根據(jù)Lightcounting的預(yù)測，光通信行業(yè)已經(jīng)處在硅光子技術(shù)規(guī)模應(yīng)用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，使用基于硅光光模塊市場份額有望從2022年的24%增加到2028年的44%。據(jù)Yole預(yù)測， 2022年硅光芯片市場價(jià)值為6800萬美元，預(yù)計(jì)到2028年將超過6億美元，2022-2028年的復(fù)合年均增長率為44%。推動這一增長的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機(jī)器學(xué)習(xí)的800G可插拔光模塊，數(shù)通光模塊的應(yīng)用占硅光芯片市場93%。

業(yè)界認(rèn)為硅光子技術(shù)與傳統(tǒng)分立技術(shù)之間的成本平衡在400G。隨著光模塊速率向800G及以上發(fā)展，硅光子技術(shù)的成本效益逐漸超過傳統(tǒng)分立技術(shù)。預(yù)計(jì)短期內(nèi)，400G和800G硅光模塊的市場占比將增加。長期來看，隨著硅光子技術(shù)的成熟，其在1.6T和3.2T等更高速率應(yīng)用中的低成本和大帶寬優(yōu)勢將更明顯，推動硅光模塊滲透率持續(xù)增長。

硅光模塊 VS 傳統(tǒng)光模塊

硅光技術(shù)全稱為硅基光電子技術(shù)，是一種采用硅和硅基材料（如SiGe/Si、SOI等）為襯底，并借助CMOS工藝技術(shù)來開發(fā)集成光電子器件的創(chuàng)新方法。其核心在于，它能夠?qū)⒐庾雍碗娮蛹夹g(shù)無縫結(jié)合，為光通信領(lǐng)域帶來革命性的進(jìn)步。

一種顛覆性的封裝技術(shù)，共同封裝光學(xué)元件（Co-packaged optics；CPO）就被提出來，透過先進(jìn)的封裝技術(shù)，以及電子學(xué)和光子學(xué)的最佳化整合，來大幅縮短電氣鏈路長度，從而提高互連頻寬密度和能源效率。因此CPO被廣泛認(rèn)為是未來數(shù)據(jù)中心互連的一個(gè)最有效的解決方案。包括Intel、Broadcom和IBM等全球國際半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)先業(yè)者，都已對CPO技術(shù)展開深入研究，國內(nèi)多家公司也開始參與競爭。這是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，涉及了光子元件、集成電路設(shè)計(jì)、封裝、光子元件建模、電子-光子整合模擬、應(yīng)用和技術(shù)。

傳統(tǒng)的光模塊是執(zhí)行光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵設(shè)備，其核心功能包括對光信號進(jìn)行調(diào)制和接收。在制造過程中，傳統(tǒng)光模塊需要將電芯片、光芯片、透鏡、對準(zhǔn)組件和光纖端面等多種器件通過封裝技術(shù)集成在一起，以構(gòu)成一個(gè)完整的調(diào)制器、接收器和無源光學(xué)器件的集合體。相比之下，硅光模塊則采用了先進(jìn)的硅光子技術(shù)，這一技術(shù)允許使用CMOS工藝來開發(fā)和集成光器件。它基于CMOS制造工藝，將硅光模塊芯片與硅基底相結(jié)合，通過蝕刻和外延生長等微加工技術(shù)，精確制備出調(diào)制器、接收器等關(guān)鍵光電子器件。這種高度集成的方法不僅提高了生產(chǎn)效率，還為實(shí)現(xiàn)更小型化、更高性能的光通信設(shè)備提供了可能。

對耦合對準(zhǔn)和封裝精度要求更苛刻

硅光技術(shù)已在光開關(guān)、光波導(dǎo)、硅基探測器（如Ge探測器）以及光調(diào)制器（如SiGe調(diào)制器）等實(shí)現(xiàn)突破。

當(dāng)前，硅光技術(shù)主要有兩種實(shí)現(xiàn)形式。一種是采用先進(jìn)的大規(guī)模集成電路技術(shù)（CMOS）工藝，實(shí)現(xiàn)單片硅光引擎的集成。另一種則是混合集成方案，光芯片通常使用傳統(tǒng)的三五族半導(dǎo)體材料，通過分立貼裝或晶圓鍵合等技術(shù)手段，將這些三五族的激光器與硅基板上集成的調(diào)制器和耦合光路等組件緊密結(jié)合，形成一個(gè)高效的光電子系統(tǒng)。

