美国科学基金会资助硅激光器：谁将在硅光子中受益？

近日，美国德州大学阿灵顿分校(University of Texas Arlington)电气工程学院Weidong Zhou教授的课题组宣布，其新型激光器项目已获美国国家科学基金会授予的353,000美元资助。

据悉，该研究团队去年已在《自然光子学》杂志(Nature Photonics)上发表一项有关硅基技术辅助转印光子晶体纳米薄膜激光器的创新突破，在该项工作中，Zhou与威斯康辛大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)Zhenqiang Ma教授共同合作，成功制造了高度仅为两微米的的芯片表面衍射激光器。

Zhou表示，硅激光器仍是集成硅光子学研究的主要障碍之一。此次项目将在该研究基础上采用光子晶体控制激光束路径，提高集成电路的光效率，并加强硅芯片的速度和容量，进一步推进激光器在硅基技术中的应用，Ma教授也将继续参与项目合作。

此外，这项研究还可广泛应用于光学成像、遥传感、生物集成电子元件、信号处理和数据传输等重要领域。

谁将从硅光子中获益?

硅光子是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，用激光束代替电子信号传输数据的技术，英特尔实验室已经通过混合硅激光器技术的集成激光器，首次实现了基于硅光子的数据连接。

业界有些人认为硅光子技术意味着今天的光学厂家会成为历史。也有人意见完全相反，认为基础物理受制于现有的材料，最好的选择仍然是保持不变。为什么硅光子话题引发了这么大的争议，这项技术真的值得这么多的关注吗?Ovum光器件首席分析师Karen Liu在近日发布的报告里，给出了Ovum对硅光子发展的看法：

市场规模可观

Ovum认为，硅光子技术确实有潜力完全改变光学行业，但这种改变绝不是完全取代现有的产品。之所以说它有潜力完全改变是因为，它会在今后的很长时间里引发行业产生连续性的变化。至于这些变点，人们倾向于高估其短期影响，而低估了长期影响。至于业界为什么会存在这么多意见不同的观点，Ovum认为，原因在于人们看问题的角度不同。

光学元件的技术专家可能会说：“在磷化铟的研发进展这么顺利的情况下，再重新开发硅的用途，根本就没什么意义。截至目前，还没有任何技术演示能够展示出硅有超乎寻常的性能，它甚至不能和磷化铟相提并论，因为硅本身还不能发射激光。”这番观点回应的问题可能是“硅光子产品和应用带来的好处是什么?”

事实上，更有针对性的问题应该是“谁能从硅光子技术中受益?”硅光子有可能会使产业结构发生变化，反过来，产业结构变化也是硅光子成功的最有力因素。

硅光子有望扮演重要角色的就是100G以太网和Infiniband模块市场，Ovum预计，硅光子在这两块市场可获得两位数的份额，到2016年可达到10亿美元的规模。

不过，Ovum同时也认为，推动它成功的因素并非技术性能。那些讨论硅调制器与磷化铟调制器技术上谁更胜一筹的争论，Ovum从这些争论中获取的信息是它们的性能是比较接近的，短期内决定100G以太网和Infiniband模块市场接受硅光子的关键因素是，思科和Mellanox的市场份额。

系统集成商的布局

对硅光子技术关注升温的时间点是去年思科收购光纤技术公司Lightwire，后者拥有为高速网络应用设备开发的先进光学互连技术。高达2.71亿美元的收购价让业界感到惊奇，这家营收还不高的创业公司收购价是Opnext市值的两倍，Opnext还是光学元件领域的领导者。但是退一步讲，Opnext业务范围比较窄，仅聚焦在光学元件。

而且，最值得关注的是，Lightwire的收购者思科，近期还花了比购Lightwire贵10倍的价格收购了智能网络安全解决方案商Sourcefire，价格差了几倍，但这些收购为思科世界带来了变化。

无独有偶的是，硅光子技术界第二起收购同样由系统集成商发起，Mellanox目前正处于收购硅光子技术厂商Kotura的进程中，Kotura是一家以InfiniBand技术闻名的厂商，正如思科以太网交换闻名一样。

随着通信速率的提升，光学系统的成本也在增加，另一方面，Mellanox来自电缆等其他配件的业务收入增长率还不到5%。

光学组件已经变成最有战略性的产品之一，它限制着系统的竞争力以及毛利率水平，一家经过时间考验的系统厂商的回应就是，通过内部ASIC设计控制关键组件及材料的供应。

思科新闻发言人、高端路由和光学事业部的副总Bill Gartner，曾公开解释过思科收购硅光子技术的目的，和过去几年其他半导体设计团队的收购一样。光学行业视硅光子为竞争性的材料系统之一，系统厂商视其为硅供应链中的几个专业化的形式之一。

尤其数字CMOS有一个完整的服务供应商生态系统，OEM厂商可以选择自己制造ASIC，或者由芯片厂商开发，又或者采购外部商家现成的产品。当然也有厂商有实力从多家公司采购部分产品，然后合并到自己的设计里。

与此完全不同的是，今天传统的光学企业首选的是现成常备的产品。个别厂商选择再加工或采购基本的器件，而且这些分散的器件也不容易组合起来。过去十年里，领先的光模块供应商越来越倾向于垂直整合，拥有自己的芯片供应链。当他们不得不外部采购时，来源也是竞争对手的。

另一条可开拓的市场

硅光子另一条开拓市场的路线是争取大型的电缆及连接器厂商，在这种情况下，硅光子不要遵循ASIC的发展模式，要与电连接厂商联合起来，这些厂商包括TE Connectivity、FCI、Amphenol。

