讯石专访：硅光不止是未来，硅光已来！

  ICC讯 近年来，硅光集成技术，无论是面向光通信，还是光计算、光 I/O 和各种传感等前沿应用，一直受到热捧并得到大量投资。互联网和通信行业的巨头们预测，硅光将是刚需的技术并将很快变得无处不在，而专业的硅光企业正在通过快速研发迭代并开拓新的应用场景。那么，我们能期待这一预测很快实现吗?

  近期光通信、光电子行业流传着一篇《关于硅光的深度思考》的文章，其中对于硅光技术和应用的争议性表述引发了众多光通信从业者的质疑。对此，讯石光通讯网采访了中科院上海微系统所研究员武爱民博士，就这篇文章中的内容进行了交流，并针对硅光技术的特点和行业发展趋势进行了探讨。

  以下是问答环节，图片内容截取自《关于硅光的深度思考》文章：

  一、 “硅光的困难”篇几个明显的错误

  Q1：硅光行业普遍认为光源集成是硅光子技术产业发展的最大挑战，这个问题在当下有了怎样的解决方案和发展？

以上为原文部分截取

  回答：需不需要片上硅基光源，答案是市场和用户是否需要，是否给客户带来价值。目前绝大多数硅光模块的应用场景用外置光源封装的方法已经能够满足要求，在400G及以上光模块，采用外置光源的硅光模块整体成本与目前的分立器件封装方案相比已经具备了成本优势，具体数据由于每家模块公司供应链的议价能力差别因此两类方案在每家的价格差不同，供应链管理能力强的，硅光的优势会稍微弱一点。另一方面，越头部的光模块厂家在硅光上反而投入也更大。

  至于能不能把光源集成到片上，这个不是世纪科学难题，只要市场的驱动足够，这样的工程问题都可以得到解决。Intel已经给出了一种解决方案，并且发货了800万支以上。但是Intel今年11月仍然把光模块制造转给了Jabil。可以给出几个结论：

  （1）硅基光源从商业上不是硅光技术获得批量应用的阻碍，而且技术上是可实现的，学术界和工业界仍在持续研究；

  （2）现有的外置光源方案已经让硅光具备竞争力，现阶段采用片上硅基光源做产品未必能带来直接的巨大市场价值，像很多场景反而需要外置的光源池；

  Q2：调制速率是提升光通信速率的关键，而行业在硅光调制器技术上的研究和应用，目前可以做到怎样的水平？如何看待文章提到的硅光调制速率只有“调制速率五六十G”？

  以上为原文部分截取

  回答：首先，硅光调制器没那么好做，MZ调制器需要综合平衡带宽、调制效率、插损和消光比等，是硅光集成芯片中最关键的器件之一；微环调制器因为温度和工艺容差小，需要复杂的外部控制所以正在努力产品化。准确的说法是，100Gbps硅光调制器已经成熟，但不是《关于硅光的深度思考》一文中所写的“调制速率五六十G”，该文既然写了调制速率，那么G应该是要表达是Gbps的意思。目前硅光产品完全支持单波100Gbps，对应产品400G DR4、400G FR4、800G DR8和800G (2×400G FR4)等，注意这里写的是产品，已经不是停留在技术。至于单波200Gbps，对于硅光来说有一定难度，不是无能为力，和高速电芯片配合能够实现。硅光模块产品以400G DR4和800G DR8为例，应用的是行业内已经普遍供应的70mW的CW光源，不意味着特别强大的光源和散热机制。

  Q3：关于硅光耦合器的说法，行业是如何认识硅光的波导耦合？

以上为原文部分截取

  回答：文章提到 “硅光波导的模斑尺寸比较小，只有0.5μm，这么大的模斑耦合9μm光纤的光纤芯，逃不过复杂的耦合过程和巨大的耦合效率的损失”，这个说法是巨大的错误！一般硅光的波导截面尺寸是450nm×220nm，这不代表模斑尺寸是0.5μm。如果还是0.5μm对9μm，那硅光技术连做产品的机会都没有，耦合器也是硅光芯片这些年中获得重点突破的技术点之一。目前技术领先的硅光公司已经可以做到不论是激光器-硅光芯片还是硅光芯片-光纤的耦合，模斑都可以接近9μm的光纤模斑尺寸，实现约1dB甚至<1dB的耦合损耗，完全满足了硅光模块产品的需求。

