我国硅基光电子领域获重大突破 硅基光电子行业现状分析

• 黄文玉 2023年10月23日 来源：互联网 GGII 1010 64
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硅基光电子技术的发展始于上世纪80年代，Soref发现了晶体硅中的等离子色散效应，为硅基电光调制提供了理论基础。硅光子技术其核心理念是“以光代电”，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。

硅基光电子行业发展现状分析

近日，北京大学电子学院王兴军教授、彭超教授、舒浩文研究员联合团队在超高速纯硅调制器方面取得突破，实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器。这是自2004年英特尔在《自然》期刊报道第一个1GHz硅调制器后，国际上首次把纯硅调制器带宽提高到100GHz以上。

硅基光电子技术的发展始于上世纪80年代，Soref发现了晶体硅中的等离子色散效应，为硅基电光调制提供了理论基础。硅光子技术其核心理念是“以光代电”，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术将硅光模块中的光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中，使光信号处理与电信号的处理深度融合，最终实现真正意义上的“光互联”。

硅光芯片就是采用硅光子技术的光芯片,是将硅光材料和器件通过特色工艺制造的新型集成电路。硅光集成优点主要包括了低功耗、高集成度体积减小,通过光子介质传输信息因而连接速度更快,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。

硅基光电子技术拥有光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势，更适应未来高速、复杂的光通信系统。同时可以满足长距离数据传输以及微电子芯片间的短距离大容量数据传输，通过与微电子集成电路进行单片集成，实现高速、低功耗的片上互连，突破微电子处理器在数据互连上的瓶颈。

天然石墨，顾名思义就是自然界天然形成的石墨，一般以石墨片岩、石墨片麻岩、含石墨的片岩及变质页岩等矿石出现。20世纪初期，用石墨制造电池和铅笔的技术传入中国，当时称为“电煤”和“笔铅”的石墨，开始用于近代工业，推动了中国石墨采掘业的发展。2021年中国天然石墨产量为73.5万吨，同比增长13.08%。

根据中研普华产业研究院发布的《2023-2028年中国硅基光电子行业发展现状及趋势预测报告》显示：

金属硅位于硅基新材料产业链的顶端，是光伏、有机硅、合金等国民经济重要部门的核心原料。随着近年来光伏、新能源汽车、电子信息的行业的不断发展，我国金属硅的需求量不断增长，产量也随之不断增加。其中2021年中国气相二氧化硅产量为12.84万吨，同比增长15.8%;沉淀法二氧化硅产量为181.21万吨，同比增长10.7%。其中2021年中国气相二氧化硅产能为45.8万吨，同比增长2.9%;沉淀法二氧化硅产能为258.71万吨，同比增长3.9%。

近年来，中国硅基负极材料正在不断发展，硅基负极市场迎来快速增长，出货量预计大幅增加。2021年中国硅基负极材料出货量达1.1万吨，同比增长83.33%，占负极材料出货量的1.5%。2021年中国硅基负极材料渗透率仅有1.53%，技术发展仍不完善，渗透率波动情况较大。未来随着技术的不断稳定升级。

根据斯坦福大学人工智能研究所发布的《2019人工智能指数报告》，深度人工神经网络的浮点计算量呈现惊人的增长，约每3.4个月就翻一倍，远超过摩尔定律的增长速率。数据量急速增长，对于硬件系统的信息处理销量、延迟和能耗提出了更高的要求。通过二进制拓展的微电子处理器存在计算效率的瓶颈。面对海量数据的人工智能应用，如自动驾驶、机器视觉、自然语言处理等，往往需要专门的加速硬件，如图像处理单元和专用集成电路等，进行高强度实时的人工智能处理。硅基光电计算是后摩尔时代维持计算性能快速发展的关键潜在技术。硅基光电子互连可以赋能高要求的数字芯片阵列(如GPU、CPU和ASIC存储芯片等)，改变高性能计算系统的整体架构，以实现高带宽和高能效的通信。

硅基光电子行业未来发展趋势

在AI算力高弹性、国产化进程持续推进、下游模块厂商海外业务拓展等的共同催化下，光芯片领域发展前景广阔，国产替代正当时。产业多种光芯片方案快速推进，DFB、EML等传统光芯片在稳定性和低成本方面不断发力。未来光芯片顺应集成化规律，向硅光芯片集成高速光引擎的发展趋势是目前行业共识，硅光芯片凭借低成本、高性能的优势亦有望成为更优解决方案。

海外光通信设备厂商以及相关行业具备较强竞争力的企业相继入场进行布局，如Intel、Cisco及SiFotonics等巨头公司起步较早，均已推出多款基于硅光技术的器件产品，已经在行业内占据头部地位。

与海外头部企业相比，国内企业布局硅光技术较晚，主要通过收购拥有该技术的海外公司或者与外企成立合资公司的模式来切入，目前在研发技术和成果方面与海外巨头还有较大差距。不过就当前而言，无论是国外企业的技术领跑还是国内企业的入场追赶，从目前的市场发展阶段和产品成熟度来看，在功耗、成本、带宽和产能方面硅光技术还有较大的提升空间，距离大规模应用尚需时日，但可以确定的是硅光技术未来会成为光通信领域的主流应用方向。

根据工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

目前我国十四五政策上来看，上海市明确提出发展光子芯片与器件，重点突破硅光子、光通讯器件、光子芯片等新一代光子器件的研发与应用，对光子器件模块化技术、基于CMOS的硅光子工艺、芯片集成化技术、光电集成模块封装技术等方面的研究开展重点攻关。湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。

在消费电子领域,智能传感、移动终端等产品均可利用硅光技术在有限的空间集成更多的器件在量子通信领域,由于硅光技术保密性强、集成度高、适合复杂光路控制等优势,有望成为量子通信的重要技术方案。可以预见,随着技术的成熟,硅光芯片在数通领域和消费电子领域的需求将迎来一轮大爆发。

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