这种联合很符合情理，因为光缆与电气连接有相同的功能，其业务动态化相比ASIC也有更多的类似之处，在信号完整性方面的挑战也是相同的。驱动器如摩尔定律改进一样并不能适应任何光学或电子行业。特别是活跃的光纤光缆，因此产生了很多补充现有电力电缆的产品。举个例子，迷你型SAS线缆用于距离更长的铜缆。除了无源铜接触不到的地方，活性铜和光纤都可以用。对客户来说，细节是无关的，他们只看到各种符合需求的电缆及连接器。

但是这种商业模式因为硅光子的来临面临着挑战，硅光子可以使OEM厂商越过他们的布线厂商，活性铜缆大部分用于InfiniBand。Mellanox的一部分市场会被收购来的硅光子公司Kotura俘获。另一方面，即使是市场慢热启动，布线厂商也仍然可以享受到硅光子带来的好处，硅光子的第一个实例就是Molex和Luxtera之间的合作关系，Molex如何基于Luxtera的硅光子芯片与既定的业务打包，向市场推广。

线缆互连供应商一般不会对光学芯片感兴趣，TE Connectivity则是个例外，已经从半导体公司Zarlink收购了VCSEL和线缆业务，收购的原因之一就是他们的核心知识产权更多的体现在连接器上，还不是芯片上。Luxtera和Molex的合作模式说明，硅光子芯片进入线缆/连接器领域的可能。

无晶圆厂半导体发挥力量

一些人声称，把硅光子放在摩尔定律的轨道上，可使其像电子一样创建一个承载信息的传输方式。另有一些人表示反对，指出光学无法像电子那样从平面印刷板的设计中同样获益。

电子门通常随着形体尺寸缩小而变得更快、耗电更少，而光子器件的结构不会因尺寸变小而同样受益，因此今天的光子器件会根据波长尽量最优化尺寸。下一代平板印刷带来的主要好处就是更平滑的波导壁，更少的损耗，而不是更小的器件尺寸。

连续CMOS工艺节点通过更多的集成可以使功能更强，摩尔定律决定，相同的成本可能使功能提升两倍，而不是相同的功能使成本降半。

硅光子技术的来临并不代表光学将直接集成到大的ASIC或处理器芯片里，不过大型的ASIC的确最需要更先进的互连技术。这些芯片也需要更先进的工艺节点，因为光子太大而很难做到经济性。

同样的，集成对光学来说无疑是非常重要的，但对电子来说却不是压倒性的规则改变利器，光学集成在初期阶段，每个芯片只有十到几百个元件，每一代向更快数据传输速率的演变导致元件数量增长都不是独一无二的。现在高达100Gbps的速率会使用4X、10X集成的动态并行。

但是请注意，随着时间的推移，25Gbps电接口日益成为主流后，10x10Gbps又退回到4x25Gbps。而对于400Gbps，16 x25 Gbps又代表着下一代的新主流。相信随着时间的推移，它也会恢复到不那么主流的水平上。

因此，Ovum认为，硅光子带来的最深远影响会是，让无晶圆厂半导体发展模式发挥应有的力量。随着第一波硅光子产品投入市场，设计团队必须与现有的硅生态链厂家合作，以改善和补充设计工具、平面印刷以及晶圆厂流程。同样的过程也会发生在封装厂商这里，晶圆厂和封装厂商对硅光子感兴趣，是因为他们考虑到未来提供的服务里有光电产品的可能性。硅光子公司甚至还设想了他们的远期愿景——转型为以授权知识产权为主营业务，目标群体是已经拥有规模经济性的大型老牌制造厂家。

Ovum注意到，CMOS不是现在生态系统中，唯一的半导体行业，但无疑是最为突出的。MEMS代工厂向很多行业提供产品，包括光学通信。Kaiam就是一个例子，在其模块产品中使用代工厂提供的MEMS。Cosemi则是一家提供复合半导体光电二极管的无晶圆厂的企业例子。客户的兴趣以及硅光子自身接受无晶圆厂模式，都可以提高外部代工厂对硅光子的兴趣和接受度。

OEM模式也不会妨碍硅光子的零售芯片供应。英特尔就是一个突出的例子，本身是一家芯片厂家，又是硅光子的坚定支持者，但英特尔独特的产业地位很难期望业内同行跟进。正如上文讨论的，硅光子不靠大规模集成化，更需要大量不同的IC厂商的协同，比如PHY与其他模拟/混合信号芯片的集成。

无晶圆厂半导体的商业模式对各种创新技术是非常友好的，它降低了小规模运营的门槛。OpSIS是一家由英特尔、IME以及Luxtera支持的硅光子晶圆代工厂。这种生态系统包括共享往复运行、发展晶圆厂等机制，它降低了门槛，允许大学及小型的初创公司进入。

激光仍是关键组成部分

对硅光子持批评意见的主要集中点就在于激光这个薄弱点，硅不是产生激光的最好材料。但Ovum认为，激光不会是硅光子技术的阻碍，材料研究会继续寻找更好的方式，使硅和激光更好的协作。除此之外，现有的激光厂商也会有机会与硅光子设计者们合作。

需要解决的问题并不是激光，而是如何将光的其余部分整合在一起。由英特尔、Skorpios、Aurrion公司提倡的“异质整合”是一个很有吸引力的尝试，磷化铟晶片键合技术产生激光，驱动硅光子器件。

Ovum认为，激光设计和制造仍然是一个宝贵的技能，这一技术区分了光学元件厂商的实力。硅光子学的问世，包括在OEM ASIC方面的应用，并不会导致现有光学厂家的消亡。相反，现有光学元件及模块供应商接受硅光子，可以补充现有的业务产线。如果硅推动OEM ASIC厂商，同样也会推动光学ASIC设计业务。

硅IC供应商常见的业务模式是先进的现成产品和源自客户项目的经验。长远来说，这样的业务结构正是光学企业需要改进的，以便应对流量的冲击。

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