隨著摩爾定律的放緩，人們開始將視線轉移到其他方式。自2021年開始，越來越多的人將視線投向了硅光。2021年12月，阿里巴巴達摩院發布2022十大科技趨勢之一是硅光芯片；同年，英特爾研究院宣布成立集成光電研究中心。
硅光技術成為了眾人期待的能夠延續摩爾定律的技術之一。作為一種新型技術，硅光芯片的發展已經跨過了萌芽期，目前我國硅光芯片進展如何？
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硅光技術逐步使用
要聊硅光芯片，首先了解一下這個新興的技術。據北京郵電大學教授、博士生導師李培剛解釋，硅光芯片制造技術是基于硅和硅基襯底材料，利用互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝進行光器件開發和集成的技術，其結合了集成電路技術超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。
為什么開始探索硅光芯片？
一方面，如前文所述，硅光芯片極有可能成為突破摩爾定律瓶頸的技術。一般來講，硅材料適合大規模的集成，其工作溫度寬、散熱性能好、性能穩定，有致密的氧化物鈍化層。而硅集光電子集成芯片的興起，可以利用成熟的硅工藝，其晶圓尺寸大、單顆芯片成本低；制程線寬小，直接進入130nm/90nm/45nm。因此，硅光芯片可以利用成熟的硅半導體代工供應鏈，與CMOS、SiGe等產業共享產能。
另一方面，硅光芯片的“超低功耗”，能夠使得在能耗日益增加的時代，減少電力消耗。舉一個例子，現在即使是在消費設備層面，數據速率也開始超過傳統互連技術的能力。比如，最新高清電視的非凡像素密度和高幀速率使傳統的銅質HDMI電纜變得越來越無效。即使在家庭娛樂系統中相對較短的距離內，此類電纜的信號衰減程度也很嚴重。
這里的核心問題是，傳統的電子數據系統需要對電線進行充電和放電，以便將一點數據從A點發送到B點。即使在CPU和RAM芯片內部的微觀電線中，這種充電-放電周期需要精力和時間。
美國斯坦福大學應用物理學家和電氣工程師大衛·米勒也曾指出，信息處理中使用的大部分能量都用于通信，而不是邏輯。即使在柵極級，能量耗散的主要驅動因素是充電和放電的導線的電容，每微米導線的電容約為200阿托法拉(10–18F)。在數據中心層面，*的服務器群可能消耗整個發電廠的電力。如果將電纜和開關配置為使用光子而不是電子進行通信，那么其中許多問題都將得到顯著緩解。
雖然硅光芯片在器件性能、集成度還是應用方面都有了眾多突破性進展，但至今仍有很多主流光模塊廠商依然采用光電器件分立封裝的形式，主要原因是受限于硅材料本身的光電性質。例如，硅材料間接帶隙的能帶結構使得它無法實現高效率的片上光源，線性光電效應（Pockels效應）限制了調制器的速度。
所以，如果要實現真正意義上大規模光電集成芯片的產業應用，需要依托硅材料與不同種類光電材料的異質集成，以充分發揮各種材料的優異特性。其中包括磷化銦(InP)（激光器和其他可在光纖上推動光子的技術的黃金標準）和硅鍺(SiGe)（廣泛用于高速混合信號電子器件中，使光受到控制）。
02
硅光芯片的歷程
硅光子技術最早在1969年由貝爾實驗室提出，全球硅光子技術歷經50多年發展，已進入產業化。歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過并購迅速進入硅光子領域搶占高地。
2004年，英特爾研制出*款1Gb/s速率的硅光調制器之后，人們才看到硅芯片中“光進銅退”的可能性。其后，在IBM、康奈爾大學、貝爾實驗室、MIT等單位共同推動下，硅光芯片工作速率在2013年左右達到了50Gb/s，首次超越當時主流的光電子器件，硅光芯片的產業化大幕就此揭開。
之后，硅光技術持續演進，光模塊朝著提升波特率一直邁進。從10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、400Gb/s。2016年英特爾利用片上鍵合異質集成技術已開發出100Gbps4通道硅光模塊，至2021年已實現500萬顆以上模塊的銷售。
2020年不少企業紛紛研發出不同類型的400G光模塊，海思更是發布了《400G全場景光模塊白皮書》，探討400G光模塊應用場景。
2022年是800G光模塊的啟動年，各大廠商紛紛布局800G光模塊的“研發-量產”之路。國內的華工科技也在2022年推出應用于超大規模云數據中心領域、高速率可插拔800G OSFP DR8 SiPh光模塊。
整體而言，目前100Gb/s硅光模塊已成熟應用，400Gb/s硅光模塊正在進入規模化商用階段，800Gb/s硅光模塊已研制成功，下一步將向著1.6Tb/s發展。
03
