荷兰斥11亿欧资培育“下一代半导体技术”企业，打造下一个ASML

众所周知，荷兰在世界科技之林占有一席之地，作为光刻机巨头的阿斯麦(ASML)起到了决定性作用。该公司是全球高端光刻机“极紫外线光刻机（EUV）”的唯一制造商，这种价格上亿美元的设备使阿斯麦在2022年第一季度净赚6.95亿欧元，新增70亿欧元的订单，并持续上调净销售额的预期；也使台积电、三星电子等不断向3纳米、2纳米的工艺极限挺进。随着芯片技术竞争力愈加被重视，阿斯麦公司的价值也愈加得以体现。所以，当荷兰提出将打造下一个阿斯麦时，自然就在业内引起了关注。

近日，荷兰决定投资11亿欧元，以促进新一代硅光子技术企业的发展，为打造下一个阿斯麦做好准备。这11亿欧元中，4亿7100万欧元来自于荷兰政府，其余的投资则来自于荷兰埃因霍温理工大学和特文特大学等合作机构。荷兰的此项投资是为了抢占未来半导体市场，发掘类似阿斯麦的新尖端企业的战略。

一、硅光子技术是什么

硅光子技术是什么？又为什么称得上“下一代半导体技术”呢？

硅光子技术是一种光通信技术，使用激光束代替电子半导体信号传输数据。在传统的集成电路中是通过铜互连线来传输电信号，而硅光子技术与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，采用的基础材料是玻璃，可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被认为是新一代半导体技术。

硅光子器件与产品可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。

1.硅光器件

硅光器件是各个环节的功能单元，主要包括光源、调制器、探测器、波导等。

2.硅光芯片

硅光芯片将若干基本器件进行单片集成，以实现高性能、低功耗、低成本等特性，包括光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等。

3.硅光模块

硅光模块是最终系统级的产品形式，即将光源、硅光子器件/芯片、外部驱动电路（激光器驱动、调制器IC和探测器读出放大IC等）集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等。

在芯片技术的发展过程中，芯片的尺寸可谓是越做越小。台积电与三星在芯片代工上的较量某一方面就体现在3nm、2nm这种精密制程的优先量产上。随着芯片制程的逐步缩小，互连线引起的各种效应成为影响芯片性能的重要因素。电路和计算机系统专家杰克·赫兹（Jake Hertz）就撰文称，芯片互连是目前的技术瓶颈之一，而硅光子学则有可能解决这一问题。

互连线相当于微型电子器件内部的街道和高速公路，可将晶体管、电阻、电容等各个元件连接起来，并与外界进行互动交流。当芯片越做越小时，互联线也需要越来越细，互连线间距缩小，电子元件之间引起的寄生效应也会越来越影响电路的性能。常见的互连线材料诸如铝、铜、碳纳米管等，而这些材质的互联线无疑都会遇到物理极限，而光互连则不然。在各种光互连方案中，硅基光互连技术被认为是最有发展前途的一个方案。

阿里巴巴达摩院称，在光通信中，信号是以光的形式在网络内进行传播，但使用信号的终端却以电作为信息传递的媒介。因此，硅光芯片就成为了实现光电信号转换的关键部件，通过发送端和接收端两个端口的连接模块，其中发送端把电信号转换成光信号，接收端再把光信号转换成电信号。

二、硅光子技术的发展史

1.技术探索阶段（1960s-2000s）

1969年美国贝尔实验室的S.E.Miller首次提出了集成光学的概念。1972年，S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半导体衬底上同时集成光器件和电器件的设想。然而当时为了制备功能多样的光器件，仍需采用不同特性的材料作为衬底，这大大限制了集成光器件的发展。

硅光子学的形成和发展主要得益于对集成光器件的研究及微电子加工工艺的成熟。硅不仅是一种电子材料，也是一种光子材料。作为电子材料，硅基微电子学成绩斐然。伴随摩尔定律的步伐，到20世纪90年代，集成电路特征尺寸已进入光波波长范围，人们很容易设计和加工出小于光学波长的各种硅基器件结构。采用硅作为集成光器件衬底，可以利用已有的集成电路工艺制作光器件，这有助于降低成本及实现光电集成。此外硅材料对通信波段的光吸收很小，有利于降低器件损耗，而且硅和二氧化硅材料之间的折射率对比大，增强了光器件对光场的限制，有助于减小硅基光集成器件尺寸，从而提高芯片的集成密度。硅光子学由此诞生。

