行業(yè)調(diào)研分析 硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測報(bào)告

• 黃文玉 2023年1月13日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1403 92
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所謂硅基光電子技術(shù)，就是結(jié)合光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，應(yīng)用硅工藝平臺，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級，以光子和電子為載體的信息功能器件，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集

硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2022年北京大學(xué)教授王興軍課題組和美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授John E. Bowers課題組在世界上首次報(bào)道了由集成微腔光梳驅(qū)動(dòng)的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)。相關(guān)研究5月18日在線發(fā)表于《自然》。這個(gè)工作是集成光梳和硅光的完美結(jié)合，它打通了光梳從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的“最后一公里”，讓這項(xiàng)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用成為可能。同時(shí)，它也解決了硅光多路并行光源的世界性難題，使硅光有了自己的“大腦”。

從上世紀(jì)70年代起，我國就已經(jīng)認(rèn)識到光電子技術(shù)的重要性，開始制定全面發(fā)展規(guī)劃。然而，不可否認(rèn)的是，與英特爾等公司相比，在解決光互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)——光子集成回路(PIC)的研發(fā)方面，我國還是有不小的差距。長期以來，以硅為材料的微電子芯片一直是計(jì)算機(jī)的心臟部件。與砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體材料相比，硅的成本要低得多。芯片中的光互聯(lián)如果能夠立足于硅材料上實(shí)現(xiàn)，對光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化來說，無疑會(huì)帶來革命性的突破。

隨著應(yīng)用市場的拓展和系統(tǒng)規(guī)模的大幅度提升，硅基光電子片上系統(tǒng)架構(gòu)正向多通道和高并行的架構(gòu)演進(jìn)，隨之而來的便是日趨增長的對低成本和高穩(wěn)定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不發(fā)光，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)一直是世界性難題，在硅基光電子芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源更被公認(rèn)為是該領(lǐng)域最大的瓶頸之一。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2022-2027年中國硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測報(bào)告》顯示：

美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)設(shè)立“用于通用微尺度光學(xué)系統(tǒng)的激光器”(LUMOS)項(xiàng)目，投入?1900?萬美元進(jìn)行硅基異質(zhì)材料集成光源的研究。日本能源與工業(yè)技術(shù)發(fā)展組織投入?22.5?億日元用于硅基高亮度、高效率激光器的開發(fā)。歐盟“地平線?2020”投入?262?萬歐元用于異質(zhì)硅基光源的開發(fā)。在政府的一系列支持推動(dòng)下，光電異質(zhì)集成技術(shù)飛速發(fā)展，在學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域取得了一系列技術(shù)突破。

硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。硅光子技術(shù)將硅光模塊中的光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，使光信號處理與電信號的處理深度融合，最終實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光互聯(lián)”。

所謂硅基光電子技術(shù)，就是結(jié)合光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，應(yīng)用硅工藝平臺，在同一硅襯底上同時(shí)制作若干微納量級，以光子和電子為載體的信息功能器件，形成一個(gè)完整的具有綜合功能的新型大規(guī)模光電集成芯片。

在“863?計(jì)劃”“973?計(jì)劃”和國家自然科學(xué)基金等支持下，我國也加大了硅基異質(zhì)集成方向的研究力度，在硅基關(guān)鍵光電子集成器件等方面取得了一系列重要成果，調(diào)制、探測、復(fù)用與解復(fù)用等分立器件已經(jīng)研制成功，異質(zhì)集成襯底、光源、高速光電調(diào)制器等方向取得了一系列重要進(jìn)展。

硅基光電子技術(shù)擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術(shù)在大規(guī)模集成、低能耗、低成本等方面的優(yōu)勢，更適應(yīng)未來高速、復(fù)雜的光通信系統(tǒng)。同時(shí)可以滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數(shù)據(jù)傳輸，通過與微電子集成電路進(jìn)行單片集成，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的片上互連，突破微電子處理器在數(shù)據(jù)互連上的瓶頸。

海外光通信設(shè)備廠商以及相關(guān)行業(yè)具備較強(qiáng)競爭力的企業(yè)相繼入場進(jìn)行布局，如Intel、Cisco及SiFotonics等巨頭公司起步較早，均已推出多款基于硅光技術(shù)的器件產(chǎn)品，已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)占據(jù)頭部地位。

與海外頭部企業(yè)相比，國內(nèi)企業(yè)布局硅光技術(shù)較晚，主要通過收購擁有該技術(shù)的海外公司或者與外企成立合資公司的模式來切入，目前在研發(fā)技術(shù)和成果方面與海外巨頭還有較大差距。不過就當(dāng)前而言，無論是國外企業(yè)的技術(shù)領(lǐng)跑還是國內(nèi)企業(yè)的入場追趕，從目前的市場發(fā)展階段和產(chǎn)品成熟度來看，在功耗、成本、帶寬和產(chǎn)能方面硅光技術(shù)還有較大的提升空間，距離大規(guī)模應(yīng)用尚需時(shí)日，但可以確定的是硅光技術(shù)未來會(huì)成為光通信領(lǐng)域的主流應(yīng)用方向。

硅基光電子行業(yè)相關(guān)政策分析

根據(jù)工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破20%。

目前我國十四五政策上來看，上海市明確提出發(fā)展光子芯片與器件，重點(diǎn)突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發(fā)與應(yīng)用，對光子器件模塊化技術(shù)、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術(shù)、光電集成模塊封裝技術(shù)等方面的研究開展重點(diǎn)攻關(guān)。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

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  2022-2027年中國硅基光電子行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢預(yù)測報(bào)告

  硅基光電子技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，Soref發(fā)現(xiàn)了晶體硅中的等離子色散效應(yīng)，為硅基電光調(diào)制提供了理論基礎(chǔ)。硅光子技術(shù)其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。...

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