硅光子及共同封裝光學元件（CPO）成為業界新顯學，網絡上流傳出臺積電攜手博通、輝達等大客戶共同開發，最快明年下半年開始迎來大單。

據臺灣《經濟日報》報道，對于相關傳聞，臺積電表示，不回應客戶及產品狀況。不過，臺積電高度看好硅光子技術，臺積電副總余振華日前曾公開表示：“如果能提供一個良好的硅光子整合系統，就能解決能源效率和 AI 運算能力兩大關鍵問題。這會是一個新的范式轉移。我們可能處于一個新時代的開端。”

IT之家注意到，臺積電、英特爾、輝達、博通等國際半導體企業都陸續展開硅光子及共同封裝光學元件技術布局，最快 2024 年就可看到整體市場出現爆發性成長。

業界分析，高速資料傳輸目前仍采用可插拔光學元件，隨著傳輸速度快速進展并進入 800G 世代，及未來進入 1.6T 至 3.2T 等更高傳輸速率，功率損耗及散熱管理問題將會是最大難題。

硅光子技術用激光束代替電子信號傳輸數據，透過 CPO 封裝技術整合為單一模組，現已獲得微軟、Meta 等大廠認證并采用在新一代網絡架構。


硅光芯片成兵家必爭之地

縱觀硅光子在全球的發展情況，美國是硅光子最先興起的，也是目前發展最超前的國家。

早在1969年，貝爾實驗室的S.E.Miller首次提出了集成光學的概念，但是由于InP波導的高損耗和工藝落后難以實現大規模集成，這一技術在當時未能掀起波瀾，之后將這一技術發揚光大的是Intel。2010年Intel開發出首個50Gb/s超短距硅基集成光收發芯片后，硅光芯片開始進入產業化階段。隨后歐美一批傳統集成電路和光電巨頭通過并購迅速進入硅光子領域搶占高地。目前英特爾也是在硅光領域布局最全面的公司。

中國真正開始大規模研究硅光子是在2010年左右，之前多為學術上的研究，起步晚導致中國在硅光子的產品化進程上不如美國。但中國對于硅光子技術研發方面人才和資金的大規模投入，使得國內硅光產業與國外差距并沒有十年之久。2017年中國的硅光產業迎來快速發展。

從產業鏈進展看，全球硅光產業鏈已經逐漸成熟，從基礎研發到商業應用的各個環節均有代表性的企業。

其中以Intel、思科、Inphi為代表的美國企業占據了硅光芯片和模塊出貨量的大部分，成為業內領頭羊。國內廠商主要有中際旭創、熹聯光芯、華工科技、新易盛、光迅科技、博創科技、華為、亨通光電等。雖然國產廠商進入該領域較晚，市場份額相對較小，但是通過近年來在技術上的快速追趕，國產廠商與國外廠商在技術上的差距已經在逐步縮小。


什么是硅光子芯片技術？

顧名思義，硅光子芯片技術是一種光通信技術，使用激光束代替電子半導體信號傳輸數據，是基于硅和硅基襯底材料（如： SiGe/Si、SOI ）等；并利用現有CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術。

其中，硅光子技術也結合了集成電路技術的超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，是應對摩爾定律失效的顛覆性技術，這種組合得力于半導體晶圓制造的可擴展性，因而能夠降低成本。

其次，硅光子技術最大的優勢在于擁有相當高的傳輸速率，可使處理器內核之間的數據傳輸速度快100倍甚至更高，功率效率也非常高，因此被認為是新一代半導體技術。

緊接著，硅光子技術是由四個關鍵器件來組成：

光源：生產光信號的器具，通常采用激光器或LED。

光波導：將光信號導到需要的位置，通常采用硅基光波導。

調制器：用于調制光信號的強度、相位或頻率，通常采用光電調制器。

探測器：將光信號轉換為電信號的器具，通常采用光電二極管或光電探測器。

基于，硅光波導的多種光無源器件和有源器件均已先后開發成功，其中不少達到了實用化水平；由于硅屬于間接帶隙半導體材料，不能直接構成電驅動激光器和光放大器，需要通過不同材料的混合集成加以實現。