  Q4：关于硅光的波分复用和成本控制？

  回答：波分复用器没有文章作者轻描淡描述的那么好做，到目前为止只有极个别的公司和特色硅光技术能提供在片上与高响应度PD集成的Demux，这里牵涉到相位噪声和工艺控制难题；相对来说发送端的MUX好做一些，这也是CWDM4和FR4发送集成芯片产品化进程更快的重要原因。

  此外，文章提到“成本，依然无法解决”，文章作者可以与模块厂商核实验证，拆解一下成本构成。

  二、硅光的定义和路径认识的误解

  Q：硅光的定义和路径认识？

以上为原文部分截取

  回答：文章提到硅光元件尽可能在硅片上集成才能获得更多的成本优势，这句话是合理的。但文章的结论又鼓励硅光公司去做单器件，这个逻辑难以理解。从硅光芯片的基本概念、技术特性以及用户价值任何一点出发，硅光从来都不是要“硅化”一两个元件，硅光的确切定义是利用大规模集成电路工艺平台，将光电子器件在硅基衬底上实现并规模化集成，实现通信、互连、传感等功能。

  硅光从技术研发的角度也不是从实现一两个硅器件开始，因为硅光的底层价值就来源于集成，用硅去做一两个器件与分立器件竞争是不划算的，曾有两家企业这么做，但是发展一直很困难。硅光产品曾获得批量供货的企业，包括Intel的数通产品、Acaica的相干产品、Luxtera的数通产品、Mellanox的超算AOC产品，无一不是功能化集成的产物。因此硅光的路径一定是集成，集成才能带来竞争力。

  该文章提到了“大多数硅光公司的模式是先做几个元件的硅片化和集成化，也是业界的普遍想法”，恰恰相反，这并不是业界的普遍想法，当然集成度也是有发展曲线，硅光的技术路线上是规模化的功能光集成作为起点、光芯片的大规模高密度集成、光电3D集成或单片集成，在产品上则是市场需求和技术发展之间的动态平衡。

以上为原文部分截取

  关于硅光模块要比分立光模块成本降到40%才有机会获得入场券的说法，实在是文章的臆想。按照该文的逻辑，光模块每年10%-15%的降价幅度，分立封装方案的光模块在持续调整价格，硅光却只能静态的被动等待，这个比较的逻辑在哪里？

  殊不知，硅光作为集成电路产品，规模制造的优势就是量越大、成本越低，在当前硅光规模还不够大的情况下，已经与分立器件模块方案有竞争优势，后续上量后，跟随成本优化的节奏会表现更好，这本身就是集成电路行业的魅力所在。至于作者自己假想的无意义的假设，什么硅光要等到分立光模块降到平台期再去竞争也没竞争力，更是莫名其妙。硅光产生优势的正是高速的光模块应用，而硅光在高速领域大量应用获得批量的优势后，反而存在到相对低速和消费级互连领域获得降维打击能力的可能性。

  三、文章提出的七个问题引起误导

  《关于硅光的深度思考》一文还提到了硅光技术的合格率、损耗和散热、多能工和需要开发所有电芯片、“螃蟹效应”、电芯片的差异与成本、DSP和产品迭代与NRE七个问题，武老师也针对性做出了不同意见。

  Q1：关于合格率

以上为原文部分截取

  回答：硅光集成芯片的关键器件大约二十几种，硅光工艺通常被认为是集成电路工艺的特色工艺，有很多难点，但是不算集成电路中强烈依赖先进设备和制程的3nm/2nm的高精尖难题。文章里对合格率的忧虑是多余的，集成电路技术现在能集成百亿个元件，硅光芯片现在多数产品只需集成上百个元件，良率不是制约硅光成本的问题，与分立器件方案相比反而是优势所在。当7nm/5nm工艺可以达到90%以上良率的时候，怀疑与集成电路130nm/90nm/45nm工艺兼容的硅光芯片合格率低下，逻辑是不通的。

