硅光子技術(shù)最早1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出，50年來大體經(jīng)歷了技術(shù)探索（1960年-2000年）、技術(shù)突破（2000年-2008年）、集成應(yīng)用（2008年至今）三個(gè)階段。期間內(nèi)，歐美一批傳統(tǒng)集成電路和光電巨頭通過并購迅速進(jìn)入硅光子領(lǐng)域搶占高地，以傳統(tǒng)半導(dǎo)體強(qiáng)國為主導(dǎo)的全球硅光子產(chǎn)業(yè)格局悄然成形。

　　美日歐硅光子技術(shù)發(fā)展概覽

　　美國一直注重光子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，早在1991年就成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì)”（OIDA），以引導(dǎo)資本和各方力量進(jìn)入光電子領(lǐng)域。2008~2013年，DARPA開始資助“超高效納米光子芯片間通訊”項(xiàng)目（Ultraperformance Nanophotonic Intrachip Communications，UNIC）。目標(biāo)是開發(fā)和CMOS兼容的光子技術(shù)用于高通量的通訊網(wǎng)絡(luò)。2014年，美國建立了“國家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確將支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開發(fā)，支持4大研究領(lǐng)域及3個(gè)應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā)，并提出了每一項(xiàng)可開發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和目標(biāo)。

　　美國以IBM、Intel、Luxtera公司為代表，近年來都在光互連技術(shù)研發(fā)方面取得了不錯(cuò)的成績。

　　Intel 硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

　　日本發(fā)展光電子技術(shù)時(shí)間也較早，1980年，為推動(dòng)光電子技術(shù)的發(fā)展，日本成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)（OITDA）。在產(chǎn)業(yè)化及市場方面，由于光電領(lǐng)域的重大技術(shù)發(fā)明多產(chǎn)生于美國，因此，早期日本政府主要是靠引進(jìn)外國技術(shù)進(jìn)行消化吸收，后期則是自主創(chuàng)新過程。2010年，日本開始實(shí)施尖端研究開發(fā)資助計(jì)劃（FIRST），該計(jì)劃由日本內(nèi)閣府提供支援。FIRST計(jì)劃是從600個(gè)提案中選出30個(gè)核心科研項(xiàng)目予以資助，項(xiàng)目資助的總金額達(dá)到1000億日元。光電子融合系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)（PECST）是FIRST計(jì)劃的一部分，以在2025年實(shí)現(xiàn)“片上數(shù)據(jù)中心”為目標(biāo)。

　　硅光子技術(shù)在歐洲各國也受到了廣泛的關(guān)注。2010年前，為了發(fā)展光電子集成電路（OEIC），歐洲發(fā)起了幾大項(xiàng)目：PICMOS項(xiàng)目驗(yàn)證硅回路上InP鍵合器件的全光鏈路；隨后發(fā)起的WADIMOS項(xiàng)目進(jìn)一步驗(yàn)證光網(wǎng)絡(luò)；英國硅光子學(xué)項(xiàng)目和歐洲HELIOS項(xiàng)目主要關(guān)注光電子集成的電信設(shè)備，可以完成SOI光子回路的晶片鍵合或光子金屬層的低溫制造。從2013開始， 歐盟的節(jié)能硅發(fā)射器使用III-V族半導(dǎo)體量子點(diǎn)和量子點(diǎn)材料的異質(zhì)集成（SEQUOIA）項(xiàng)目一直在開發(fā)具有較好的熱穩(wěn)定性、高調(diào)制帶寬以及可能產(chǎn)生平面波分復(fù)用蜂窩的混合III-V激光器。作為歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）研發(fā)領(lǐng)域的具體目標(biāo)研究項(xiàng)目（STREP）之一，IRIS項(xiàng)目由愛立信與歐洲委員會(huì)聯(lián)合創(chuàng)建，旨在利用硅光子技術(shù)，創(chuàng)建高容量和可重構(gòu)WDM光交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)在單個(gè)芯片上整體集成電路。

　　2013年，歐盟啟動(dòng)4年期針對(duì)硅光子技術(shù)的歐盟PLAT4M（針對(duì)制造的光字庫和技術(shù)）項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目的是打造硅光子技術(shù)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，聚集了以法國微電子和納米技術(shù)研究中心CEA-Leti為領(lǐng)導(dǎo)的包括德國Aifotec公司等在內(nèi)的15家歐盟企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)以及潛在用戶。

　　我國硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展道路曲折

　　在硅光子學(xué)研究方面，我國較早開展了相關(guān)研究，例如中科院半導(dǎo)體研究所的王啟明院士近年來專心致力于硅基光子學(xué)研究，主持了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“硅基光電子學(xué)關(guān)鍵器件基礎(chǔ)研究”，在硅基發(fā)光器件的探索、硅基非線性測試分析等方面取得了許多進(jìn)展。但從整體來看，我國對(duì)硅基光子學(xué)的研究與世界相比還有一定差距。

　　反觀我國硅光子產(chǎn)業(yè)，處于發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較為薄弱。且國內(nèi)設(shè)計(jì)的高端硅光子芯片基本都要在國外流片，導(dǎo)致成本高周期長，很大程度上制約了我國硅光子技術(shù)的發(fā)展。

