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2017年硅光国际研讨会:开启硅光“芯”时代,促进中国硅光产业发展

半导体行业观察 ·2017-05-23 08:47·半导体行业观察
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为促进中国硅光产业的发展,探讨中国硅光技术的未来,工业和信息化部人才交流中心于2017年5月21-25日在厦门举行名家芯思维之2017年硅光国际研讨会。


本次硅光会议云集众多国内外名家,中国集成电路资深权威、厦门优迅首席科学及暨厦门集成电路行业协会会长黄以明、海信宽带首席科学家黄卫平、Sifotonics CEO潘栋博士、光迅研发副总马卫东和中电38所高工冯俊波等国内光通讯专家将与大家分享硅光前景!


硅光子学作为能提供光子和单片集成光电子器件的新兴技术。它利用已有的CMOS技术,发展光子和光电模块的低成本大规模生产。此外绝缘硅片(SOI)作为硅光子学中应用的材料系统,可提供微型化和低功耗设备,使其成为“绿色技术”。硅光子学有潜力覆盖大范围的应用,比如数据通信、消费类电器、传感、生物医疗和国防应用。因此,硅光子学在未来几年必将成为光电子产业的主导者,并有望在不到十年的时间达到十亿美元的市场规模。


目前硅光子技术已经引起行业和政府的广泛关注,那么我们又该如何正确认识和定位这样一个改变世界的技术呢?


下一代网络中的硅光技术和网络应用


华为技术有限公司网络研究部高级工程师刘磊发表了题为《下一代网络中的硅光技术和网络应用》的演讲,着重介绍了硅光技术给网络技术带来的变革。


演讲中刘磊主要介绍了在网络流量爆发的情况下,硅光技术的发展以及对于大带宽的高度支持。


近年来,宽带业务的发展推动了网络流量的极速增长,尤其是消费者对于视频的需求,视频流量的爆发不断冲击着运营商的骨干网络。有数据显示,全球视频用户流量增速达到33%,视频在网络流量中所占的比例逐年增高。


同时,云服务的成熟也驱动了DC间流量的增长。刘磊表示,IDC访问是骨干网流量主体,新的云业务要求网络提供大带宽。



除此之外,物联网业务流量需求也迅猛增长,华为预测2025年物联网连接数将达到1000亿,流量需求在7年内将增长20倍。物联网业务对网络体验要求苛刻,尤其是高带宽,超低时延已经成为普遍需求。


视频、云服务、物联网带来的网络流量的大爆发都离不开大带宽的支持,这就为骨干节点和超宽网络管道提出了以下几点要求:首先,大带宽,网络管道必须要提供超宽的带宽。其次,低时延,要求网络构架实现极简化,最后,易运维,要求网络业务承载统一。


这些要求对于传统的网络技术来说已经越来越难以满足。硅光的三大优势使得硅光技术愈加适用于未来的网络环境。硅光技术所具有的自动化和规模化实现了低成本的优势,高集成度和低功耗极大的减少了网络架构的层次,满足了极简化的需求与趋势。


但是,即便如此,刘磊在研究中指出,当前的硅光器件依然处于演进的初级阶段。刘磊将硅光器件的演进趋势分为四个阶段:分组硅化、硅光子集成、全光电融合和可编程硅片。我们目前处于集成技术从混合集成向单片集成演进,简化工艺流程、提高效率的第二阶段。



处于发展的初级阶段并不意味着中国在技术方面的落后,与整个硅光技术的发展进程相比,尤其是与国外先进企业相比,中国并不落后。


纵观光电子集成业界进展,Acacia发布业界首款CFP2-DCO模块;Leti推出用于100G PSM4 module的STsP10028集成芯片;IBM发布首个单片集成驱动的56G PAM4硅光发射机;Infinera发布InP的12路集成收发机;IMEC推出了基于MRR的4 20Gbps NRZ系统;Intel发布了100G的PS4以及CWDM4的QSSFP28硅光模块。国内企业与国外企业几乎是在以同样的步伐前进。


