光子集成电路行业研究

崇樾资本2021-05-13 14:29:14

光子集成电路技术广义上指将种类不同,数量众多的光学元件集成到单一芯片上的技术。目前已较为广泛地应用于光纤通信领域,并在信息处理,传感技术,光子对抗,光子计算机等高技术领域显示出传统电子集成电路和分离式光子系统无法比拟的优越性。

光子产业(Photonics Industry)是推动21 世纪经济发展的朝阳产业。光子学是关于光的科学和技术,特别是光的产生、指引、操纵、增强和探测。从通信到卫生保健,从生产材料加工到照明设备和太阳能光伏,到日常使用的DVD播放器和手机,光子技术已经渗透到生产生活的方方面面。谷歌、通用汽车等信息通讯技术、制造业企业,对光学与光子技术十分依赖。

目前,光子芯片技术已经由硅光子集成技术向纳米光子学范畴迈进。在材料方面,石墨烯等先进材料的研究也有望将光子芯片技术的应用推向新的高度。随着光子技术的不断发展,光子技术将帮助突破计算机电子技术的局限;通过大幅增加数据容量和提高数据传输速度,它将推动通信行业进入太比特时代,同时降低碳足迹和单位成本。

 

一、光子集成电路技术原理

硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成,使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

光子集成电路技术主要指围绕特定的功能要求,在同一衬底(基片)上进行多次外延、光刻、刻蚀等工艺来制作所有的功能单元,比如阵列光波导、半导体激光器、光探测器、光调制器、光放大器以及高速电子线路的芯片。其潜在的优势在于集成度高、功能完善、可靠性高、功耗低,并且有望实现超高速率。光子集成电路技术可粗略地划分为“光—光”集成和“光—电”集成。“光—光”集成亦即狭义的光子集成光路技术,其特点是采用单一材料体系,利用同一工艺技术平台,通过不同芯片层次的加工制作,来实现各种有源/无源光器件之间的单片集成。“光—电”集成通常也叫做光电集成电路。与“光—光”集成不同,“光—电”集成需要考虑在同一半导体材料衬底上同时制作光子器件和电子器件,最终实现一个完整的光电子集成片上系统。

 

二、光通信产业链

光通信行业主要包括光系统设备、光纤光缆、底层光器件及光芯片三大细分领域。其中,华为、中兴已经成为光通信系统设备领域的领导者;中国光纤厂商也占据着光纤、光缆领域前十的半壁江山;但对于处于技术和价值链上游的光器件及光芯片领域来说,由于光芯片核心技术及光器件高端工艺/技术等仍掌握在外国公司手中,未来实现核心光芯片自产自供,摆脱对国外厂商依赖,是国内光通信行业真正做大做强的关键。

上游:原材料供应商、光芯片、光纤光缆、光器件生产厂商。其中,光器件大量应用在宽带接入、城域和骨干传输系统设备中,是光通信产业链基石。光器件生产商采购光学和电子原件、芯片等原材料(大部分芯片需要向国外芯片厂商购买,部分光器件厂商可以自产所需芯片),经过集成、封装、测试合格后,供给中游的光通信系统设备制造商。

中游:光通信系统设备制造商,根据运营商需求功能的不同,集合不同的光器件、电器件,生产制造出用于宽带接入、城域、或骨干传输的光通信系统设备,供各电信运营商。

下游:通信运营商以及最终端的用户组成。



三、光子集成电路技术发展现状

目前国外光子集成电路技术正在蓬勃发展当中,主要研究方向相对集中在光子集成电路技术基础理论,光子集成电路材料和光子集成电路制备等几个方面。

1. 光子集成电路相关光子学理论研究尚有待全面突破

光子集成电路器件尺寸一般都在波长量级,随着尺寸减小损耗会很快上升,无法完成和现有纳米尺寸的电子器件互连。表面等离子体同时具有高局域和高带宽的特性,成为一个可能的解决方案。目前人们认为表面等离子体在发展上比较有前途的几种途径包括增益补偿,即在产生损耗的同时给其以增益来补偿损耗;表面等离子体波导和介质波导的混合集成,这种方法在一定程度上可以减小损耗;低频率下的表面等离子体波动,由于其本身特性,在太赫兹波段其损耗将大大减小。总的来说,表面等离子体在光子集成电路器件的应用方面具有很大的潜力,但在这一领域,还有很多问题没有解决,这需要研究人员的进一步努力。

