日前，思科宣布，公司將斥資6.6億美元的現(xiàn)金和股權(quán)獎(jiǎng)勵(lì)收購(gòu)加州半導(dǎo)體公司Luxtera。思科表示，思科表示，Luxtera先進(jìn)的硅光子芯片技術(shù)，能幫助思科滿足商業(yè)客戶對(duì)快速和高性能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。

無(wú)獨(dú)有偶，在幾個(gè)月前，中國(guó)信息通信科技集團(tuán)宣布，我國(guó)首款商用“100G硅光收發(fā)芯片”正式研制投產(chǎn)；上海市政府將硅光子列為首批市級(jí)科技重大專項(xiàng)，予以全力支持；國(guó)內(nèi)上市公司亨通光電宣布在硅光芯片上獲得突破。

國(guó)內(nèi)外供應(yīng)鏈的廣泛關(guān)注證明，硅光子芯片競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入了一個(gè)新階段。

為什么關(guān)注硅光子？

近年來(lái)，全球數(shù)據(jù)流量與正在高速發(fā)展。尤其是正在到來(lái)的5G引爆的各種引用，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)據(jù)中心流量的增長(zhǎng)，這就對(duì)其內(nèi)部的傳輸提出了新的需求，硅光子就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。

目前，傳統(tǒng)光模塊主要采用III-V族半導(dǎo)體芯片、高速電路硅芯片、光學(xué)組件等器件封裝而成，本質(zhì)上屬于“電互聯(lián)”。而隨著晶體管加工尺寸的逐漸縮小，電互聯(lián)將逐漸面臨傳輸瓶頸，在此背景下，硅光子技術(shù)運(yùn)用而生。

硅光子市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)（source：Intel）

所謂硅光子集成技術(shù)，是以硅和硅基襯底材料（如 SiGe/Si、SOI 等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測(cè)和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光互連、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。硅光技術(shù)的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，將光學(xué)器件與電子元件整合至一個(gè)獨(dú)立的微芯片中。在硅片上用光取代傳統(tǒng)銅線作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，大大提升芯片之間的連接速度。

硅光子芯片示意圖（source：IBM）

因?yàn)檫@種技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)合了以微電子為代表的集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢(shì)。硅光子技術(shù)能夠解決400G通信時(shí)代需要面對(duì)的PAM4電調(diào)制方案帶來(lái)的巨大損耗和8*50G的QSFP-DD方案引發(fā)的器件數(shù)量增加與工作帶來(lái)溫度提升帶來(lái)的溫漂等挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

這項(xiàng)技術(shù)自1969年由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出以來(lái)，就一直受到廠商的廣泛關(guān)注。本世紀(jì)初， IBM、Intel、Sun Microsystems（ 后 并 入 Oracle）、NTT/NEC 等公司便設(shè)立獨(dú)立硅光子部門并投入大量資源，和學(xué)術(shù)界一起對(duì)硅光子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行深入研究，IBM和Intel也都推出了相應(yīng)的硅光子芯片。而在產(chǎn)學(xué)研三方的努力下，近十年更是催生了Luxtera、Kotura、Lightwire 、Aurrion和Acacia等一波聚焦在硅光子通信的公司，硅光子產(chǎn)業(yè)一觸即發(fā)。

巨頭環(huán)伺的市場(chǎng)

因?yàn)楣韫庾訐碛腥绱舜蟮镊攘?，這就吸引了上述眾多廠商投入其中，并取得了不錯(cuò)的成果。

以IBM為例，在2015年，該公司對(duì)外展示了一款號(hào)稱完全整合的分波多任務(wù)CMOS硅光子(silicon photonics)芯片。時(shí)任IBM Research硅光子部門(Silicon Photonics Group)經(jīng)理Will Green表示，該芯片的4個(gè)laser信道──分別以25Gbps的速度在芯片上運(yùn)作──是以鍺(germanium)光學(xué)探測(cè)器以及光學(xué)解多任務(wù)器(demultiplexers)，將之融合為單一100Gbps電子信號(hào)，在需要時(shí)進(jìn)行處理；該電子信號(hào)能以干涉儀(interferometers)調(diào)變四道芯片外的laser，成為在芯片邊緣外行進(jìn)的光脈沖。

IBM的全整合式分波多任務(wù)CMOS光子芯片

“我們所展示的是該單芯片以分波多任務(wù)所達(dá)成的 數(shù)據(jù)速率，光學(xué)濾波器結(jié)合與分離多任務(wù)色彩，就能完成硅光學(xué)組件的解多任務(wù)程序；這一切只要使用任何一座CMOS晶圓廠的硅與電介質(zhì)制造的單一芯片，搭配以次100納米(sub-100nm)絕緣上覆硅(silicon-on-insulator)生產(chǎn)的鍺薄膜光探測(cè)器”， Green強(qiáng)調(diào)。