为了实现在硅基上集成光器件，首先要在硅衬底上设计和制造高性能的分立器件。所以早期的研究工作主要集中在硅基有源器件（调制器、探测器、光源等）和无源（波导等）器件的探索。总体来讲，从上世纪60年代到21世纪初，硅光子主要偏重于实验室的研究阶段。虽然研究内容比较分散，成果不够轰动，但是为光子器件和光电器件在硅基上集成提供可能性。

2.技术突破阶段（2000-2008）

进入21世纪，随着信息量的增长，特别是互联网的兴起，对宽带速度的要求越来越高，数据中心CPU芯片的协同运算能力受到芯片互联带宽的严重制约。而光信号在芯片间传输过程中很少衰减，同时可以轻松获得更宽的带宽，最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的难度不算太高。于是以Intel为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期望有朝一日能用光通路取代芯片之间的数据电路。

调制器方面，2000年安捷伦公司的Png等人首次提出带宽为GHz的调制器，此后逐步发展，2007年Intel将硅基电光调制器的3dB带宽扩展到30GHz，实现了40 Gbit/s的信号传输, 达到商用III-V族和铌酸锂外调制器的水平。之后各种基于等离子色散效应的硅基调制器层出不穷。

探测器方面，2008年Intel开发出的硅基光电雪崩探测器达到了340GHz的增益带宽积，是硅光电子器件性能首次超越同样功能的传统材料光电子器件。之后，美国Kotura公司、Oracle公司等都有关于高速硅基锗探测器的 道，满足各种应用场合。

激光器方面，2005年Intel公司研制出了1550nm光泵浦的激射波长为1686nm的连续硅基拉曼激光器。2006年Intel公司和加州大学洛杉矶分校联合研制成功了世界上首个电泵浦连续激射硅基III-V族混合集成激光。

无源器件方面，以硅纳米线波导阵列波导光栅（AWG）为代表的波分复用器件在单纤维三向复用、密度波分复用（DWDM）和粗波分复用（CWDM）等方面的原型器件分别实现。此外，低损耗光波导、交叉波导、刻蚀衍射光栅、锥形模式转换器、耦合器、偏振分集机制器件和模分复用器件等也取得一系列进展。

3.集成应用阶段（2008-至今）

2008年以后，以Luxtera、Intel、和IBM为代表的公司不断推出商用级硅光子集成产品。

在硅基光电子集成和光互连方面，美国Luxtera公司在世界范围内具有领先地位。2008年Luxtera公司向世人展示了世界上第一块在130nm CMOS生产线上制造的硅基单片集成高速CMOS光子收发模块, 采用WDM技术，数据传输速率4×10 Gb/s。2009年，Luxtera宣布，经过与飞思卡尔半导体公司多年的密切合作，实现了世界首个商用级硅基CMOS光子半导体制造工艺的投产。

2008年Intel 道了一个8×25Gb/s波分复用模块，实现200Gb/s的数据传输。2010年，Intel建立起全球首个集成激光器的端到端硅基光数据连接，这项成果的重大意义在于终于“证明了未来计算机可以使用光信号替代电信号进行数据传输”。2013年，Intel、康宁宣布共同研发了新的光纤传输技术，300米之内可以做到1.6 Tb/s的惊人速度。同年11月，富士通宣布，通过与Intel的大力合作，已成功打造并展示了全球第一台基于Intel OPCIE（光学PCI-E）的服务器。2014年，Intel发布了采用硅光子技术的有源光缆（AOC），该产品支持Facebook主导的数据中心行业标准“Open Compute Project”。

2008年IBM提出硅基三维光子集成芯片的构想。并于2010年在日本东京发布硅基光电子芯片，该芯片技术可将电子和光子纳米器件集成在一块硅芯片上，使计算机芯片之间通过光脉冲而不是电子信号来进行通讯。2013年IBM 道了在90nm CMOS工艺线集成了电路和光路的25 Gb/s WDM系统第一次实现了真正意义的单片光电集成。2015年5月，IBM在美国硅谷展示了完全整合的分波多工CMOS硅光子芯片，为一种能让光与电并存的廉价、商业化芯片生产技术铺路。