2. 针对Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的光子集成电路制备工艺基本成熟

自光子集成电路技术诞生以来,研究人员一致努力将各种光子集成电路器件的设想转变为现实。经过40多年的研究和探索试验,适合于光子集成电路器件的制作工艺技术已基本成熟,主要包括薄膜淀积技术,薄膜外延生长技术,微细图形加工技术等。薄膜淀积技术主要包括真空蒸发淀积,溅射淀积,离子镀,化学气相淀积,等离子体增强化学淀积。薄膜淀积技术主要包括真空蒸发淀积,溅射淀积,离子镀,化学气相淀积,等离子体增强化学淀积。Ⅲ-Ⅴ族半导体光子集成电路器件和系统要求膜层分子有序排列,而且分层厚度有时薄到几纳米至几十纳米,这样薄且质量要求严格的半导体多层晶态结构不能用淀积法形成,而必须用外延法生长,辅以扩散,离子注入等方法形成。在光子集成电路工艺中,都需要实现各种微细图形结构,这一般通过类似于照相制板的光刻技术实现。

3. 光子集成电路材料研究的重点是硅基材料

现有的光子集成电路有源器件主要采用Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。硅材料作为间接带隙材料其发光效率低下,因而长期以来被认为不是良的光电子材料,不适宜应用于光电子领域。然而相较于在光电子领域占优势地位的化合物半导体材料,硅基光电子材料又有着成本低廉、易于实现光子集成等优点,且随着硅材料的进一步深入研究,人们又发现了硅基发光的一些新特性,因而近年来对于硅基发光材料的研究受到越来越多的关注。目前硅基光子集成电路材料研究主要集中在硅基纳米发光材料和硅基光子晶体两个方面。此外,高分子聚合物材料的热光系数和电光系数都比较大,很适合研制高速光波导开关和波导阵列,且制作简单成本廉价,因此也是未来光子集成电路技术材料的重点发展方向之一。

 

四、光子集成电路技术分类

1.基于化合物半导体的光集成技术,如GaAsInP技术。这类技术适合制造高速调制器、光开关,速度很快,但造价较高。此外,化合半导体也是制造各种光器件的基本材料,随着薄膜生长技术的飞快发展,将光子器件与光波导器件及高速电子器件单片式集成在一起己成为可能;

2.基于铌酸锂材料的光集成技术,这类材料特别适合研制高速光调制器、光开关等,技术成熟,且市场份额较大;

3.基于SiO2绝缘体技术的PLC技术,包括采用石英衬底和硅来制作波分复用器、光分路器、热光器件等多种较大规模的集成化光波导器件。这种技术主要采用PECVD和干法刻蚀及髙温退火工艺,该种技术目前己相当成熟,国内也己开展这方面的基础研究及器件研发,例如武汉光迅公司就进口了PECVD设备,用来制作AWG和光分路器;

4.硅基集成光波导技术,也就是SOI材料,SOI材料是新型硅基集成电路材料的简称,又称绝缘硅。这种技术采用的结构与电子学的集成电路类似,只是在硅晶体层的厚度上有所区别。作为国家973计划硅基发光及光子器件研究的子课题,已经启动了基于SOI材料的微、纳集成光波导及器件的研究项目。

国外在硅基光子集成方面的研究进展迅速,如去年IBM就宣布开发出10G 纳米光波导的MZ电光调制器,一直在硅光子领域颇有造诣的Intel也发布了30Gbps硅光调制器技术。国际上每年都召开专门的硅基集成光学学术会议进行专题研讨和交流。

目前,我们国家在硅基光子集成领域的研究进度尚落后于发达国家,其主要困难在于缺乏先进的微细加工设备,无法制造出高质量的光波导,而并非缺乏新的研究思路。,充分利用已有的设备条件在硅基集成光学研究方面就取得了很好的成绩;

5.基于聚合物材料的光集成技术。高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困难,所需要的设备复杂,一次性资金投入较大,产业化风险也较高。然而,聚合物材料所具备的某些优良特性能使Polymer光波导及集成光学器件具有工艺简单、折射率调整容易、透明性好以及偏振不灵敏等优点,因此,其在光集成及光子器件领域同样占有一席之地且有着很好的发展前景。目前在日本、美国、韩国等一些发达国家都在积极开展聚合物集成光器件的研究工作,并已取得许多重要进展,一些主要性能指标正逐渐达到无机AWG的水平,聚合物集成光功分器在日本甚至已经产业化。但是,因为聚合物器件起步较晚,目前尚没有完全达到系统化、商业化、实用化的程度。聚合物材料也同样适合做高速调制器、光开关,但是存在稳定性差,寿命低的缺点,而且髙水准、髙质量的聚合物材料还比较贵。国内在这方面研究不足,特别是对多种聚合物材料的研发与发达国家相比差距还比较大。

