銅退光進(jìn)趨勢(shì)下的硅光子材料和市場(chǎng)展望

工業(yè)技術(shù)研究院IndustrialTechnologyResearchInstitute2024年5月29日??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。11 33??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。圖片來(lái)源：Dreamstime授權(quán)使用21133??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。3全球矽光子技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)業(yè)者Intel：「矽光」是結(jié)合20世紀(jì)兩個(gè)重要發(fā)明「矽積體電路」和「半導(dǎo)體雷射」l光透過(guò)「光纖」傳輸相較於電透過(guò)「銅」傳輸，具有低損耗、高頻寬、不易受電磁波干擾、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)l然而擔(dān)任光纖通訊「光電轉(zhuǎn)換、傳輸和接收」重要功能的光收發(fā)器，因矽基半導(dǎo)體不會(huì)發(fā)光，導(dǎo)致電子晶片EIC、光學(xué)晶片PIC多由互相獨(dú)立的供應(yīng)鏈生產(chǎn)封裝，最後再交由模組廠進(jìn)行連接組裝半導(dǎo)體雷射LD光感測(cè)晶片PD??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。4AI引領(lǐng)銅退光進(jìn)趨勢(shì)，讓高度整合、低傳輸損耗的矽光子找到突破口高低低高低高低??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。5矽基半導(dǎo)體不會(huì)發(fā)光，最大挑戰(zhàn)之一自然是如何整合PIC 11 111222323?不用精準(zhǔn)對(duì)位、整合程度高?技術(shù)簡(jiǎn)單、可在現(xiàn)有產(chǎn)線生產(chǎn)?提升Flip-chipintegration的效率?技術(shù)門(mén)檻高、需設(shè)資新產(chǎn)線?需準(zhǔn)精對(duì)位、生產(chǎn)效率低?尚未有成熟設(shè)備可供使用Intel、ScintilPhotonics、SkorpiosCisco(Luxtera)、AMFImec、X-Celeprint6?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。6採(cǎi)用遠(yuǎn)端雷射模組相對(duì)容易，不過(guò)整合所帶來(lái)的功耗和體積下降有限MI是將所有結(jié)構(gòu)在同片矽晶圓上製作(終極目標(biāo))，但商用化難度很高 1.將雷射獨(dú)立封裝模組化2.其它元件則儘量整合在矽半導(dǎo)體平臺(tái)中製作3.整合好的晶片再與雷射模組進(jìn)行連接1.利用應(yīng)力緩衝層，在矽晶圓上堆疊III-V化半材料2.在同片矽晶圓上持續(xù)完成所有EIC、PIC結(jié)構(gòu)?較易生產(chǎn)、可避免EIC溫度影響波長(zhǎng)、雷射易更換?高度整合、傳輸損耗最低?體積難微縮、功耗難下降?技術(shù)難度最高且雷射效率差，仍處?kù)堆邪l(fā)階段Cisco、Broadcom、AyarLabsTower、Quintessent、Juniper、Imec、IQE??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。7矽光子除了想解決「可插拔式光收發(fā)器」內(nèi)部傳輸損耗之外隨資料中心頻寬的提升，光收發(fā)器與交換器之間的損耗也日益嚴(yán)重(dB)0交換器交換器ASIC→PCBPCB傳輸損耗接口損耗光收發(fā)模組損耗??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。8矽光子從光收發(fā)器開(kāi)始，並朝向交換器晶片整合發(fā)展 9?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。9NPO為目前較多業(yè)者青睞的路線除了比OBO傳輸距離更短之外，基板面積也比較小(性能升級(jí)成本較低)?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。lBroadcom宣稱(chēng)其CPO交換器可降低至少30%功耗，據(jù)市調(diào)資料指出：ASIC採(cǎi)用臺(tái)積電N5製程，搭配8個(gè)?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。OpticalchannelOpticalchannel !CPU InterposerCPU Interposer Substratel新創(chuàng)企業(yè)AyarLabs的矽光子OpticalI/O產(chǎn)品已進(jìn)入小批量驗(yàn)證階段，商用化進(jìn)度領(lǐng)先，包括臺(tái)積電、?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。並逐漸拓展至高速運(yùn)算HPC與感測(cè)Sensing領(lǐng)域Consumerbio-sensorConsumerbio-sensorOpticalcomputingTelecomtransceiverCPO(a)OpticalI/OMedical??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。n2022~2027年矽光子裸晶片(Die)應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模(億TWD)*原數(shù)據(jù)有誤，已於2024年16月11日更新90.660.629.720.2?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。1133??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。15做為發(fā)光源的雷射是矽光子最為關(guān)鍵的元件之一dB/km7654321~850nm~1,310~850nm~1,310nm~1,550nml雷射發(fā)光波長(zhǎng)取決於材料能隙大小，光通訊應(yīng)用中的850nm多使用GaAs材料，而1,310、1,550nm??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。