我國硅基光電子領域獲重大突破 硅基光電子行業現狀分析

• 黃文玉 2023年10月23日 來源：互聯網 GGII 1010 64
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硅基光電子技術的發展始于上世紀80年代，Soref發現了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調制提供了理論基礎。硅光子技術其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進行數據傳輸。

硅基光電子行業發展現狀分析

近日，北京大學電子學院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯合團隊在超高速純硅調制器方面取得突破，實現了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調制器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報道第一個1GHz硅調制器后，國際上首次把純硅調制器帶寬提高到100GHz以上。

硅基光電子技術的發展始于上世紀80年代，Soref發現了晶體硅中的等離子色散效應，為硅基電光調制提供了理論基礎。硅光子技術其核心理念是“以光代電”，即利用激光束代替電子信號進行數據傳輸。硅光子技術將硅光模塊中的光學器件與電子元件整合到一個獨立的微芯片中，使光信號處理與電信號的處理深度融合，最終實現真正意義上的“光互聯”。

硅光芯片就是采用硅光子技術的光芯片,是將硅光材料和器件通過特色工藝制造的新型集成電路。硅光集成優點主要包括了低功耗、高集成度體積減小,通過光子介質傳輸信息因而連接速度更快,同時,硅光技術可以通過晶圓測試等方法進行批量測試,測試效率顯著提升。

硅基光電子技術擁有光的極高帶寬、超快速率和高抗干擾特性以及微電子技術在大規模集成、低能耗、低成本等方面的優勢，更適應未來高速、復雜的光通信系統。同時可以滿足長距離數據傳輸以及微電子芯片間的短距離大容量數據傳輸，通過與微電子集成電路進行單片集成，實現高速、低功耗的片上互連，突破微電子處理器在數據互連上的瓶頸。

天然石墨，顧名思義就是自然界天然形成的石墨，一般以石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質頁巖等礦石出現。20世紀初期，用石墨制造電池和鉛筆的技術傳入中國，當時稱為“電煤”和“筆鉛”的石墨，開始用于近代工業，推動了中國石墨采掘業的發展。2021年中國天然石墨產量為73.5萬噸，同比增長13.08%。

根據中研普華產業研究院發布的《2023-2028年中國硅基光電子行業發展現狀及趨勢預測報告》顯示：

金屬硅位于硅基新材料產業鏈的頂端，是光伏、有機硅、合金等國民經濟重要部門的核心原料。隨著近年來光伏、新能源汽車、電子信息的行業的不斷發展，我國金屬硅的需求量不斷增長，產量也隨之不斷增加。其中2021年中國氣相二氧化硅產量為12.84萬噸，同比增長15.8%;沉淀法二氧化硅產量為181.21萬噸，同比增長10.7%。其中2021年中國氣相二氧化硅產能為45.8萬噸，同比增長2.9%;沉淀法二氧化硅產能為258.71萬噸，同比增長3.9%。

近年來，中國硅基負極材料正在不斷發展，硅基負極市場迎來快速增長，出貨量預計大幅增加。2021年中國硅基負極材料出貨量達1.1萬噸，同比增長83.33%，占負極材料出貨量的1.5%。2021年中國硅基負極材料滲透率僅有1.53%，技術發展仍不完善，滲透率波動情況較大。未來隨著技術的不斷穩定升級。

根據斯坦福大學人工智能研究所發布的《2019人工智能指數報告》，深度人工神經網絡的浮點計算量呈現驚人的增長，約每3.4個月就翻一倍，遠超過摩爾定律的增長速率。數據量急速增長，對于硬件系統的信息處理銷量、延遲和能耗提出了更高的要求。通過二進制拓展的微電子處理器存在計算效率的瓶頸。面對海量數據的人工智能應用，如自動駕駛、機器視覺、自然語言處理等，往往需要專門的加速硬件，如圖像處理單元和專用集成電路等，進行高強度實時的人工智能處理。硅基光電計算是后摩爾時代維持計算性能快速發展的關鍵潛在技術。硅基光電子互連可以賦能高要求的數字芯片陣列(如GPU、CPU和ASIC存儲芯片等)，改變高性能計算系統的整體架構，以實現高帶寬和高能效的通信。

硅基光電子行業未來發展趨勢

在AI算力高彈性、國產化進程持續推進、下游模塊廠商海外業務拓展等的共同催化下，光芯片領域發展前景廣闊，國產替代正當時。產業多種光芯片方案快速推進，DFB、EML等傳統光芯片在穩定性和低成本方面不斷發力。未來光芯片順應集成化規律，向硅光芯片集成高速光引擎的發展趨勢是目前行業共識，硅光芯片憑借低成本、高性能的優勢亦有望成為更優解決方案。

海外光通信設備廠商以及相關行業具備較強競爭力的企業相繼入場進行布局，如Intel、Cisco及SiFotonics等巨頭公司起步較早，均已推出多款基于硅光技術的器件產品，已經在行業內占據頭部地位。

與海外頭部企業相比，國內企業布局硅光技術較晚，主要通過收購擁有該技術的海外公司或者與外企成立合資公司的模式來切入，目前在研發技術和成果方面與海外巨頭還有較大差距。不過就當前而言，無論是國外企業的技術領跑還是國內企業的入場追趕，從目前的市場發展階段和產品成熟度來看，在功耗、成本、帶寬和產能方面硅光技術還有較大的提升空間，距離大規模應用尚需時日，但可以確定的是硅光技術未來會成為光通信領域的主流應用方向。

根據工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018—2022年)》指出，目前高速率光芯片國產化率僅3%左右，要求2022年中低端光電子芯片的國產化率超過60%，高端光電子芯片國產化率突破20%。

目前我國十四五政策上來看，上海市明確提出發展光子芯片與器件，重點突破硅光子、光通訊器件、光子芯片等新一代光子器件的研發與應用，對光子器件模塊化技術、基于CMOS的硅光子工藝、芯片集成化技術、光電集成模塊封裝技術等方面的研究開展重點攻關。湖北省、重慶市、蘇州市等政府都把硅光芯片作為“十四五”期間的重點發展產業。

在消費電子領域,智能傳感、移動終端等產品均可利用硅光技術在有限的空間集成更多的器件在量子通信領域,由于硅光技術保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優勢,有望成為量子通信的重要技術方案。可以預見,隨著技術的成熟,硅光芯片在數通領域和消費電子領域的需求將迎來一輪大爆發。

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  2023-2028年中國硅基光電子行業發展現狀及趨勢預測報告

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