6.基于光学玻璃的光集成技术。这类材料集成光波导器件的优点是成本低,工艺简单,可靠性高,传输损耗小,且与光纤对接匹配度高。这种技术不仅可以用于制造光分路器,还可以应用到其他领域。王明华教授的课题组正在利用这种技术进行集成光功分器的产业化研发,并同时开展传感器及微光学器件的研发。

 

五、光子集成电路技术发展趋势

目前,光子芯片主要应用于光通信领域,光子芯片组成的光模块是光通信系统的核心组件,可实现光通信接收和发射中电信号与光信号的相互转换。在光通信系统中,光子芯片占据着技术与价值的制高点,光芯片的性能直接决定着整个系统的性能。

光通信是信息技术的核心产业之一,国家宏观层面出台多项政策,大力扶持光通信产业发展。201612月,,指出要“提升新型片式元件、光通信器件、专用电子材料供给保障能力,加强可见光通信技术的研发”;同期,工信部与财政部联合出台《智能制造发展规划(2016-2020)》,也强调“光通信对改造工业现场网络化、数据化的重要性”;20172月,工信部与发改委发布《信息产业发展指南》,更是明确指出“加强可见光通信领域重大布局,集中优势资源开展原始创新和集成创新,增强新供给创造能力,抢占产业技术发展主动权和制高点”。在国家政策支持下,未来光子集成电路技术发展趋势呈现如下趋势:

1. 光子学与电子学之间的无缝结合是未来主要研究方向

随着光子集成电路集成度的日益提高,研究人员开始希望能使用同一种介质来传递光信号和电信号,从而实现光路与电路的无缝衔接。主要研究方向是利用表面等离子技术。表面等离子研究的是在金属与电介质表面如何传导光波,而金属又是电子的传统导电介质。2012年,日本国家产业技术综合研究所利用磁光效应和表面等离子体在光子集成电路上成功制备出了隔离器。

2. 光子集成电路数字化

目前的主要光子集成电路只能在模拟信号的基础上处理光子,由于数字信号比模拟信号更容易实现存取,处理等功能,因此发展数字化光子集成电路能极在地提高光子集成电路的实用性。发展数字化光子集成电路的核心在于基于模式理论的编码技术,建立新型光子集成电路编码理论,解决诸如偏振透镜的编码问题,实现对单一偏振光透镜成像功能等。2013年由美国空军科学研究办公室资助的美国麻省理工学院,美国哈佛大学和奥地利维也纳理工大学共同研发出了了基于单光子开关的全光开关和全光三极管,向数字化光子集成电路迈出了一大步。

3.进一步提高光子集成电路集成度需要开展量子层面的研究

随着光子集成电路技术的快速发展,相关集成度已经由微米尺寸过渡到了亚微米尺寸,而进一步的趋势甚至致力于实现纳米尺寸上高度集成化的光子集成电路。但是当光子集成电路集成度扩展到纳米尺寸,光子集成电路技术已经不能用传统的理论来支撑,必须要考虑从量子层面来研究相关的技术。因此,为了实现进一步的集成化,各国研究人员开始致力于光子集成电路技术量子层面的研究。2010年到2013年,英国布里斯托尔大学在自旋光子角动量的量子光子集成电路方面投入了323万欧元科研经费。

 

六、国外硅光子集成电路技术最新进展

硅光子技术是基于硅材料,利用现有CMOS工艺进行光器件的开发和集成的新一代技术,在光通信,数据中心,超级计算以及生物,国防,AR/VR 技术,智能汽车与无人机等许多领域将扮演极其关键的角色。美欧等国在硅光子领域已经有十多年的投入和积累,并业已形成了产业优势。LightCounting的测,仅硅光子在光通信领域的产品市场五年内就将达到10亿美元以上。未来一二十年内,硅光子技术的市场更将远远超过这一数字。有专家认为,现在市场上虽然硅光子的商用产品还不多,但是很可能厂商只是在等待别人先发布或是在评估不同的技术。现在只是爆发前的静默期。以下为2016年以来,硅光子领域的一些进展情况:

1Ciena收购TeraXion磷化铟和硅光子资产

20161月,Ciena公司和私有企业TeraXion表示双方已经达成了一项协议,即Ciena将收购这家加拿大公司的高速电子元器件(High-Speed Photonics ComponentsHSPC)资产。Ciena将支付大约4660万加元(约3200万美元)收购以下资产,包括磷化铟和硅光子技术以及潜在的知识产权(IP)。