光模塊和光芯片國產化率差異
光模塊中最核心的部分是光芯片，激光器芯片和探測器芯片合稱為光通信芯片，激光器芯片技術壁壘較高，依照結構不同又可分為VCSEL、FP、DFB、EML等不同種類。光通信芯片在中端和高端光模塊成本中占比超過50%。
目前，國內光模塊和光芯片國產化率出現了明顯的差異。根據Lightcounting和ICC的數據，2022年全球光模塊份額前十的廠商中有7家中國廠商，分別為中際旭創（排名并列第1）、華為（排名第4）、光迅科技（排名第5）、海信寬帶（排名第6）、新易盛（排名第7）、華工正源（排名第8）、索爾思光電（排名第10）。
而25G光芯片的國產化率為20%，25G以上光芯片的國產化率僅5%。也就是說，盡管我國光模塊廠商發展勢頭良好，但絕大多數模塊廠商并不具備光芯片研發自給能力，需要進口采購，依賴外部合作或者海外光芯片供應商的長期供應。
例如劍橋科技光芯片就長期依賴美國光學巨頭Lumentum供應。在今年回答投資者提問時，表示：“硅光芯片有幾個渠道，最深度合作的就是思科，這是長期的合作。最近也投資了南通賽勒公司，公司還在評估北美另外一家。”
目前國內做光芯片的企業包括源杰科技，仕佳光子和長華光芯。首先來看源杰科技，其以IDM模式深耕光芯片，主要產品包括2.5G、10G和25G及更高速率激光器芯片。在今年的業績發布會上，源杰科技表示面向800G等高速光模塊，公司有對應的100G光芯片產品。目前，100G產品研發進展比較順利，主要的核心工藝難點、設計難點已經實現了突破，目前在和客戶對標送樣準備中。
再來看仕佳光子，憑借在PLC和AWG光芯片的突破成為國內無源光芯片*，是全球*PLC分路器芯片制造商，全球市占率*，達到53.92%。2023上半年，仕佳光子重點對400G/800G光模塊用AWG、平行光組件、連續波高功率激光器等芯片及組件，相干通訊用超寬帶密集波分復用AWG等關鍵技術持續攻堅，現已實現客戶驗證及小批量出貨。
最后看長華光芯。長光華芯在2014年就開始了VCSEL的工藝研發（3英寸），2017年開始建設6英寸量產線，相當于是硅基半導體的12英寸量產線。
目前，長光華芯已擁有2英寸、3英寸、6英寸三大半導體激光芯片晶圓垂直整合生產線，擁有邊發射激光芯片（EEL）和面發射激光芯片（VCSEL）兩大產品結構，GaN（氮化鎵）、GaAs（砷化鎵）和InP（磷化銦）三大材料體系。
今年5月，長華光芯發布了單波100Gbps（56Gbaud四電平脈沖幅度調制(PAM4)）電吸收調制器激光二極管（EML）芯片，支持四個波長的粗波分復用（CWDM），達到了使用4顆芯片實現400Gbps傳輸速率，或8顆芯片實現800Gbps傳輸速率的應用目標，產品可用于400G/800G超算數據中心互連光模塊。
光模塊廠商方面，光迅科技、華為海思、海信寬帶、華工正源等也是具備光芯片研發和生產能力。
光迅科技是國內*量產10G以下DFB、APD芯片的廠，也是國內*具備自主研發全系列PLC芯片并規模生產的廠商。光迅科技有能力出貨8000萬芯片/年。
海思光電目前在100GE～400GE數據中心網絡光芯片均有產品，在2020年時，面向數據中心400G光模塊主要包括400GE-SR8、400GE-DR4/DR4+和400GE-FR4三種。
華工正源自2001年成立，主要研究包括光芯片、光模塊、光組件、智能終端等，其市場規模位居全球光電器件廠商TOP8。2021年Q1，實現400G全系列數通光模塊批量交付、自研400G硅光芯片實現量產；2022年Q3，實現800G全系列發布。
值得注意的是，光模塊已經開啟了800G時代。行業知名調研機構LC預測，預計2024年，800G光模塊將超過400G光模塊的銷售額，市場容量達70億美元。
2010年左右，100G的交換芯片出現，2016年100G交換機開始規模部署。2017年*400G交換芯片Tomahawk3送樣，2020年200G和400G光模塊開始規模部署。博通于2022年8月推出Tomahawk5交換芯片，標志著800G光模塊規模部署的先決條件逐步具備。
今年，隨著海外AI數據中心的交換機互聯速率逐步由400G向800G升級，在數據中心間（DCI）、葉交換機和脊交換機上已開始使用800G光模塊。
目前，國際上僅少數公司實現了400G-800Gb/s硅光芯片的商用，這方面中國內產商走在了前列。2020年，光迅科技和中際旭創率先發布了800G相關產品。
中際旭創在今年透露，公司重點客戶明年對800G光模塊需求較今年將達成幾倍的增長，公司對相關產品的擴產將一直會持續到明年上半年；劍橋科技表示，客戶目前已經開始接受800G硅光光模塊產品送樣并且有小批量發貨；華工科技400G硅光芯片已開始量產，800G硅光芯片也具備了小批量生產能力。
