芯片级硅光通信技术的特点

芯片级硅光通信技术是一种将光学元件与半导体器件集成在单个硅晶片上从而实现通信功能的技术。

• 技术结合性

• 硅光芯片整合了传统的光学元件与半导体器件。这种集成是基于硅材料制造集成电路芯片，以用于光通信和光互联领域。它通过将硅材料的光电特性与光学器件原理相结合来工作，在芯片上形成波导结构，引导光子传播，同时集成了光调制器、激光器、光探测器等光学器件，光子与电子在其间通过光电效应相互转换，实现光信号的调制、发射和接收。

• 硅光芯片的关键技术涵盖半导体激光器、光放大器、光滤波器、光交换器等，这是实现高效光通信的重要技术要素集成，通过这些技术使芯片能够在光电之间进行信号的转化、处理和优化传输，每种技术在芯片内部各司其职，共同协同保障光信号的有效传输和处理。

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• 性能优势

• 高效率与低功耗：硅光芯片的半导体特性让其在高速传输数据时可以维持较低的功耗水平。这是因为其在芯片设计和制造过程中，材料与结构的选择使得电子在传输和进行运算等工作时能量损耗较小。而光学技术保证在长距离传输数据时的高效率，例如通过合理的光学设计，可优化光的传播路径减少损耗，使得长距离传输中的信号衰减始终保持在可接受范围并且相对较低，硅光芯片能够承载更多信息和传输更远距离，这一特性使得它在面临数据量持续增长以及它们需要长距离传输情况时非常有优势，特别是对于数据中心之间的数据传输和大规模网络通信。

• 体积小且成本低：单个硅晶片上整合光学元件与半导体器件的方式极大地减小了芯片的体积规模。这种紧凑的设计不仅方便在各类设备中的集成安装，节省大量空间而且有助于降低整体成本。在生产过程中，由于硅材料成本相对较低，并且制造工艺的逐渐成熟和规模化，使得芯片的制造成本相较于传统光通信技术成本更低，这更有利于大规模生产和推广应用，能够被广泛地应用到各种不同环境下的设备和通信场景当中，包括消费级电子设备、企业级数据中心等不同规模和需求的应用场景。

• 发展挑战点

• 多功能性待提高：现有的硅光芯片很多时候仅仅具备单一的功能，如只能用作光放大器或光交换器。市场上对于硅光芯片多功能一体化的要求越来越多。例如在一个复杂的通信网络环境中，如果一个硅光芯片仅能进行信号放大，但是缺乏其他的如信号交换，信号过滤等功能的，在网络布局时可能需要多个不同功能单一的芯片协作，这不仅增加成本而且网络复杂度提升，对于实现高效小型化网络来说是一个巨大阻碍。

• 高温极端环境可靠性：由于硅光芯片包含半导体器件，而半导体在高温环境下可靠性审核要求较高。在高温下，半导体材料的电学性能可能会发生变化，从而影响光信号的正常处理，以及可能造成光学元件与半导体器件间的集成稳定性受到冲击，进而对整个芯片的通信性能产生负面影响。这对于一些可能处于高温环境下工作的设备通信芯片提出了很大的挑战，例如汽车电子系统中的部分靠近引擎需要高温环境下工作且需要依赖光通信的部件等。

硅光通信技术的市场现状

• 发展阶段与进程

• 硅光技术的发展历程较长，从1969年美国贝尔实验室提出集成光学开始，到 21世纪Intel等企业开始进入硅光领域协助突破发展。硅光子技术开始进入产业化技术突破阶段，2008年后，Luxtera、Intel等公司开始推出商用硅光集成产品，硅光芯片开始正式进入市场化阶段[]7]()。其发展整体可分为四个阶段：第一阶段是通过硅基材料制造光通信的底层器件，逐步取代光分立器件；第二阶段，集成技术从混合集成逐渐向单片集成发展，当前就处于这个阶段，也就是将各类器件通过不同组合实现不同功能的单片集成；未来的第三阶段预计将通过光电一体技术融合，实现光电全集成融合；第四阶段是将器件分解为多个硅单元排列组合，矩阵化表征类，通过编程自定义全功能，实现可编程芯片[]7]()。

• 市场规模与增长趋势

• 目前，硅光技术市场呈现出快速增长的态势，市场规模不断扩大。据市场研究机构Yole数据显示，2022年硅光芯片市场价值为6,800万美元，预计到2028年将超过6亿美元，2022 - 2028年的复合年均增长率为44%。LightCounting预计硅光芯片的销售额将从2023年的8亿美元增至2029年的略高于30亿美元。全球硅光市场规模有望在2026年达到300亿美元，年复合增长率高达20%。从地区分布来看，亚洲地区尤其是中国和日本是硅光技术市场的主要增长动力；北美和欧洲市场也占据一定份额[]7]()[]8]()。

