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光子集成電路的發展方向解讀

  光子集成電路(Photonic Integrated Circuit,PIC)相對于傳統分立的光-電-光處理方式降低了復雜度,提高了可靠性,能夠以更低的成本構建一個具有更多節點的全新的網絡結構,雖然目前仍處于初級發展階段,不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然。 PIC單片集成方式增長迅速,硅基材料發展勢頭強勁。 產業發展模式多樣,產業鏈不斷構建,新產品與應用進展也在不斷推進。 相關廠商眾多集中度低,我國的儲備相當薄弱,因此非常有必要加快發展該通信底層核心技術,提高國際競爭力。

  一、混合集成占據主導,單片集成上升明顯

  按照集成的元器件是否采用同種材料,PIC可分為單片集成和混合集成。 其中混合集成采用不同的材料實現不同器件,而后將這些不同的功能部件固定在一個統一的基片上。 混合集成的好處是每種器件都由最合適的材料制成,性能較好,但元器件集成時需要精密的位置調整和固定,增加封裝的復雜性,限制集成規模。 而單片集成則是在單一襯底上實現預期的各種功能,結構緊湊、可靠性強,不過目前實現起來仍有較大的技術難度。 目前,混合集成是光子集成的主要集成技術,占PIC全球市場收入的主體,并且預計在未來幾年內這一情況仍將持續。 不過單片集成作為業界的長期目標,正在以很快的速度增長,預計2015年至2022年期間復合年均增長率將達到26.5%。

  二、制備材料豐富多樣,硅基發展勢頭強勁

  光子集成的制備材料豐富多樣,主要包括以下幾類: 鈮酸鋰、聚合物、光學玻璃、絕緣體上硅(SOI)、二氧化硅/硅、氮氧化硅/二氧化硅以及三五族化合物半導體。 目前,磷化銦(InP)和SOI共同占據市場營收的主體。 InP的主導地位主要歸因于其將光電功能集成到光學系統芯片的能力。 而硅基作為PIC制造平臺能夠基于全球歷時五十年、投入數千億美元打造的微電子芯片制造基礎設施,利用成熟、發達的半導體集成電路工藝提高集成光學工業化水平,進行低成本規模化生產。 雖然目前硅光子還面臨很多技術瓶頸,但在整個產業界的向心力下,正在被一個一個地克服,產業界對硅光子大規模商用也抱有極大的信心。 尤其是數據中心的短距離應用,讓硅光子找到了用武之地。 根據市場研究公司Yole Développements報告,數據中心以及其他幾項新應用將在2025年以前為硅光子技術帶來數十億美元的市場。

  三、發展模式多樣化,產業鏈不斷構建

  2010年以來,光子集成技術進入了高速發展時期。 光子集成技術主要有以下幾種發展模式: 一是國家項目資助,如美國國防部監管的“美國制造集成光子研究所”(AIM Photonics)、日本內閣府資助的研究開發組織“光電子融合系統基礎技術開發”(PECST)等; 二是像Intel、IBM等IT巨頭的巨額投入; 三是小型創業公司前期靠風險資金進入,后期被大企業并購再持續投入,該模式已成為一種重要發展模式; 最后是一些新崛起的初創公司,如Acacia、SiFotonics等。

  光子集成技術產業仍在發展,產業鏈不斷構建,目前已初步覆蓋前沿技術研究機構、設計工具提供商、器件芯片模塊商、Foundry、IT企業、系統設備商、用戶等各個環節。 然而,光子集成供應鏈相比于集成電路(IC)仍然落后,尤其在軟件和封裝環節較為薄弱。

  四、廠商眾多集中度低,美國廠商規模占優

  全球PIC市場發展態勢良好,市場規模于2015年達到2.7億美元,預計2018-2024年間將以25.2%的復合年均增長率持續增長,到2021年突破10億美元。

  全球PIC市場高度分散,其特點是存在大量參與者。 PIC市場的領先企業包括Finisar(美國)、Lumentum(美國)、Infinera(美國)、Ciena(美國)、NeoPhotonics(美國)、Intel(美國)、Alcatel-Lucent(法國)、Avago(新加坡)以及華為(中國)等,其中美國廠商規模占優。 總體來講,我國光子集成技術還處于起步階段,制約我國光子集成技術發展的突出問題包括學科和研究碎片化,人才匱乏,缺乏系統架構研究與設計,工藝設備的研發實力薄弱,缺乏標準化和規范化的光子集成技術工藝平臺,以及芯片封裝和測試分析技術落后等。 幸運的是,該領域仍處于資產不斷重組過程中,今年就發生了兩起重大并購案,3月Lumentum收購排名緊隨其后的Oclaro; 11月II-VI收購Finisar。 如果我們抓住機遇超前布局,精心組織和重點投入,將會為產業發展創造良好的契機。

  五、新產品與應用進展不斷推進

  除傳統應用領域,光子集成芯片技術還有很多重要的新興分支,其中具有代表性的有集成微波光子芯片以及高性能光子計算芯片。

  集成微波光子芯片主要在光學域上實現射頻信號的處理,其功能可以覆蓋無線系統的整個射頻信號鏈,具有更高的精度、更大的帶寬、更強的靈活性和抗干擾能力,被認為是具有競爭力的下一代無線技術平臺。 目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學的研究和開發,歐盟也正聯合開發新型全光子28GHz毫米波mMIMO收發信機芯片。

  光子計算被認為是突破摩爾定律的有效途徑之一,具有內稟的高維度的并行計算特性。 2016年MIT提出了使用光子代替電子作為計算芯片架構的理論。 2017年英國0ptalysys公司發布了第一代高性能桌面超級光子計算機。 除了傳統的高性能計算外,光子芯片也將是未來AI計算的硬件架構,并且是未來量子計算的候選方案之一。

  綜上,PIC目前仍處于初級發展階段,不過其成為光器件的主流發展趨勢已成必然,近幾年的發展速度亦有目共睹。 隨著基礎材料制備、器件結構設計、核心制作工藝等核心關鍵技術的突破,加之產業需求的急劇升溫,特別是光互聯、超100 Gbit/s高速傳輸系統和FTTH接入終端對小尺寸、低功耗和低成本的強勁驅動,PIC在未來幾年將迎來更快的發展,集成度和大規模生產能力逐步提升,成本不斷下降,產業鏈進一步完善,并引發光器件、系統設備,乃至網絡和應用的重大變革。

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