那么中国产业的未来在哪里呢?刘磊认为,硅光集成是实现大带宽网络的关键技术,多路集成能充分发挥硅光低成本良率优势,硅光能够实现全功能器件集成,支持偏上波分系统。


硅光子芯片封装技术问题探讨


武汉光迅科技股份有限公司研发部总经理马卫东则从封装技术的角度,深入分析了硅光子芯片在封装技术方面的发展情况,详细介绍了中国在封装方面的优势。


目前,硅光芯片主要有以下优点:体积小、有源无源功能高度集成、高速率、低功耗、高产能、低成本等。但是也有不少缺陷,耦合插损大、光源集成难度高、温度敏感、偏振敏感,这些缺点都是硅光技术在应用过程中不得不解决的问题。


一般来说,硅光芯片的封装主要分为两个部分,一部分是光学部分的封装,一部分是电学部分的封装



从光学封装角度来说,因为硅光芯片所采用的光的波长非常的小,跟光纤存在着不匹配的问题,与激光器也存在着同样的问题。不匹配的问题就会导致耦合损耗比较大,这是硅光芯片封装与传统封装相比最大的区别。


从电学角度来说,用硅光做高速的器件,随着性能的不断提升,pin的密度将会大幅度增加,这也会为封装带来很大的挑战。


那么如何解决这些问题呢?


马卫东指出,要想解决这两方面的问题,也需要从光学和电学的角度分别进行处理。


首先,从光学问题来说,需要做SSC处理,如果设计和工艺能够达到要求,就能够很好的解决光纤或者激光器的耦合问题。


至于高pin封装,业界一般都会采用直接贴装的工艺来进行处理。芯片在设计的时候都会留有接口,方便后期的安装。


在谈到国内硅光芯片的发展时,马卫东表示,针对硅光芯片的研究,国内主要分为企业和研究机构两条线,在硅光芯片方面都做了很多工作,也积累了非常多的经验,可以说国内在硅光技术这方面也积累了非常多的经验,并不落后于国外。


具体来说,与国外相比,国内在电学部分的封装可以说与国外不相伯仲,但是在光学部分的封装,尤其是激光器耦合方面,与国外还有着一到两年的技术差距。


造成这种差距的主要问题在哪里呢?马卫东认为可以从三个方面来解释:硅光芯片为了与激光器耦合,硅光芯片需要进行特殊的设计和处理。为了与硅光芯片耦合,激光器本身也需要进行特殊的处理。最后,则是高精度的组装问题。而国内目前最大的问题就是激光器本身的特殊设计和定制方面落后于国外水平。



至于硅光技术未来的发展,可以说是前景广大。硅光技术目前在某些领域已经得到了很好的应用,比如数据中心、电信应用等,已经推出了比较成熟的产品,与传统产品相比也显示了很大的优势。马卫东表示,未来在某些领域,硅光芯片将能够完全替代传统产品,只是这一过程还需要很长的时间。


马卫东还指出了目前国内硅光产业的一些问题,例如,国内缺乏SIP流片的成熟代工厂(国外流片,选择少,周期长,适合研发)。从业界来讲,硅光产品在部分场景得到了应用,硅光芯片技术在一些技术领域还不够成熟。国内硅光研究领域较热,但面向产业方面的工作不够。这些问题都需要在发展硅光技术的过程中时刻注意。


硅基光电子集成技术发展


浙江大学教授储涛在演讲中强调了光电子器件在信息领域中的位置,认为光子集成将带来通讯网络的革命。


这主要是基于硅基光电芯片集成技术相对于传统技术所具有的众多优势:


1.集成密度高(波导完全半径5μm,器件体积是PLC器件的1/1000)


2.集成功能高(可与CMOS电路实现光电子器件单片集成)


3.波导损耗低(<1Db/cm,由于体积小,器件插损很小)


4.加工水平高(CMOS工艺成熟,波导侧面粗糙可降低到2nm)