另外，在2012年之后，Kotura公司、美国Alcatel-Lucent、Acacia公司、日本的Fujikura公司相继都有相关 道，不断推动硅光子集成技术的发展。整个硅光子的发展史如下图所示。

硅光子技术演进历程和主要里程碑

三、硅光子技术的优势

研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模集成技术。其核心内容就是研究如何将光子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片。——周治平《硅基光电子学》

可以看出硅基光的几个重点也是采用这项技术的优势：

1.光信号在传输过程中衰减小且传输带宽高，可得到超快速率和高抗干扰特性传输信号；

2.利用已有的微电子技术在大规模CMOS集成、低能耗、低成本等方面的优势；

3.在硅芯片上集成光传输通道的工艺难度相对较低；

4.以硅材料为衬底，实现硅光，电，其他材料（主要指 III-V）等的 CMOS 集成。

与传统分立器相比，看好硅光市场的原因有以下三点：

1.光模块架构主要由光源、调制器、光纤/波导、探测器等几部分组成，传统工艺需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现将调制器、接收器以及无源光学器件等高度集成。

相比传统分立式器件，硅光技术下的光模块基于CMOS制造工艺，在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工，使得体积大幅减小，材料成本、芯片成本、封装成本进一步优化，同时，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升。

2.传统的光通信模块主要是由III-V族半导体芯片、高速电路芯片、无源光组件及光纤封装而成。但随着晶体管尺寸不断变小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用，50Gbps已经接近传统铜电路极限，数据中心内部及芯片层面的“光进铜退”成为必然。

硅光，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合在一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度。

3.大规模集成化对于成本和功耗的降低也是显而易见的。以Intel 100G短距离PSM4光模块为例，传统的100G PSM4方案中，使用了4个25G激光器分别调制4路信号经4根光纤传输100G信号，而Intel的硅光100G光模块高度集成了调制器和无源光路，只使用1个25G激光器，实现4路信号的调制和传输，非常具有成本优势。

四、硅光子技术发展概况

新技术的发展总是面临很多的不确定性，尽管如此，行业领先的半导体企业，以及众多初创企业，纷纷在光子芯片领域重金投入，以求在未来的竞争中占据主动。与此同时，多个国家政府也出台政策，以扶持光子产业发展。

美国早在1991年就建立了美国光电子产业振兴会(OIDA)，美国国防部更把光子学列为美国的20项关键技术之一。欧盟此前推动的光子集成技术项目——地平线2020计划，累计已投入64.7亿欧元(约合人民币近500亿元)，发布光子发展路线图。荷兰已经拟定投资计划，斥资11亿欧元用于扶持当地的硅光子技术产业。德国Q.ANT公司牵头14家企业形成了“PhoQuant”技术联盟攻关光量子计算芯片，当地的联邦教育和研究部共同出资5000万欧元用于对该技术研发的扶持。西安成立国内首支光电芯片基金。

2018年1月，国家工信部发布了中国光电子器件发展五年路线图(2018-2022)，其中明确提及了中国光通信器件产业目标：2022年中低端光电子芯片国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%;2022年国内企业占据全球光通信器件市场份额的30%以上，有1家企业进入全球前3名。

《上海市战略性新兴产业和先导产业发展“十四五”规划》将光子芯片与器件产业列为6大未来产业之首。无锡与上海交通大学共同成立了无锡光子芯片联合研究中心，总投资4亿旨在建成集光子芯片前沿应用研究和产业化于一体的我国首个光子芯片中试线，预计18个月后可实现批量化生产。达摩院将硅光芯片列为2022十大科技趋势之一。华为计划投资10亿英镑在英国设立全球研发中心用于对光电芯片的研发。

五、硅光子技术的未来发展

1.硅光子市场规模预测

根据Yole的预测数据显示，从2018年至2024年硅光的年复合增长率为44.5%。Yole分析师EricMounier表示：“硅光子未来将有最高的年复合增长率，为44.5%；该市场将从2018年的4.55亿美元，增长到2024年的40亿美元。”。

