材料、磁光材料等新興材料的加入將為硅光集成技術帶來更多的可能性與突破點[]26]()。這些新材料可能會給硅光芯片帶來不同的光學和電學性質，如可能改善光的吸收、發射效率以及調制性能等。

• 性能增強方向：除了在速率高、帶寬大、功耗低等特性上繼續優化外，還會注重提升硅光芯片在高速數據傳輸下的穩定性和可靠性，例如優化芯片的光學元件設計、減少因長距離傳輸或者復雜環境下的信號干擾等。對于不同環境下的適應能力會增強，特別是提高在高溫、高濕度等極端環境下的可靠性，確保在各類工業、軍事、戶外等場景下都能正常工作[]26]()。

• 多領域深耕拓展

• 在通信領域內部的鞏固加深，硅光芯片將在更多通信場景下取代傳統的光通信技術和光電器件。例如在5G以及未來6G通信網鋪設、運營中的光信號處理環節占據更主導的地位。隨著數據中心業務需求增長，如大數據、云計算、人工智能處理對于數據傳輸和處理要求提高，硅光芯片在數據中心的各個層級的設備和連接中將起到更加不可替代的作用[]26]()。

• 新興領域的開拓性應用：除了在傳統的光通信和光互聯領域進一步發展，硅光芯片還將在光計算、量子計算等領域發揮核心驅動作用[]26]()。在光計算領域硅光芯片可以利用光的高速傳輸和并行處理能力提供更高效、快速的計算和數據處理能力；在量子計算中如果這些技術能相互結合也許能夠為量子信息的處理和傳輸提供新的發展思路和實現途徑。

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