  Q2：关于损耗和散热

以上为原文部分截取

  回答：与分立器件相比，硅光集成的优势在于集成的元件多了，但是损耗并没有变大很多。因为硅光中90%以上器件为无源器件，单个损耗可以做到<0.1dB，通过与氮化硅等多种材料集成可以做到更低。不存在器件因组装数量规模增加，热胀冷缩导致的光路错位问题。集成度的提高，会有助于三温的可靠性和稳定性。

  通过集成数百上千器件，硅光提供了在更多通道数量，更多复用维度对光进行操控的能力，而无需考虑热胀冷缩引发的良率、可靠性等问题。当前的硅光芯片能够集成上千个器件，这是分立元件技术所难以想象的，而硅光计算应用的集成规模更是达到数万个器件。

  硅光的损耗主要来源于调制和耦合。作者提到coherent的报告，800G DR8损耗累计15.9dB，其技术方案是1个激光器同时支持4路输出，如果要对比，对标的也应该是分立方案的4个独立激光器对应的封装成本和良率。当前业界甚至已经可以做到在类似损耗下1个激光器同时支持8路输出的硅光方案。

  Q3: 关于硅光公司的多能工和需要开发所有电芯片？

以上为原文部分截取

  回答：硅光企业的基本功就是要把组成硅光集成芯片的这些高性能组件全部做好，这不是多能公司，是产品型硅光企业的基本要求。如果一些关键器件做不到预期性能，不是说明硅光要求所谓“多能”的不合理，而是这家企业的能力不够。

  原文里讲到“不仅要开发OSA内的所有元件，还要开发所有电芯片。虽然多数电芯片都比较容易，” 这个说法有点触及认知的底线，首先硅光公司不需要开发所有电芯片，光芯片和高速模拟芯片甚至是两个行业，其次，多数电芯片都比较容易这句话是非常离谱的，高速模拟芯片需要多年的设计积累和对工艺的理解才有可能做到产品阶段。

以上为原文部分截取

  每个元件都开发一遍也是错误的认识，不同的技术节点，是关键元件的迭代，而不是每个元件的迭代。90%以上的元件一次开发成功，可以多次重复利用，并在迭代中优化，现在成熟的硅光生态保障迭代时间相当可控。另外从商业逻辑来讲，任何产品都应该早早的做好准备等着测试窗口或者客户的验证窗口的开放，逻辑关系不是“除非”，提前做好准备等待机会这件事在任何行业都是基本要求。

  Q4：关于“螃蟹效应”？

以上为原文部分截取

  回答：这里有一个基本的认识问题，知识产权保护是普遍性的各行各业对创新者的鼓励，硅光公司绝对不是利用专利互相制造障碍的特例，这是高科技行业的普遍做法。另外更重要的一件事情是，小学数学题都有很多解题方法，技术和产品的实现也从来都不是独木桥，拿低损耗耦合这件事来说：A可以用多层材料实现高效率耦合，B可以掏空衬底，C可以工艺改进精准控制材料的厚度，D可以在端面镀膜，大家都有机会做到高性能且满足可靠性要求。因此，我们可以有很多种方法来解决同一问题。不会低水平的缠绕在一起，互相拖着不能进步。

  Q5：关于电芯片的差异与成本

以上为原文部分截取

  回答：光模块行业的细分是包括光芯片企业、高速模拟芯片企业和DSP芯片企业等，也有个别的硅光公司既做光也做模拟电路进行光电集成。按照作者的行文逻辑，这里电芯片应该指的是高速模拟电路芯片。现在行业内头部企业如Marvell、Broadcom、Macom等都能够提供支持硅光芯片或分立器件的高速电芯片，这个环节不是硅光企业解决的，也不是硅光模块和分立器件模块成本差别的主要来源。硅光的电芯片的成本更高是荒谬无稽之谈。