接下來，我們應熟知硅光子技術的核心優勢：

集成度高：硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS工藝制作光器件；與傳統方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

成本下降潛力大：傳統的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升；與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

波導傳輸性能優異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對應的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6μm的通信波段（典型波長1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優異的波導傳輸特性；此外，硅的折射率高達3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。

此外，對于我國目前的半導體產業來說，硅光子芯片有它獨有的優勢——可以避開先進光刻機的掣肘；

雖然，它在制作流程和復雜程度上同傳統芯片相似，但它對于制程工藝的先進程度要求不高，不像傳統芯片那樣制程和能效的關聯性巨大，一般百納米級的工藝水平就能滿足硅光子芯片的要求。

再者，這對于我國來說，120納米左右的芯片是完全可以自主生產的，這樣就可以繞開先進制程工藝的限制，在未來實現換道超車。

隨著摩爾定律逐漸遭遇天花板，硅光子技術的投入研發再次被重視，越來越多的科技公司開始加大對硅光子技術領域的研發投入。


產業鏈機遇

目前光模塊市場規模最大的場景是數據中心，800G光模塊已進入市場導入驗證和批量出貨狀態，1.6T產品也已實現研發突破。其中，傳統光模塊占據市場主導，硅基材料的硅光模塊逐漸進入市場開始商用化。

傳統光模塊將III-V族半導體芯片、高速電路硅芯片、被動光學組件及光纖封裝到一起，主要成本來自III-V族光芯片和系統封裝。III-V族InP/GaAs等材質的光芯片在25Gbps時的傳輸速率時已趨于傳輸極限，直接限制了光通信系統的傳輸效率。相比來看，硅光模塊可突破傳統單通道光芯片的傳輸瓶頸，在未來高速傳輸時代具有較大優勢。相較傳統分立光模塊，硅光模塊還擁有成本低、功耗低、兼容CMOS工藝、集成度高的優勢。

從硅光器件、硅光芯片到硅光模塊，硅光子產品可分為三個層次。

其中，硅光模塊主要由硅光器件、驅動電路和光接口組成。硅光模塊按功能可分為接收模塊，發送模塊，收發一體模塊等類型。相較傳統光模塊，具有傳輸速率大、集成度高、傳輸損耗低等優勢，在通信互聯系統中發揮著重要作用，隨著大數據時代的到來，硅光模塊市場前景廣闊。

預計硅光芯片全球市場規模將從2021年的1.52億美元增長至2027年的9.7億美元，復合增長率約為36%。增長最快的應用領域是共封裝引擎和光互聯，2021-2027年復合增長率分別為302%、259%。

2016至2025年全球硅光模塊市場規模將從2.02億美元增長至37.28億美元，復合增長率約為38%。其中200G和400G硅光模塊復合增長率約為96%。

目前400G硅光模塊的商用還存在一定的遲滯。在未來800G等更高速率的光模塊，硅光技術將具有更大的優勢。

整體來看，硅光技術最主要的應用是收發器，用于長距離傳輸和數據中心。同時，受到光收發器的研發驅動，硅光技術在5G收發器、光纖陀螺、免疫分析、消費者健康等場景的應用也開始受到市場關注。

用于數據中心光互聯和共封裝光學產品正處于開發階段，預計CPO（共封裝光學）將在2025年后在HPC場景得到應用。隨著產業鏈分工垂直化和硅光技術的發展，硅光技術在激光雷達、生物傳感、光子計算等領域也會陸續實現產品的突破和落地。

從硅光產業鏈上來說，與電芯片相似，硅光芯片的產業鏈上游為晶圓、設備材料、EDA軟件等企業；中游可分為硅光設計、制造、模塊集成三個環節，其中部分公司如Intel、ST等為IDM企業，可實現從硅光芯片設計、制造到模塊集成的全流程；下游則主要包括通信設備市場、電信市場和數通市場（數據中心通信市場）。隨著硅光市場規模逐漸擴大，傳統光模塊廠商也在通過自研/并購切入硅光設計領域。

從設計、制造、封裝以及硅光器件來看，硅光技術整體仍有較大提升空間，產品性能及成熟度有待提升，同時下游客戶驗證也需要時間。因此硅光產業鏈相關公司還需找準定位，進行模式突破。