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Yole Intelligence 2023年硅基光电子技术发展报告解析

摘要

Yole Intelligence在 11月发布 Silicon Photonics 2023报告，再次表明硅基光电子技术最直接的应用在数据通信和电信，但在激光雷达、量子计算、光计算和医疗保健也展现出广阔前景。本文概述 Silicon Photonics 2023报告中硅基光电子技术发展现状、关键应用和市场前景、集成方案以及未来路线图。行业预测硅基光电子技术增长强劲，主要驱动因素是高速收发器和机器学习，这意味着硅基光电子技术将对未来光计算发展非常重要。

简介

硅基光电子技术通过利用CMOS制造基础设施，在硅衬底上集成光子组件与电子器件。这实现了在晶圆级将激光器、调制器、探测器、波导、耦合器及其他无源光学组件与电子器件一体化。硅光子技术起源于1980年代中期，通过汲取电子行业技术获得了快速发展。向兼容CMOS的光子平台转变，使其成为批量低成本生产光子集成电路的最佳选择。尽管目前应用主要在数据通信和电信，但在未来光计算领域蕴藏巨大潜力。

2022年，硅基光电子芯片市场规模达6800万美元，预计到2028年以44%的复合年增长率增至超过6亿美元。主要增长动力是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔模块。

图1. 2022-2028年硅基光电子芯片收入增长预测，按应用划分

在硅基光电子数据通信市场，英特尔占主导地位，市场份额61%，思科和博通等位居其后。在电信领域，思科（Acacia）占据50%的市场份额，紧随其后的是Lumentum（Neophotonics）和Marvell（Inphi）。电信市场增长主要来自用于长途网络的相干可插拔模块。

图2. 2022年电信模块和数据通信收入市场份额

当前电信领域与数据中心主导硅基光电子技术应用，但该技术在激光雷达、量子计算、光计算和医疗设备等新兴领域也展现巨大潜力。将先进光子技术应用于医疗可能实现更快更准确的诊断、治疗和监测，尽管还需跨越监管障碍。硅基光电子技术向可见光谱的拓展也为各行业带来新的可能。

PIC Studio硅基光电子集成电路设计平台

PIC Studio提供一体化的光子集成电路设计流程，通过集成pSim仿真、PhotoCAD版图综合和高级SDL实现自动摆放以及自动绕线，无缝从系统级到物理级设计流，可加速硅基光电子集成电路研发。

图3. PIC Studio平台整合pSim仿真、PhotoCAD版图综合和高级SDL，实现系统级到物理级无缝设计流，加速光子集成电路研发

硅基光电子技术集成方案

尽管硅发光性能较差，但近期突破已经实现激光器与硅衬底单片集成，用于主动光子器件。这点非常关键，因为有效发光需要直接带隙的III-V族材料。相较量子阱激光，量子点激光是一种前景广阔的方法，具有在硅上外延生长时的缺陷容忍性等优异特性。

异质集成可以组合不同材料制作多功能光子电路，但是涉及复杂的键合和有限的衬底尺寸。单片集成通过在单片晶圆上制造光源与波导解决了这些难题。针对调制器，铌酸锂（TFLN）薄膜与硅的组合可以实现高速紧密的光限制。

当前最先进的硅基光电子技术工艺节点仍为40nm，而电子器件工艺已经缩小到单位数字纳米级。但是，较大的几何尺寸对高性能硅光器件来说已经足够。利用成熟工艺节点可以实现经济高效的制造。

硅基光电子技术发展路线图和前景展望

在过去四十年，材料、集成技术、封装等方面取得长足进步，使硅基光电子技术成为主流收发器技术。业界正在通过持续研发、战略合作与硅基光电子技术产业化服务，使其应用范围不断扩大。硅光子技术提升数据传输速率且降低功耗的优势，使其有望推动未来光计算的发展 [1]。

图4. 1992-2030年硅基光电子技术集成路线图

结论

硅基光电子技术正在从专业研究领域转变为广泛的产业化应用，大规模的数据通信和电信应用推动了这一转变。与此同时，量子计算、激光雷达、医疗设备等新兴领域也展现出巨大的应用潜力。凭借高容量数据传输、低功耗和与电子器件的高度集成特点，硅光子技术必将推动未来光计算能力的解锁。未来十年，硅基光电子技术将在集成路线图上不断进步，实现高效激光器、高速调制器和功能提升。

参考文献

[1] Yole Intelligence，Silicon Photonics 2023，November 2023.