至更快。而传输介质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，有助于降低
光收发集成芯片
成本及实现光电集成。
技术优势
功耗更低、可靠性更高
相比传统的光学技术，它结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联密度以及更多的嵌入式功能，同时功耗更低、可靠性更 高。早在上世纪70年代就提出了集成光学的概念，即在同一芯片中同时集成光器件和电器件，但由于技术上的各种限制，更由
用级硅光子集成产品。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 关报道，不断推动硅光子集成技 术的发展。
技术概述
硅光子技术 硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。
基本原理 硅光子架构主要由光源、调制器、光纤/波导、探测器 等几部分组成。使用该技术的芯片中，电流从计算核
心流出，到转换模块通过调制，将电信号转换为光信
号，通过电路板上铺设的光波导，到另一块芯片后再 转换为电信号。 相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过
单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度，甚
入资料，带宽就会下降一半甚至三分之二。
突破芯片互联瓶颈
单颗芯片的性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍。我国研制的天河2超级计算机，已 经连续五次获得世界计算机Top500的第一名，它的柜与柜所有的连接就都是通过光进行通信。铜电路不仅带宽提升困难，功耗 和发热也不可小视，由此还会带来数据中心温度控制的附加成本。同时相对于电磁波易干扰易窃听的问题，光信号在安全性上 得到了巨大提升。因此业界对硅光技术寄予了厚望。
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。
CPU 芯片的协同运算能力受到芯片
互联带宽的严重制约。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。
硅光子行业分析
2017年4月
Contents
1
背景
2
3 4 5 6 7
相关器件、产品及工艺、技术
应用领域 市场分析 行业现状与趋势 业内企业概况
小结
芯片层面的光进铜退是必然趋势
在固网传输领域，全球已经历了光纤替代铜线电传输数据的 浪潮，解决了长途传输过程中的网络建设问题。云计算、大 传统光通信模块主要是由III-V族半导体芯片、高速电路硅芯 片、被动光学组件及光纤封装而成。随着晶体管加工尺寸不 断减小，电互连面临诸多局限，业界发现摩尔定律不再适用， 传统铜电路已接近瓶颈，50Gbps已接近传输极限。
1960s-2000s 2000-2008 2008-至今 集成应用阶段 2008 年以后，以 Luxtera 、 Intel 、 和 IBM 为代表的公司不断推出商
技术突破阶段
1969 年美国贝尔实验室的 ler 首 次 提 出 集 成 光 学 概 念 。 1972 年
技术探索阶段
进入21世纪，互联网的兴起对宽带 速度的要求越来越高，数据中心
概括地说，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至一个独立的微芯片中，在硅片上用光取代传统
铜线作为信息传导介质，以提升芯片与芯片间的连接速度，可使处理器内核间的数据传输速率比目前提升100倍以上，取得比 传统铜导线更优异的数据传输性能与极低的能耗。
光发送集成芯片 光接收集成芯片
于网络发展远未达到传输瓶颈，硅光技术更多地停留在学术研究层面。
在数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高带宽
传统的铜电路已经接近物理瓶颈，继续提高带宽变得越来越困难。同时云计算产业却对芯片间数据交换能力提出了更高的要求： 数据中心、超级计算机通常会安装数以千计的高性能处理器，可这些芯片的协同运算能力却受到芯片互联带宽的严重制约。例 如一颗Xeon CPU从与自己直接连接的内存中读取数据的带宽高达每秒40G字节，但如果是从另一颗Xeon芯片控制的内存中读
铜线在高速传输信号（>10G）时出现困难
0 传输损耗（dB/Channel） -10 -20 -30 -40 -50 0 10 20 传输速率（Gb/s） 30 40 12G 标准FR4 传输距离0.5m 18G 眼图关闭 低损耗RO4350
数据时代的到来，全球企业快速将业务重心转移到云平台架
构，数据中心流量快速提升。光通信已经发展了近40年，从 八 十 年 代 左 右 开 始 ， 相 继 完 成 了 WAN 、 MAN 、 LAN 、 System、Board 领域的渗透。
光传输发展路径
铜线的传输极限未来将无法满足数据中心通信和云计算产 业的发展需求，需要更快的传输速度，数据中心内部及芯 片层面的光进铜退成为必然。
技术背景
随着晶体管加工尺寸不断减小, 电互连面临着信号延迟大、传输带宽小、功耗大、信号串扰大、成本高等局限, 芯片集成度提高的 速度减慢甚至趋于停滞。IT从业者开始为半导体芯片寻找继任者，出现了光子计算、量子计算、超导计算等概念。 由于光信号在传输过程中很少衰减且可获得极大的带宽，最重要的是在硅芯片上集成光学数据通道的工艺难度相对较低，所以科 研人员认为用光通路取代电路在硅芯片间传输数据是一种有效的解决方案。由此硅光子技术应运而生。 硅光子技术的发展经历了技术探索、技术突破、集成应用三个阶段：
Contents
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背景
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相关器件、产品及工艺、技术
应用领域 市场分析 行业现状与趋势 业内企业概况
小结
பைடு நூலகம் 硅光子产品层次
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。 - 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。 - 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。 - 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。