矽光即矽基光電子，指的是在矽和矽基襯底材料上，利用矽CMOS工藝對光電子器件進行開發和集成的一種新技術。由於其既擁有微電子的工藝成熟、集成度高、價格低廉等基礎，又兼具光電子的極高帶寬、超快速率、抗干擾性、低功耗等優勢，在微電子技術接近瓶頸的後摩爾定律時代，受到英特爾、華為、思科、諾基亞等公司熱捧，技術不斷進步，產業化進程日益加快，儼然已經成為半導體領域競爭的另一條賽道。
矽光產業發展迅速
微電子技術瓶頸和矽光技術優勢助力矽光興起。微電子技術是當今半導體領域主要技術，從1958年第一款集成電路誕生至今，微電子技術已經遵循摩爾定律發展了60多年。隨著微電子晶片集成度不斷增加，工藝線寬不斷變窄，微電子技術已經逐漸接近性能極限，摩爾定律失效的言論也甚囂塵上，雖然不斷有科學家為摩爾定律續命，但前方道路依然漫長。與此同時，與微電子具有「一字之隔」的光電子憑藉自己的高速和低功耗等優勢正在蓬勃發展，逐漸受到人們的青睞。受集成電路的啟發，集成光路的概念被提出，即利用光波導將光發射、光耦合、光傳輸、光調製、光邏輯、光處理、光接收等光電子器件集成在同一個襯底上，從而構成一個具有一定獨立功能的微型光學系統。傳統的光電技術大部分都是基於III-V族半導體（GaAs/InP等），製作成本昂貴，工藝複雜，相比之下，以矽CMOS工藝為基礎的微電子技術在過去半個世紀取得了舉世矚目的成就，技術積累十分全面，矽基工業具有非常強大的產業能力。於是有人提出以矽基作為襯底，利用矽CMOS工藝將光電子器件集成，矽光技術應運而生，並且憑藉其兼具的微電子和光電子兩大技術優勢火速興起，成為半導體和通信企業的競爭熱點。
技術演進和企業收購助力產業發展。矽光從提出至今，技術不斷演進，其中里程碑事件為英特爾在2004年研製成功1Gb/s矽光調製器，在這之後矽光產業化進程突飛猛進，新技術層出不窮，矽光產品越來越多，不斷有企業進入該領域。由於矽光產品技術和准入門檻較高，下游企業對矽光產品依賴度增大，越來越多的下游公司在矽光領域開始展開布局，並為此進行了多輪收購或併購，從而實現產業垂直整合，其中以思科、諾基亞等為主要代表。
表1 近三年矽光技術主要進展情況
數據來源：賽迪智庫集成電路研究所，2020年3月
表2 近十年年矽光產業主要收購情況
數據來源：賽迪智庫集成電路研究所，2020年3月
矽光應用領域和市場規模不斷擴大。目前矽光產品的發展已經初具規模，在光通信及光信息處理方面具有微電子無法比擬的優越性，應用廣泛。根據Yole預測數據，矽光市場規模將從2018年的4.55億美元，增長到 2024 年的40億美元。在消費電子領域，矽光的大規模集成特性非常適合消費電子產品需求，智能傳感、移動終端等產品均可利用矽光技術在有限的空間集成更多的器件；在光通信領域，隨著網絡帶寬的不斷增加，高速率傳輸技術已經成為光通信領域的研究重點，矽光產品憑藉尺寸小、成本低、與現有CMOS技術兼容等優勢，成為高速光通信實現產業化的最佳方案；在量子通信領域，由於矽光技術保密性強、集成度高、適合複雜光路控制等優勢，基於矽光的量子通信晶片有望成為量子通信的重要技術方案。此外，矽光在智能駕駛、雷射雷達、面部識別、高速互聯等應用領域均有解決方案。
我國矽光產業發展兩大現狀
我國正處於追趕者的地位。由於我國進入矽光領域較晚，目前主要通過併購或者與外企合作的模式切入，正處於追趕者的地位。我國目前在矽光領域開展布局的企業主要有華為、光迅科技、亨通光電、博創科技等。華為2013年收購比利時矽光子公司Caliopa，並且在英國建立了光晶片工廠發展矽光技術。2017年亨通光電與英國的矽光子企業洛克利合作，獲得多項矽光晶片技術許可，2020年3月10日發布了400G矽光模塊。2018年光迅科技聯合國家信息光電子創新中心等單位聯合研製成功100G矽光收發晶片並正式投產使用，但是流片需要依靠國外。2020年博創科技與Sicoya公司合作，推出了高性價比的400G數據通信矽光模塊解決方案。
我國矽光發展與已開發國家仍存在差距。在設計方面，架構不夠完善，體積和性能平衡的問題沒有妥善解決。在製備方面，我國的矽光晶片大部分都需要國外代工，對外依賴度大。在封裝方面，矽光器件之間的耦合以及大密度集成仍然存在問題。在測試方面，高速儀器儀表還嚴重依賴國外。在推廣應用方面，雖然第一代矽光相干晶片已經完成研製，但是距離應用還有一段路要走，關於如何在數據通信領域發揮矽光技術優勢，降低成本，依然是我國矽光發展需要面臨的問題。在企業規模上，相比集成電路企業，我國矽光企業大都規模較小，晶片嚴重依賴國外，企業實力較弱，垂直整合能力較差，雖然有一些矽光企業，但大都是設計、後道製程和封裝企業，具有晶片製備能力的企業寥寥無幾。
三點建議助力我國矽光發展
積極與下游廠商對接。由於矽光技術正在不斷發展中，且下游智能傳感、量子通信等矽光產品應用領域尚未完全成熟和普及，因此為了占領未來市場，需要矽光廠商與下游廠商積極對接合作，及時了解產品需求，在研發和產業化上做到有的放矢，提升產品競爭力。
增強企業垂直整合能力。鼓勵國內廠商通過收購或兼并等方式在矽光產業鏈上不斷進行拓展，加大創新投入、改善人才引進與激勵機制，完成技術與業務能力的提升，增強企業垂直整合能力，占據產業鏈高端。
做好長期投入的準備。矽光是技術密集型產業，需要持續不斷關注，不能唯眼前回報而論。以英特爾為例，其發展矽光到現在並沒有盈利，但是依然在堅持研發新產品，不斷引領矽光的技術新發展。我國在矽光方面對比國外，雖然不如微電子差距那麼大，但是依然有差距，處於追趕者地位。沒有誰可以保證矽光一定賺錢，但是沒有一家公司能承受不做矽光帶來的損失。想要做好矽光，就需要持續投入，重視基礎研究，改善考核機制，保證科研人員和企業具備穩定的研發能力，這樣最終贏得矽光戰役的勝利。
作者馬曉凱為賽迪研究院集成電路研究所光電研究室研究員、博士，朱邵歆為集成電路研究所副所長。