  另外再纠正几个基本常识错误：（1）不止分立器件的电芯片是大批量生产的，硅光芯片配套的电芯片也是大批量生产的，与分立器件电芯片采用的是完全相同的工艺、不同的产品而已。（2）集成电路行业的专业术语叫“制程”或者“工艺节点”，不叫“线程”。

  文章提到“而我们硅光做这些芯片，45nm线程和6寸片是常用的”，事实上45nm制程一般都是在12寸平台，跟6寸片风马牛不相及。

  硅光不论是光芯片还是配套电芯片，都会用8英寸以上的晶圆，不存在与分立器件电芯片相比“得片数更低、成本更高。”典型的错误的起点得到错误的结论。

  Q6：关于DSP

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  回答：第一，目前，硅光芯片和分立器件方案均需要DSP，没有“做不了DSP就意味着硅光集成的电芯片难产”这个专门针对硅光的说法。其次，硅光公司与研制DSP不需要划等号，DSP是另外一个烧钱的领域。DSP供应商已经大量商用配套硅光的DSP芯片。面向硅光的DSP（目前主流的是集成了Driver和TIA功能的直驱DSP）早就规模化供应，甚至支持单波200Gbps的都已经推出来了。

  最后，如果作者用“DSP”和“非DSP”想表达的是采用DSP或者Driver/TIA，那么 “非DSP”并不好设计制造，如前文所述，目前我们国内甚至都还缺乏高速GeSi量产工艺平台，因此这些“非DSP”首先要依靠国外平台，还要具备多年的产品经验积累，非常有挑战性，完全不是“比较好设计制造”。

  Q7：关于产品迭代与NRE

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  回答：文章提到的重新设计、重新制造的问题，这不是雪上加霜，任何芯片行业开发新产品都需要重新设计和制造，迭代难度取决于前代技术产品能有多少为下一代所用。对于光模块来说，技术代或者技术平台通常会用单波速率来表示，例如单波100Gbps则对应100Gbps和400Gbps（4×100Gbps）等，包括不同距离的DR和FR等场景。在同一个技术代，组成硅光芯片的主要器件的复用率可以达到近90%，不同的技术代，例如单波100Gbps到单波200Gbps，主要器件的复用率也能达到70%以上。

  对于新品来说，设计改动不意味着加工工艺的变更。Fab提供的一个工艺平台，可以支持许多产品，不同的掩膜对应不同的产品，但工艺其实是相同的。支持分立元件的IC和支持硅光的IC是2个产品，2个设计，但是是用一套工艺加工出来的。至于NRE费用，工艺平台不做变更也并不需要重复支付，付出的固定成本是掩膜的成本。

  Q8：这个七个问题之后，武老师对文章做出的结论也进行了评价。

以上为原文部分截取

  回答：与文章总结观点恰恰相反，硅光技术和工艺能力在过去几年来的发展速度非常快，不论是来自客户端的明确需求，还是Fab的强力支持，400G和800G硅光模块产品和供应链都已经完全成熟。目前国际上几乎所有的Fab，包括TSMC、Global Foundry、UMC、Tower Jazz、SMIC、ST等都能够提供硅光研发和流片服务，硅光的各类测试设备也都已经出现了专业的供应商。什么后台很硬的Intel这种江湖论调，什么命数，硅光的机遇不是文章提到的这些点，而正是客户需求和成本契合这一拐点的出现。

  四、剩余部分的认识误区

以上为原文部分截取

  回答：分立器件光模块没有在1.6T上难产，EML的8×200Gbps方案已经被验证完全可行。在很长一段时间内，硅光和EML也都将会并存。

以上为原文部分截取

  回答：对于单波200Gbps，65GHz以上是够用的，作者不用担心110G能不能量产的问题。前面解释过单波200Gbps的问题，这里不再重复。

以上为原文部分截取

  回答：关于LPO技术，它的出发点是为了满足高带宽密度互连对功耗和延时的极致要求，当然也带来去掉DSP的成本优化的可能，但是目前行业还处在验证的阶段，还未批量应用。硅光技术用于LPO的竞争力来源于硅光芯片能够提供足够的带宽，更重要的是MZ调制器线性度比较高，相比于电吸收调制器有天然的优势，所以目前LPO光模块以硅光方案为主，不是作者认为的理由。