5.器件成本低(可用12寸晶圆,器件成本可降到InP器件的1/200以下)


6.基板成本低(12寸SOI晶圆单价可降到400 US/枚以下)


7.驱动功耗低(热光等效应强,热光开关功耗是PLC开关的1/300)


8.温控功耗低(器件体积小,温控功耗可成百倍的降低)


9.可靠稳定性高(全固态集成,除LD混合组装外,其他器件全芯片集成)


10.器件功能多(非线性效应强,可实现波长转换等功能)



基于以上种种优势,储涛认为,未来硅光市场的发展前景将会非常广大。世界第二大CMOS代工厂格罗方德预测硅光市场将达350亿美元。Markets & Markets公司预测硅光市场年复合增长率将会达到22%,2022年将超10亿美元。Light counting专业市场公司预测硅光市场2020年前将达10亿美元。


正是看到了硅光器件未来如此广大的市场,中国政府也加大了这方面的投入,据了解,硅光器件研究在推出的十三五光电子重点研究计划中占主要部分。


储涛还介绍说,目前在国内从事Si-EPIC的研究团队主要有中科院半导体所、浙江大学、北京大学、上海交大等,公司则包括华为、中兴通讯、中芯国际、海信宽带和光迅。


硅光子芯片:通往CMOS大规模集成之路


中国电子科技集团公司第三十八研究所光电集成研究中心高级工程师冯俊博则从硅光技术的角度详细分析了硅光技术对于CMOS发展的影响。


冯俊博分别从硅光与CMOS关系及其特殊性,基于CMOS平台的硅光流片平台开发以及硅光流片平台现状和国内进展情况三个方面进行了解读。


冯俊博指出CMOS工艺是目前最成熟最先进的芯片加工技术,但是硅光子器件工艺敏感,需要特殊的工艺控制。其特殊性主要表现在下面几个方面:


衬底特殊性:针对硅光SOI衬底,衬底厚度参数与均匀性问题。SOI衬底厚度,目前市场无统一标准,晶圆厂和代工厂难以兼顾。厚度均匀性,商用SOI难以满足硅光要求。


结构特殊性:大折射率差。大折射率差是一把双刃剑,其优点在于器件尺寸可以越做越小,集成度越来越高。但是缺点也很明显,器件对工艺非常敏感,耦合困难。


硅基光电子器件对工艺尺寸和粗糙度都非常敏感,小频谱带宽的光器件尤其要考虑工艺容差。



根据市场研究机构Yole的数据显示,2015年全球硅光元件的市场规模还只有区区4000万美元,且拥有相关产品的公司不过Cisco, Intel, STMicroelectronics等寥寥几家。但到了2025年,预计硅光器件的市场规模将快速增长至15亿美元,2015至2025年均复合增长率高达45%,其中近90%用于数据中心。


目前国内工艺平台主要分为三种选择:


科研线:可定制,但工艺线大多能力不全,存在稳定性和重复性等问题。


中试线:存在IP问题,工艺自由度问题以及流片周期问题。


工业线:研发成本高、工艺需要开发(视产能和订单情况而定)


如何才能更好的推动硅光子芯片在中国的发展呢?马俊博指出,只有引入多材料,硅光技术才能够蓬勃发展。此外,还需要注意生态环境的特殊性,因为当前硅光设计的环境还不成熟,只有依靠生态环境的力量,凭借市场和产业链的推动,才能够更好的推动硅光技术的发展。


近年来,硅基光电子技术已经取得了高速发展,走硅基光电子的集成路线已经成为了业界共识。硅基光电子技术想要取得大的发展,还需要市场牵引,大规模的数据中心将是这一技术最大的发展催化剂。


但是,我们也应当认识到,硅基光电子技术的发展还存在许多问题,目前在软件平台、工艺平台和市场应用上都需要多加发展,国内企业在这些方面还有许多需要学习,才能促进整个产业的良性发展!(文/刘燚)


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