• 主要应用领域分布

• 数据通信用途主导：数通应用在硅光应用中占比达90%以上。其中推动增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块，数通光模块的应用占硅光芯片市场的93%，复合增长44%。在数据中心内部和数据中心之间建立高速、大带宽的互联网络，是目前硅光芯片在数据通信领域的重要应用场景，这是因为硅光芯片的高效率、低功耗、小体积等特性可以很好地满足数据中心对于大量数据处理和快速信息交互的要求。

• 其他领域崭露头角：除数据通信外，在电信领域、光学激光雷达、量子计算、光计算以及在医疗保健领域都有广阔的发展前景。例如在电信领域，硅光芯片可以实现高集成度、高性能和低成本的光学通信解决方案；在医疗保健领域，可用于生物医学成像、生物分析和药物筛选等方面，利用高灵敏度的光传感来达成相应的功能；在光计算方面，可以利用光的高速传输和并行处理能力，提供更高效、快速的计算和数据处理能力[]7]()。

芯片级硅光通信技术的应用领域

• 数据中心互联

• 数据中心需要处理海量的数据。硅光芯片凭借其高效率、大带宽的光通信能力，可以为数据中心内部服务器之间、不同数据中心之间提供高速连接。例如在大型云计算数据中心，大量的服务器和存储设备之间需要进行持续的数据交互，硅光芯片能够确保数据快速而稳定地传输，满足海量数据对高速传输的需求。其低功耗特性在数据中心这种大规模集群设备中优势巨大，能够有效降低能源消耗成本。同时，随着数据中心对于降低延迟、提高吞吐量需求的增加，硅光芯片作为800G可插拔光模块的主要应用技术，有助于推动数据中心向更高性能发展。

• 超级计算领域

• 在超级计算中，其需要处理大规模的数据以及应对复杂的计算任务。传统电子器件在速度和带宽方面已经逐渐不能满足需求。硅光芯片的光子技术能够实现更快速的数据传输和处理，通过光子进行数据的快速运输和交换，能够提高超级计算机整体的运算速度和效率。比如在一些科学计算场景下，如气象模拟、基因测序等大规模数据运算场景中，硅光芯片帮助计算机系统更快地传输在运算过程中所需的各种数据，保证计算效率的提升，同时减少在传输过程中的数据误差和信号衰减可能造成的计算结果偏差。

• 光互联领域

• 是通过光纤或光波导将不同设备如计算机芯片之间，不同的计算机硬件系统之间等连接起来形成一个高速、高容量的互联网络。硅光芯片作为光互联的关键部分，可以实现不同设备间光信号的传输和转换。芯片级的硅光芯片通过将光学器件和半导体器件集成，可以缩小光互联的设备占用体积，并且实现低功耗运行，这有利于构建更加复杂、高效、大规模的光互联网络架构。例如在5G通信设备基站后的传输网络中，光互联网络的构建通过应用硅光芯片可以更好地承载不断增长的5G网络流量传输需求。

• 生物医学领域

• 在生物医学成像过程中，如光学成像需要较高的分辨率和灵敏度。硅光芯片可以被应用到生物医学成像设备，提供高分辨率和高灵敏度的光信号处理，进而帮助医疗人员得到更清晰准确的影像以便进行疾病的诊断。并且在生物分析和药物筛选等方面，硅光芯片可以通过其精确的光信号调控和感知，对生物样本进行各类检测分析以及观察药物对于生物细胞等的作用效果。例如在检测血液样本中的特定癌细胞标记物时，利用硅光芯片的生物传感功能，可以通过构建特定的光学结构来探测癌细胞标记物分子与光学传感器之间发生的光学变化，从而精准判断癌细胞标记物情况，为癌症早期诊断提供辅助信息。

影响芯片级硅光通信技术市场应用的因素

• 技术特性本身的因素

• 多功能集成挑战：前面提到当前硅光芯片多数功能单一，这限制了其在某些复杂通信系统中的直接应用。如果想要扩大市场应用，需要解决如何将多种光通信功能集成到一个硅光芯片之中的问题。例如在一些小型化、集成化的网络设备当中，希望一个芯片能够集成光放大器、光交换器以及光滤波器等多种功能，但目前技术在多功能集成上进展仍需要突破。

• 高温可靠性：硅光芯片内的半导体器件在高温环境下可靠性受到挑战，这会影响到在像汽车发动机周边电子设备或者一些高温工况下工业控制设备中的应用推广。因为这些环境中温度过高时可能引起芯片的光学性能和电气性能变化，造成通信故障或数据丢失等情况[]1]()[]2]()[]6]()。