　　目前，光迅科技、華為、海信都已經(jīng)在硅光子產(chǎn)業(yè)開展部署規(guī)劃，光迅科技已經(jīng)投入研發(fā)探索硅光集成項(xiàng)目的協(xié)同預(yù)研模式，力爭打通硅光調(diào)制、硅光集成等多個(gè)層面的合作關(guān)節(jié)，但是國內(nèi)整體技術(shù)發(fā)展距離發(fā)達(dá)國家仍有較大的差距。中國在光電子器件制造裝備研發(fā)投入分散，沒有建立硅基和 InP 基光電子體系化研發(fā)平臺(tái)。隨著國內(nèi)企業(yè)綜合實(shí)力逐漸增強(qiáng)，以及國家集成電路產(chǎn)業(yè)的扶持，國內(nèi)廠商需要不斷加快推進(jìn)硅光子項(xiàng)目。

　　2015年4月9日，美國商務(wù)部發(fā)布報(bào)告，決定拒絕英特爾向中國的超級(jí)計(jì)算廣州中心出售至采用硅光子技術(shù)“至強(qiáng)”(XEON)芯片用于天河二號(hào)系統(tǒng)升級(jí)的申請(qǐng)。對(duì)于突然實(shí)行至強(qiáng)芯片禁運(yùn)的原因，美國方面給出的解釋是這4家中國超算中心從事“違反”美國安全或外交政策利益的活動(dòng)。

　　隨即2016年3月7日，中興通訊首度遭受美國商務(wù)部制裁，不僅不允許其在美國國內(nèi)采購芯片，并要求供應(yīng)商全面停止對(duì)中興的技術(shù)支持，制裁條款整整實(shí)行的1年；在當(dāng)時(shí)，美國硅光子公司ACACIA每年25％硅光子模塊的產(chǎn)量都是銷往中興通訊。

　　2017年，上海市政府將硅光子列入首批市級(jí)重大專項(xiàng)，面向硅光子全產(chǎn)業(yè)鏈，針對(duì)國內(nèi)發(fā)展硅光子最為短缺的工藝平臺(tái)、核心關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵產(chǎn)品研發(fā)精準(zhǔn)布局，開展激光雷達(dá)、人工智能計(jì)算芯片、大規(guī)模光開關(guān)、3D光電集成等具有巨大應(yīng)用潛力的前沿研究，力求讓國內(nèi)企業(yè)擺脫對(duì)國外光芯片供應(yīng)商的依賴。

　　2017年底，工信部發(fā)布《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018-2022年)》并指出，目前高速率光芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，要求在2022年中低端光電子芯片的國產(chǎn)化率超過60%，高端光電子芯片國產(chǎn)化率突破20%。

　　到了2018年1月，國內(nèi)首個(gè)硅光子工藝平臺(tái)在上海成立，可以提供綜合集成技術(shù)的流片服務(wù)，流片器件及系統(tǒng)性能指標(biāo)與國際最優(yōu)水平相當(dāng)，流片速度相比國外的流片代工線速度快了一倍，只需3個(gè)月。目前，張江實(shí)驗(yàn)室正在建造我國第一條硅光子研發(fā)中試線，預(yù)計(jì)2019年3月通線運(yùn)行。

　　國內(nèi)硅光芯片發(fā)展的四大難題

　?。ㄒ唬┕韫庾有酒夹g(shù)的設(shè)計(jì)痛點(diǎn)

　　硅光芯片的設(shè)計(jì)方面面臨著架構(gòu)不完善、體積和性能平衡等難題。硅光芯片的設(shè)計(jì)方案有三大主流：前端集成、混合集成和后端集成。前端集成的缺點(diǎn)是面積利用率不高、SOI襯底光/電不兼容、靈活性低和波導(dǎo)掩埋等，在工藝上的成本超高；后端集成在制造方面難度很大，尤其是波導(dǎo)制備目前而言很有挑戰(zhàn)；至于混合集成，雖然工藝靈活，但成本較高，設(shè)計(jì)難度大。

　　（二）硅光子芯片技術(shù)的制造難題

　　硅光芯片的制造工藝面臨著自動(dòng)化程度低、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、設(shè)備緊缺等技術(shù)難關(guān)。由于光波長難以壓縮，過長的波長限制芯片體積微縮的可能。同時(shí)光學(xué)裝置須要更精確的做工，因?yàn)楣馐鴤鬏數(shù)男┪⑵顣?huì)造成巨大的問題，相對(duì)需要高技術(shù)及高成本。光子芯片相關(guān)的制程技術(shù)尚有待完善，良品率和成本將是考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)的一大難題。

　?。ㄈ┕韫庾有酒媾R的封裝困擾

　　芯片封裝是任何芯片的必經(jīng)流程，關(guān)于硅光子的芯片封裝問題，這是目前行業(yè)的一大痛點(diǎn)。硅光芯片的封裝主要分為兩個(gè)部分，一部分是光學(xué)部分的封裝，一部分是電學(xué)部分的封裝。從光學(xué)封裝角度來說，因?yàn)楣韫庑酒捎玫墓獾牟ㄩL非常的小，跟光纖存在著不匹配的問題，與激光器也存在著同樣的問題；不匹配的問題就會(huì)導(dǎo)致耦合損耗比較大，這是硅光芯片封裝與傳統(tǒng)封裝相比最大的區(qū)別。用硅光做高速的器件，隨著性能的不斷提升，pin的密度將會(huì)大幅度增加，這也會(huì)為封裝帶來很大的挑戰(zhàn)。

　?。ㄋ模┊a(chǎn)業(yè)相關(guān)的器件難題

　　硅光芯片需要的器件很多，而目前仍有很多相關(guān)技術(shù)難題未解決。如硅基光波導(dǎo)主要面臨的產(chǎn)品化問題：硅基光電子需要小尺寸、大帶寬、低功耗的調(diào)制器。有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品是重點(diǎn)器件，如陶瓷套管/插芯、光收發(fā)接口等組件技術(shù)目前尚未完全掌握。