硅光模塊的生產(chǎn)必須采用高精度自動耦合封裝技術(shù)，這一技術(shù)對于確保封裝的精確度、提高良品率和生產(chǎn)效率至關(guān)重要。相對于傳統(tǒng)光模塊，它們通常采用自由空間耦合設(shè)計(jì)，對封裝精度的要求不那么嚴(yán)格，因此可以采用人工或半自動的方式進(jìn)行封裝，這樣的方法成本相對較低。

然而，硅光技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨著一系列挑戰(zhàn)，尤其是光纖與波導(dǎo)之間的高效耦合以及封裝工藝。由于硅光模塊的集成度較高，封裝過程更為復(fù)雜，對耦合對準(zhǔn)和封裝精度的要求也更為苛刻。這使得實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量且成本效益的封裝變得更加困難。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，目前階段在硅光模塊成本中，硅光芯片僅占約10%，封裝成本占比約為80%。

硅光技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

硅光子技術(shù)正逐步取代傳統(tǒng)光器件，但在全面普及之前，仍需解決一些關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。這包括降低硅波導(dǎo)的損耗、提高波導(dǎo)與光纖間的耦合效率，以及穩(wěn)定溫度對功率和波長的影響。這些難題的攻克對于硅光子技術(shù)在數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。

在測試流程方面，硅光芯片與常規(guī)集成電路芯片相比，面臨著更高的成本、更復(fù)雜的制造過程和更高的廢品率。因此，必須在晶圓級別進(jìn)行嚴(yán)格的測試和篩選，以確保在后續(xù)的集成過程中，只有合格的芯片被用于封裝，從而避免因使用不合格芯片而增加的后期成本。

此外，硅光芯片的設(shè)計(jì)、制造和封裝環(huán)節(jié)目前還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方案。設(shè)計(jì)階段需要依賴專業(yè)的EDA工具，而在制造和封裝環(huán)節(jié)，缺乏提供硅光工藝晶圓代工服務(wù)的廠家，這些都增加了硅光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的難度。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，硅光子技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)為多個(gè)行業(yè)帶來了技術(shù)革新，預(yù)示著其在未來的廣泛應(yīng)用潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐步建立，硅光子技術(shù)有望克服現(xiàn)有障礙，實(shí)現(xiàn)更廣泛的市場應(yīng)用。

硅光廣泛應(yīng)用于

通信、傳感和計(jì)算等領(lǐng)域

目前硅光產(chǎn)品主要集中在數(shù)據(jù)中心光模塊以及相干光模塊，未來有望拓展至CPO領(lǐng)域。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的新型光信號互聯(lián)與處理（Communication / Processing），包括Optical IO、光計(jì)算、量子計(jì)算等。另外一個(gè)較大的應(yīng)用領(lǐng)域是光傳感（Sensing），包括激光雷達(dá)、生物傳感等。

隨著硅光芯片技術(shù)的發(fā)展，對測試測量的需求也在不斷增長，包括對硅光芯片性能的精確測試、封裝技術(shù)的優(yōu)化、以及對新材料和新結(jié)構(gòu)的評估。測試測量技術(shù)的發(fā)展將直接影響硅光芯片的良率和可靠性，是推動硅光芯片技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。

作為測試測量解決方案的供應(yīng)商和租賃合作伙伴，益萊儲可以提供靈活的精密測試測量解決方案來確保光模塊的性能、可靠性和兼容性，包括示波器、誤碼儀、協(xié)議和信號測試儀器等，以滿足400G和800G硅光芯片測試的需求。益萊儲密切關(guān)注行業(yè)發(fā)展趨勢，如數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張、5G技術(shù)的深入部署、人工智能技術(shù)的發(fā)展以及智能駕駛等，通過與客戶、測試測量品牌原廠及合作伙伴的緊密溝通，益萊儲能夠及時(shí)了解市場的最新需求并攜手面對挑戰(zhàn)。

審核編輯 黃宇