• 市场竞争与格局的因素

• 市场份额竞争：在光通信市场中，基于GaAs和InP等材料的光模块也占据一定份额，并且目前在一些特定应用场景中的优势明显。这对硅光芯片的市场扩张产生竞争压力。例如在一些传统光通信网络升级缓慢的地区和场景下，已有的基于GaAs和InP的光模块有稳固的市场份额，并且从产业链的适应和配套上，新的硅光芯片技术切入的成本和难度较大[]7]()。

• 传统光学企业的转型策略：传统的光模块制造企业如果积极转型到硅光技术领域则会加剧市场竞争，如果转型不积极则可能导致硅光技术市场供应体系不够完善，缺乏足够的产业链支撑。例如一些老牌光模块厂如果不能及时跟上硅光技术的发展，可能导致一些和传统光模块配套的设备在更新到硅光技术时出现产业链脱节情况，影响芯片级硅光通信技术的全面市场化推广[]21]()。

• 行业技术发展趋势影响

• 新技术融合需求：随着通信技术发展光通信和其他技术融合性需求日增，如硅光技术和量子通信技术、高速计算技术等融合，要求硅光芯片也适应这种产业技术融合发展的态势。如果硅光芯片的技术发展不能跨步到与其他技术融合的前沿则会渐渐失去一些潜在市场，例如在量子计算如果需要借助光通信来实现一些数据的交互传输时，硅光芯片不能及时整合量子通信的相关协议、技术特点等则不能在这个新兴领域获得良好的市场应用。

• 封装技术变革：例如当前在光模块的封装上，共同封装光学（CPO）等新型封装技术的出现，如果硅光芯片的封装工艺不能与之协同发展，则在性能发挥和成本控制上将受到限制。在CPO技术被认为可以有效解决数据中心的电气链路长度、提高互连频宽密度和能源效率的情况下，硅光芯片如果不能兼容这种封装方式，那么在以数据中心为代表的这类极需效率提升和成本降低的市场场景中竞争力将大为下降[]19]()。

芯片级硅光通信技术未来发展趋势

• 集成度不断提高

• 在未来，硅光芯片会朝着更高的集成度方向发展。一方面是光电集成度的提高，例如会加强光芯片与电芯片之间的融合程度，不但能够实现光路与电路的同步制造（像单片集成方式），也能够借助先进封装工艺将光芯片与电芯片更精准地集成，在降低功耗的同时提高整体性能，让整个系统更加小型化、紧凑化，适应更多对空间要求严格的设备应用场景[]26]()。另一方面将是多功能的集成，在一个硅光芯片内集成更多诸如光调制、光放大、光过滤等不同功能的光学器件，实现硅光芯片的多功能一体，满足不同场景下对于硅光芯片功能的多样化需求，从而进一步扩展其在不同应用场景下的适用性。

• 新材料与性能提升

• 新材料的探索应用：为了克服硅材料本身的局限性，研究人员将会探索更多新型材料与硅光芯片技术相结合。例如低维材料、磁光材料等新兴材料的加入将为硅光集成技术带来更多的可能性与突破点[]26]()。这些新材料可能会给硅光芯片带来不同的光学和电学性质，如可能改善光的吸收、发射效率以及调制性能等。

• 性能增强方向：除了在速率高、带宽大、功耗低等特性上继续优化外，还会注重提升硅光芯片在高速数据传输下的稳定性和可靠性，例如优化芯片的光学元件设计、减少因长距离传输或者复杂环境下的信号干扰等。对于不同环境下的适应能力会增强，特别是提高在高温、高湿度等极端环境下的可靠性，确保在各类工业、军事、户外等场景下都能正常工作[]26]()。

• 多领域深耕拓展

• 在通信领域内部的巩固加深，硅光芯片将在更多通信场景下取代传统的光通信技术和光电器件。例如在5G以及未来6G通信网铺设、运营中的光信号处理环节占据更主导的地位。随着数据中心业务需求增长，如大数据、云计算、人工智能处理对于数据传输和处理要求提高，硅光芯片在数据中心的各个层级的设备和连接中将起到更加不可替代的作用[]26]()。

• 新兴领域的开拓性应用：除了在传统的光通信和光互联领域进一步发展，硅光芯片还将在光计算、量子计算等领域发挥核心驱动作用[]26]()。在光计算领域硅光芯片可以利用光的高速传输和并行处理能力提供更高效、快速的计算和数据处理能力；在量子计算中如果这些技术能相互结合也许能够为量子信息的处理和传输提供新的发展思路和实现途径。

 芯片封装清洗介绍

·          研发的水基清洗剂配合合适的清洗工艺能为芯片封装前提供洁净的界面条件。

·         水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

·         污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

·         这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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