矽光子 (SiPh) 光源發展趨勢

矽光模組擁有成本低, 功耗低, 兼容 CMOS 工藝, 集成度高的優勢. 目前光集成商業產品技術路線主要分為 III-V 族和 Si 兩大陣營, 其中 DFB, DML, EML 等雷射是 InP 陣營, 技術相對成熟, 但是成本高, 與 CMOS 工藝不兼容. 而 Si 矽光器件, 兼容 COMS 工藝, 具有高密度的優勢.

QYResearch 預計到 2029 年全球矽光子光模組市場規模將達到 57.1億美元, 期間的 CAGR 為 35.2%. 全球矽光子光模組主要廠商包括 Intel, Cisco, InPhi (Marvell), Rockley Photonics, Finisar (II-VI Incorporated) 等, 合計約佔 99.0%.

光模組帶寬=單通道帶寬×通道數量, 因此帶寬提升的路徑包括提升單通道帶寬, 或增加通道數量, 對於傳統分立方案, 單通道帶寬的天花板或在 200Gbps, 而受集成度及經濟性限制 8 通道以上的分立方案很少商用. 因此針對 1.6T 以上光模組方案選擇, 矽光方案的必要性有非常明顯的提升.

矽光插損較大, 目前僅在短距傳輸中能保持足夠的可靠性. 預計 400G/800G 時代, SiP 方案或主要應用於 500m 的場景, 主要和 EML 方案競爭. 目前矽光技術無法實現有源功能器件的集成 (光源, 光放大器), 因而較分立器件封裝集成度提升有限, 大規模商用仍存在阻礙.

LightCounting 預計, 基於 GaAs 和 InP 的光模組的市場份額將逐步下降, 而矽光子 (SiP) 和鈮酸鋰薄膜 (TFLN) PIC 的份額將有所上升. LPO 和 CPO 的採用也將促進 SiP 甚至 TFLN 器件的市場份額增長. 預計矽光晶片的銷售額將從 2023 年的 8億美元增至 2029年的略高於 30億美元.

未來的幾年在單模領域, 矽光與 InP 技術 (主要是 EML 產品) 將會在市場上展開競爭; 隨成本進一步降低, 有機會在超短距上從多模方案 (現為 GaAs 方案的 VCSEL 產品) 中占據一定份額. 矽光方案通信速率提升, 應用場景逐步擴大,  在 800G+場景下有望全面滲透.

矽自身無法發光, 光源是矽光技術亟需解決的關鍵問題. 矽是間接帶隙半導體, 無法實現高效率發光. 目前雷射有多種解決方案, 傳統方法均需要外掛光源. 外置光源 (ELS) 為矽光模組的主流方案, 未來, 異質集成和單片集成為矽光光源的重要方向.

雷射光源的可靠性是矽光子光模組高溫工作的最重要要求, 而可靠光源的整合也是矽光子光模組最具挑戰性的方面之一. 光源的三個主要選擇是 a）整合雷射;  b) 板載源, 但位於收發器外部;  c) 前插式雷射光源. 這樣做的缺點是雷射器不可現場更換, 因此在晶片元件密集的環境中必須極其可靠.

矽光方案中, CW (Continuous Wave, 連續波) 雷射晶片作為外置光源主流產品, 現在行業領先的 CW 光源廠商包括日本 Furukawa (古河), 美國 Broadcom (博通), 美國 Lumentum (朗美通), 美國 Coherent (相干), 日本 Sumitomo Electric (住友電工) 等廠商.

異質集成技術是矽光晶片發展的重要方向. 矽基光電子集成晶片的性能受限於矽材料本身的光電性能, 仍存在無法高密度集成光源, 集成低損耗高速光電調制器等問題. 因此, 利用不同種材料發揮其各自光電特性優勢的矽基光電異質集成技術近年來發展迅速.

SOI 是矽基光電子常用的材料平台, 可用於制備各類無源及有源矽光器件. 矽光用SOI (Photonics-SOI) 矽片供應商主要有四家, 包括法國 SOITEC, 日本 ShinEtsu, 上海新傲和台灣英特磊. 其中 SOITEC 占據了 SOI 晶圓市場的 70% 份額.

當工作溫度超過 85°C 時, 雷射的性能和壽命通常會急劇下降, Avicena 的 LightBundle 連結使用 GaN microLED, 與 GaAs 或 InP 雷射相比, GaN microLED 對工作溫度的敏感度要低得多. 但是 microLED 資料傳輸的能力有限, 它受到色散效應的影響, 將其限制在 10 公尺左右.