2.硅光的应用领域

目前，数据中心内部机柜和机架间的光互连主要以光模块的点到点链路为主。根据Infoneitcs统计，数据中心光模块市场增长较快，未来几年甚至会超过传统电信市场，成为主导力量。数据中心可能是硅光子大规模应用的首选场景。首先，随着数据中心互连距离和速率不断提高，基于单模光纤的硅光子技术相比传统垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术优势将逐渐显现，Facebook、Google、Microsoft等互联网企业已对硅光子显示出浓厚兴趣，将其作为降低互连成本的重要途径。第二，数据中心发展速度快，体量大，单个数据中心光互连接口多达几十万个，是硅光子规模部署的最佳场景。第三，板载光模块/嵌入式光接口是硅光子另一重要应用方式，将光学组件直接集成在板卡上，靠近微处理器或数据处理芯片，甚至嵌入芯片内部，能够进一步降低功耗、提高前面板接口密度。

随着5G规模商用的临近，仅5G前传就有约5000万只25G/50G光模块的需求， 5G 对传输速率，超低延时、高稳定性是最基本的要求，这些无疑都是硅光技术最擅长的领域。业内普遍也认为硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域将会存在更大需求，比如智能传感、智能驾驶、激光雷达、量子通信等领域有很大的发展空间。

3.越来越多的科技公司开始加大对硅光子技术领域的研发投入

格芯日前宣布推出新一代硅光子平台GF Fotonix，与包括博通、思科、美满电子和英伟达等公司合作，以此解决数据激增问题。GF Fotonix通过在单个硅芯片上结合光子系统、射频(RF) 组件和高性能互补金属氧化物半导体 (CMOS) 逻辑，将以前分布在多个芯片上的复杂工艺整合到单个芯片上。格芯是唯一一家拥有300mm单片硅光子解决方案的纯晶圆代工厂。

新思科技也与格芯加强合作，以光电统一芯片设计解决方案OptoCompiler支持GF Fotonix平台。OptoCompiler可为光子芯片提供完整的端到端设计、验证和签核解决方案，将成熟的专用光子技术与业界领先的仿真和物理验证工具相结合，开发者能够对复杂的光子芯片进行快速、准确的设计和验证。

芯片光学公司Ayar Labs近日宣布获得了由Boardman Bay Capital Management领投的1.3亿美元的C轮融资，在长长的投资名单中，英伟达、惠普和英特尔都有参投。本轮融资将被用于推动突破性I/O（Input/Output）光学解决方案的商业化进程。AyarLabs是由英特尔前高管Charles Wuischpard创立，致力于用高性价比的硅加工技术开发出高速、高密度、低功率的光学互连 “芯片”和激光器。

美通社消息，OpenLight推出了全球首个带集成激光器的开放式硅光子平台，以满足日益增长的硅光子学市场对性能、功率效率和可靠性提升方面的需求。该技术通过了高塔半导体PH18DA生产工艺的认证和可靠性测试。

在国内，长电科技已经关注硅光封装技术。长电科技副总裁陈灵芝在《芯片成品制造技术发展及其对产业链的影响》的演讲中提到，未来封装技术可能方向是硅光子封装方向。硅光子封装内集成可以改善延迟、提高带宽，同时可以显著降低对功率的需求，使TBps数量级的数据传输成为可能。

阿里巴巴达摩院发布的2022十大科技趋势中，硅光芯片也是其预测的趋势之一。达摩院认为，光电融合兼具光子和电子优势，突破摩尔定律限制，硅光芯片或将承载大型数据中心的高速信息传输。

根据市场调研机构Yole Développement的预测，整个硅光子芯片市场总额规模在2026年将超10亿美元。

六、综述

集成电路的发展沿着摩尔定律已趋于极限，硅光子技术是超越摩尔研究领域的发展方向之一。作为新一代通信技术，硅光子技术的核心理念是“以光代电”，这也是其颠覆性所在。目前，硅光技术的优势已经获得了业界公认，尽管在技术成熟度上仍然面临巨大挑战，但在众多国际巨头们的大力推动之下，相关技术发展成熟已是指日可待，在未来的通信中必然会扮演更重要的角色。