以上为原文部分截取

  回答：Foundry-design house模式是集成电路这一极致高效的制造业发展出来的细分模式，它最关键的商业原则就在于Foundry要严格保护客户的设计和知识产权，如果Foundry这一点都做不到，这个Foundry就不用干了，Nvidia和Broadcom也要天天担心自己的核心设计被Foundry作为公开的IP被公布出去了。在这个模式里，代工厂和设计公司分工合作，满足市场需求。

  代工厂的护城河很深，设计公司的护城河也同样很深。随着速率和集成度的提高，芯片的系统级设计愈来愈重要，这不是抄袭1、2个器件可以实现的。代工厂将设计公司的IP擅自归入PDK，推荐给其它客户，既违背了代工厂的法律义务，也不符合代工厂的长期商业利益。

以上为原文部分截取

  回答：作者给出了硅光的发展方向和条件，不得不说都不算是好主意。贸易战和政治因素带来的不是正面优势，而是负面，真正有能力的硅光公司是敢于面对国际竞争的，硅光行业是全球竞争的行业，不是靠国内保护生存。供应的问题前面已经讲过了。硅光公司不做集成，做单器件？作者跟前面有点自相矛盾了，我们在前面也对此做了充分的分析。

  五、总结

  前述在讨论的过程中，对硅光集成的定义、发展和特征进行了不同程度的解释，不再大篇幅阐述，这里对硅光的产业发展状况再稍作补充：

  硅光在高速通信、智能传感（激光雷达）、健康医疗、消费电子、微波光子等领域都有广泛的应用潜力。在过去二十年间，硅光技术完成了各种关键技术和工艺的突破，但是当下的产业应用仍然集中在数据中心和电信等高速通信领域。硅光传感技术的逐步成熟和需求的快速增长，将为硅光的市场带来更多的机会，激光雷达在自动驾驶、工业应用和机器人等领域都有潜在的应用可能，车载激光雷达面临各种方案不收敛的局面，到2025年有望看到一些确定性的机会。Rockley作为健康医疗的代表性企业，过去2年波折不断，但是这一领域仍然潜力巨大，具体成熟的时间有待观察。

  在通信领域，终端用户最关注的，性能达标和质量可靠性满足要求的前提下，仍然是性价比。在近10年前，Intel、Cisco（收购Lightwire-Luxtera-Acacia）和Nvidia（收购Mellanox-收购Kotura）分别在100Gbps领域获得了产品的量产出货，都是在特定场景获得了局部优势，例如Intel的大量投入，Acacia的硅光相干集成+DSP以及Mellanox的IB标准等。属于英雄造的片段时势，不完全是商业规律的产物，因此会出现反复和波折。通过比较硅光技术与分立器件的成本变化曲线，可以明确在400Gbps开始，硅光开始具备竞争优势。国内光模块公司占据了全球市场的大半壁江山，头部的光模块企业通过自研硅光芯片或与专业硅光芯片企业合作都已经推出了400G/800G的硅光模块产品。

  到2023年，AI的快速牵引引起 800G提前大量布局，面向海外用户的光模块厂家都开始布局和验证硅光模块以应对接下来的激烈竞争，以及利用集成电路的充足供应来应对高速化合物半导体光电子芯片的短缺；国内的云用户则从400G就开始布局硅光集成模块，充分发挥硅光集成的成本优势。预期未来的3-5年，在单模领域，硅光与InP技术将会在市场上展开竞争，甚至硅光集成有机会在超短距上从多模方案中占据一定份额。而在相干领域，硅光则将占据更高的份额，同时混合集成了薄膜铌酸锂的硅光相干芯片将成为下一代的理想选择。根据Lightcounting在2023年的预测及与模块商的交流，未来几年的增量大概率被硅光模块占据。集成电路规模集成带来的制造成本优势叠加市场份额扩大的正向循环，将有助于硅光逐步获得更高的份额，2024年将是这一局面的开端。