另一個(gè)硅光子先行者Intel在硅光子方面也有了很深的研究。

早在上世紀(jì)90年代末，英特爾就開(kāi)了一個(gè)平面光電路公司，這引起業(yè)界的頗多關(guān)注，但他們?cè)?2004 年卻又將這個(gè)業(yè)務(wù)悄然關(guān)閉。數(shù)年前，Intel宣布他們的 Light Peak技術(shù)能夠讓高速光鏈接降到平價(jià)，這讓光互連領(lǐng)域?yàn)橹d奮（Light Peak 后來(lái)演變成蘋果的 Thunderbolt）。用于電傳輸。對(duì)硅光子的投入則是英特爾對(duì)之前探索的延續(xù)，他們還在2015年推出了一款全新硅光子產(chǎn)品，這個(gè)采用內(nèi)置混合集成激光器+硅調(diào)制器的方案可以在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中提供極大速率。據(jù)了解，這款產(chǎn)品不僅價(jià)格較低，生產(chǎn)過(guò)程也比較容易，該技術(shù)有望改善數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)交換瓶頸問(wèn)題。

按照英特爾數(shù)據(jù)中心集團(tuán)執(zhí)行副總裁黛安·布萊恩特的說(shuō)法，網(wǎng)線中的電子不會(huì)對(duì)硅光子產(chǎn)品造成影響，“我們研發(fā)硅光子技術(shù)已經(jīng)超過(guò)16年，是首家‘用光點(diǎn)亮硅芯片’的公司?！保龔?qiáng)調(diào)。

Intel的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（source：Intel）

今年八月在羅馬召開(kāi)的歐洲光通信會(huì)議（ECOC）上，英特爾公布了其新型硅光子接收器的規(guī)格。據(jù)介紹，其100G CWDM4（粗波分復(fù)用 4 通道）QSFP28 光收發(fā)器的工作溫度范圍比較廣，具有雙速率 40Gbps / 100Gbps 通用公共射頻接口（CPRI）和 eCPRI，雙工單模光纖下的使用距離可達(dá) 10 公里，旨在為通信和云服務(wù)商提供支持 5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的硬件。他們還將將從2018年 4 季度起向客戶交付 400 Gbps DR4 硅光子模塊樣品，并在 2019 下半年開(kāi)始量產(chǎn)。

其實(shí)在2015年英特爾推出其產(chǎn)品之前，文章開(kāi)頭的主角，被思科收購(gòu)的lextura已經(jīng)推出了外置激光器+硅調(diào)制器方案。這家成立于2001年的公司是全球第一家提供光子器件解決方案的公司。Luxtera的CMOS光子器件都是由CMOS電子學(xué)工藝集成，體積比傳統(tǒng)的光子器件更小。

Luxtera表示，他們和臺(tái)積電合作開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以相比其他硅光方案提供翻倍的性能和四倍的傳輸能力，支持光互聯(lián)能力與CMOS電芯片的全面集成，并可以進(jìn)一步降低功耗和成本。按照計(jì)劃，他們會(huì)從2018年開(kāi)始利用臺(tái)積電的7nm CMOS工藝把這些新技術(shù)用在100GBase-DR和400GBase-DR4模塊中。Luxtera 和 Intel在之前一直在用激進(jìn)的定價(jià)，試圖在光模塊市場(chǎng)打開(kāi)一個(gè)缺口。

通過(guò)對(duì)Photonic Controls、BinOptics、FiBest等企業(yè)的收購(gòu)，美國(guó)大廠MACOM也進(jìn)入了硅光芯片市場(chǎng)。按照他們介紹，。MACOM在硅光平臺(tái)種引入了具有專利的端面刻蝕技術(shù)（EFT）和自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)（SAEFT）使其硅光產(chǎn)品獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。這也讓MACOM的激光器芯片無(wú)需氣密封裝，可顯著降低最終元器件的尺寸和成本，并且允許硅光子集成電路直接位于模塊電路板上，從而增大了硅光子可實(shí)現(xiàn)的互連密度。他們將包括激光器、調(diào)制器和多路復(fù)用器在內(nèi)的光學(xué)器件封裝到單個(gè)硅芯片上的硅光PIC系列產(chǎn)品也將于2018年第二季度開(kāi)始批量供貨。

成立于2009年的Acacia也是硅光子芯片的另一個(gè)重要玩家，他們?cè)?014年就發(fā)布了首款具有完整100G相干收發(fā)器功能的單芯片硅光子集成電路（PIC）。同時(shí)，公司也是第一個(gè)在市場(chǎng)上發(fā)布 400G 轉(zhuǎn)發(fā)器的供應(yīng)商，在硅光領(lǐng)域具有全球領(lǐng)先實(shí)力。

其他如Finisar、Oclaro、博通、SiFotonics、Leti、、Infinera、Rockley Photonics、Skorpios、Ciena、Molex和IMEC、ST、臺(tái)積電、格芯、Fabrinet等也都是這個(gè)領(lǐng)域不可或缺的參與者。除了這些獨(dú)立的廠商外，思科和華為，甚至谷歌和Facebook這些原本客戶的加入，讓硅光芯片這個(gè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更為激烈：除了近期收購(gòu)的Luxtera，思科在2012年就已經(jīng)斥資2.7億美元收購(gòu)了硅光子公司Lightwire；華為也在2013年前后收購(gòu)了比利時(shí)硅光子公司Caliopa和英國(guó)光子集成公司CIP，加碼這個(gè)領(lǐng)域。