TeraXion在光网络市场最初是以其可调色散补偿器闻名。2013年,TeraXion通过收购COGOOptronics的调制器资产跨足相干接收机和调制器领域。在该领域,TeraXion开发出400Gbps应用的磷化铟调制器。TeraXion还开始发展硅光子;在ECOC2015展会上,该公司发表了一篇论文,表示它正在开发一款基于硅光子的针对PAM4传输的调制器。

对于这些模块,Ciena未透露是否有所规划。Ciena发言人Nicole Anderson在回复Lightwave的一封邮件咨询时表示:“对于如何应用我们收购的这些资产,目前还没有细节。简单来说,这是一次战略性收购,是为了更好的掌控我们的WaveLogic芯片组,增强我们在调制格式能力方面的灵活性,以便公司继续展示从数据中心互连到跨太平洋海底链接等全方位应用方面的领先的性价比。”

与此同时,TeraXion总裁兼CEO Alain-Jacques Simard表示,出售HSPC资产只是让公司变回一家在色散补偿和各种滤波技术方面的专业公司。公司还将在光纤激光器和光传感应用方面保持活跃。

2NeoPhotonics推出硅光子QSFP28光模块激光器

光学组件和模块供应商NeoPotonics宣布,推出了基于硅光子QSFP28组件的1310纳米和1550纳米大功率激光器以及激光器阵列。

NeoPotonics表示,该非制冷激光器和阵列将应用于数据中心光收发器。包括基于各种多源协议(MSAs)的光模块,例如CWDM4CLR4以及PSM-4等。每种多源协议(MSAs)都需要磷化铟DFB激光器的支持。

该激光器支持的功率为40mW60mW,温度范围也较广。

NeoPotonics表示已经与全球服务器和存储端到端连接解决方案的领先供应商Mellanox Technologies合作,共同开发能通过倒装芯片技术粘合至Mellanox公司光学引擎的激光器阵列。最终研发出了一款高容量、低成本电子式100G PSM4光模块组件。

3Mellanox发布首个200Gb/s硅光子设备

世界领先的高性能计算、数据中心端到端互连方案提供商MellanoxOFC 2016 (美国光纤通讯展览会)上展示了全新的50Gb/s硅光子调制器和探测器。它们是Mellanox LinkX系列200Gb/s400Gb/s电缆和收发器中的关键组件。本次展示的突破性成果对于InfiniBand和以太网互连基础设施具有里程碑意义,让端到端的HDR 200Gb/s解决方案成为可能。

Mellanox公司商务拓展和互连产品部执行副总裁AmirPrescher表示:“硅光子技术是200Gb/s InfiniBand和以太网网络的使能技术。QSFP56模块可将下一代交换机的前置面板密度提升一倍,打造面向适配器和机架内应用的200G直连铜缆(DACs)50G分支光缆;硅光子收发器可覆盖2公里范围内的所有数据中心。”

Mellanox计划推出50Gb/s200Gb/s直连铜缆(DACs);分流铜缆(QSFP564x SFP56);基于硅光子技术、长度200米的有源光缆(AOCs);以及传输距离可达2公里的硅光电收发器。此外,Mellanox200Gb/s电缆和收发器系列产品还将无缝兼容前几代40Gb/s100Gb/s网络。

4Sicoya开发出微小硅光子调制器

Sicoya开发出一款微小的硅光子调制器,以用于设计芯片到芯片光接口。这家德国初创公司认为这种光芯片 -- 它称之为应用专用光子集成电路(Application-specific photonic integrated circuits,或ASPIC-- 首先将是数据中心中服务器,然后是交换机和路由器所需要的。

SicoyaCEO Sven Otte表示,硅光子开发商的一个共同目标是将光学与处理器结合,但目前该行业还未实现这个目标。“两者是不同的芯片技术,而且它们并不一定是兼容的,”他表示。“相反,我们希望ASPIC非常靠近处理器或甚至共同封装在一个系统级封装设计中。”

Sicoya目前正与德国高性能微电子研究所(IHP)合作开发其技术,并且声称其调制器已经成功在25G50G速率下演示。不过这家初创公司未透露其ASPIC设计的细节,也未表示何时推出第一款产品。

5MACOM发布全新芯片可将激光器集成在硅光子集成电路

领先的高性能射频、微波、毫米波及光子半导体供应商M/A-COM Technology Solutions Inc.310日发布其全新的MAOP-L284CN芯片,将激光器集成在硅光子集成电路(L-PIC)中,实现100GCWDM4CLR4传输解决方案。

为满足数据通讯在视频和移动驱动下的爆发式增长,各大互联网内容提供商如AmazonMicrosoftGoogleFacebook正在建造超大规模数据中心,为此需要功率效率更高、体积更小、成本更具优势的高速互联解决方案。MACOM采用专有的自对准工艺(SAEFT™),配之高耦合效率,将蚀刻面技术(EFT)激光器附加到硅光子集成电路中,为用户提供削减生产成本下保证功率效率的解决方案。

MACOMMAOP-L284CN包括四个高带宽Mach-Zehnder调制器,与四个激光器(1270129013101330 nm)和一个CWDM多路复用器集成在一起,每个信道支持高达28 Gb/sL-PIC™工作在标准的单模光纤上,并集成tap检测器用作光纤对准、系统初始化以及闭环控制等功能。单根光纤对准该4.1 x 6.5 mm裸片的输出边缘耦合器是将该设备在QSFP28收发器应用中实现的唯一的光学要求。MACOM也提供集成了CDRMASC-37053A调制器驱动器,与L-PIC™匹配合作实现更加优化的性能和功耗。

MACOM高速网络战略副总裁VivekRajgarhia表示:“硅基光子集成电路(PIC)使调制器和多路复用器等光学设备集成到单个芯片成为可能。我们相信MACOML-PIC™解决了激光器高产出、高耦合效率的对准硅光子集成电路的主要挑战,使采用硅光子集成电路在数据中心内部实现高速光互联成为现实。”

6Phoenix Software携手Sandia 共同研发硅光子ICs

光子设计自动化公司Phoenix Software日前宣布与美国美国桑迪亚国家实验室(Sandia)合作,共同为桑迪亚国家实验室硅光子制造工艺开发出一款光子工艺设计包(PDK)。

双方的合作直接解决了美国国防部在20157月设立的“制造技术项目”提出的难题。美国国防部在20157月建立了光子AIMAmerican Institute for Manufacturing)旨在美国开发出“终端到终端集成光子生态系统”。

Phoenix Software公司的光子设计套件以及桑迪亚国家实验室代工服务的结合旨在推动集成光子领域光子设计的进一步创新。

硅光子极有可能成为生产光子集成电路的经济有效的先进的技术,从而解决包括高性能光纤网络、数据中心连接、信号处理、以及生物和化学传感等在内的应用难题。

7、英国研究人员展示直接生长在硅衬底上的第一束实用性激光

一组来自英国的研究人员,包括卡迪夫大学学者,展示了直接生长在硅衬底上的第一束实用性激光。

硅是制造电子器件最广泛应用的材料,它被用来制造半导体。半导体几乎已被嵌入到我们日常生活中用到的每个设备和技术部件,从智能手机、电脑到卫星通信和GPS。电子器件不断地在变得更快、更有效也更复杂,因此也对潜在技术提出了额外的要求。

研究者已经发现,在计算机芯片和系统之间使用传统的电气互联越来越难满足这些要求,也因此转向将光视为一种有潜力的超高速连接媒质。

尽管将半导体激光(一种理想光源)和硅联合起来很困难,但是英国团队已经克服了这些难题并首次成功地将激光直接生长在硅衬底上。

此次生长实验的负责人刘慧云教授解释说,实验表明波长为1300nm的激光能够在高达120°C的温度下使用长达十万个小时。

物理与天文学院的皮特教授说:“实现基于硅衬底的电泵浦式激光是向硅光子学迈出的基本一步。”

这一步的精确结果用来预测整个硅光子学是不可能的,但是它将明显地转变计算和数字经济、通过病号监控彻底变革医疗并为能源效率提供一个阶跃性变化。

我们的突破是非常及时的,因为它形成了卡迪夫大学复合半导体学院和拥有复合半导体专家IQE的大学合资企业的主要活动之一的基础。

伦敦大学学院光子学团队负责人Professor Alwyn教授说:“我们开发的技术让我们意识到硅光子学的圣杯——一种直接集成在硅衬底上的高效的、可靠的电驱动半导体激光器。我们未来的工作将瞄准到将这些激光与波导集成,并驱动电子学以形成光子学与硅电子集成的综合技术。”

 

七、硅光子技术整竞争格局

硅光子技术涉及“设计-制造-封装”等生产环节,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,当前商用产品较少,整个产业还没有形成稳定的竞争格局。

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 MellanoxLuxteraAcaciaFinisarAvago 等光通信公司,IntelIBM、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,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。

 



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