16光收發(fā)器雷射晶片多為GaAs的VCSEL、InP的DML/EMLVCSEL面射型雷射 邊射型雷射晶圓基板GaAs傳輸距離>10km光通訊常用波段850nm1,310nm1,310或1550nm低中大波長(zhǎng)熱穩(wěn)度性佳差差雷射成本低中高矽光子雷射設(shè)計(jì)外部雷射為主可整合至矽晶片內(nèi)可整合至矽晶片內(nèi)?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。隨資料中心傳輸速度的增加銅纜DAC恐限縮在Rack內(nèi)部，光傳輸?shù)慕巧珜?huì)更加吃重?zé)o無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)LANLAN-WDM/DWDM?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。n0.1~20μm3~50μml矽光子SOIwafer要求翹曲度低、表面平整、每層厚度均一，Soitec憑藉SmartCut專(zhuān)利技術(shù)能加快生產(chǎn)?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。Transmission提升速度、降低能耗、縮小體積、減少整合難度為材料開(kāi)發(fā)重點(diǎn)Transmission +++0?將入射光分成兩個(gè)等亮度的光?控制相位差(時(shí)間差)後將兩波合併，波形疊加為1、波形相消為0?Microring外加電壓時(shí)，能使波長(zhǎng)移動(dòng)，藉此代表0→1?材料在施加電壓下能隙變小，進(jìn)而改變光的強(qiáng)度?可操作的波長(zhǎng)較廣、熱穩(wěn)定性高?驅(qū)動(dòng)電壓低、體積小?SiGeEAM易在矽晶圓上製作?技術(shù)難度高，波長(zhǎng)控制需<1nm?工作波長(zhǎng)多在1,565-1,625nm附近CiscoMellanox、Imec?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。SOIwafer?低翹曲度、表面平整、厚度均一Soitec,環(huán)球晶?往大尺寸(4吋、6吋)發(fā)展AXT,JXMetals,SEI?往單通道200G、1.6T發(fā)展LNOfilm,BTOfilm,Si-MRM?高速、低能耗、小體積、易整合HyperLight,Lumiphase,IntelSiO2,SiN,Glass,Polymer?低表面粗糙、低紅外光吸收Si,Glass,Polymer?高平整度、高尺寸安定性、熱穩(wěn)定性PPE,Hydrocarbon?符合M7、M8等級(jí)的HDI多層板要求Sabic,NipponSoda?高靈敏度、高波長(zhǎng)接收範(fàn)圍Adhesive?高紅外光穿透、高機(jī)械性質(zhì)、易加工Resonac,3M??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。211133??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。22Braodcom8.3%LumentumMarvell(Inphi)15.6%lIntel是全球矽光子市佔(zhàn)領(lǐng)先業(yè)者，2023年10月Intel將?工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。矽光子在光收發(fā)器的出貨量滲透率僅約5%(2023年Datacom市場(chǎng))上下游關(guān)係目前仍多處?kù)堆邪l(fā)合作、小批量代工、測(cè)試驗(yàn)證階段Google、Meta、MicrosoftMicrosoft、Amazon、熹聯(lián)光芯(Sicoya)Broadcom、Cisco、GlobalFoundries、臺(tái)積電Broadcom、Cisco、Fabrinet、光訊、眾達(dá)Google、Microsoft、Amazon、Marvell(Inphi)、Juniper、華為(Caliopa)、中際旭創(chuàng)Marvell、Juniper、華為、中際旭創(chuàng)、新易盛Microsoft、華為??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。24AI應(yīng)用加快資料中心傳輸規(guī)格的更迭速度200G單通道雷射、1.6T光收發(fā)模組、矽光子是近期大廠佈局重點(diǎn)?推出最新AI交換器平臺(tái)：乙太網(wǎng)的Spectrum-X800、InfiniBand的Qua?Quantum-X800採(cǎi)用200GSerDes單通道，可配置144個(gè)800G或72個(gè)1.?推出全球首款單通道200G的EML、VCSEL和矽光子雷射?51.2TCPO交換器Baily(搭載8個(gè)矽光子引擎)近期已?推出單通道200G矽光子引擎，每Bit傳輸損耗可降低30%?推出1.6T光收發(fā)器的DSP晶片(單通道200G)，支援51.2T交換器?優(yōu)化800GZR(長(zhǎng)距離傳輸)的光收發(fā)器產(chǎn)品，使用InP雷射與矽光子技術(shù)?展出800G/1.6T矽光子光收發(fā)器產(chǎn)品，並採(cǎi)用LP?LPO雖藉由移除DSP晶片來(lái)降低成本和功耗，但傳輸距離會(huì)縮短且訊號(hào)品質(zhì)下降??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。25臺(tái)灣矽光子及CPO供應(yīng)鏈調(diào)查：光通訊業(yè)者多已關(guān)注發(fā)展，矽基半導(dǎo)體業(yè)者則因應(yīng)AI趨勢(shì)積極切入字體顏色：光學(xué)業(yè)者矽基半導(dǎo)體業(yè)者新創(chuàng)業(yè)者聯(lián)發(fā)科、聯(lián)發(fā)科、光環(huán)、前鼎、眾達(dá)、華星光、訊芯、光聖、創(chuàng)威、鴻騰精密、??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。26臺(tái)灣是AI硬體最重要的供應(yīng)鏈夥伴，半導(dǎo)體業(yè)者積極展開(kāi)合作與研發(fā)?與鴻騰精密合作開(kāi)發(fā)51.2TCPO交換器的矽光解?聯(lián)發(fā)科負(fù)責(zé)ASIC晶片設(shè)計(jì)，鴻騰精密負(fù)責(zé)封裝與組裝?環(huán)球晶12吋美國(guó)SOI晶圓擴(kuò)建中，預(yù)計(jì)下半年開(kāi)始送樣?中美晶入主光通訊業(yè)者「上詮」的董事會(huì)，據(jù)傳上詮有與臺(tái)積電合作CPO的開(kāi)發(fā)?800G矽光InP雷射磊晶已進(jìn)入量產(chǎn)?今年矽光子路線更新重點(diǎn)：2025完成堆疊式光電晶片驗(yàn)證，可應(yīng)用於1.6T可插拔式?矽格為臺(tái)星科最大股東，兩家合作搶進(jìn)CPO市場(chǎng)，臺(tái)星科負(fù)責(zé)封裝、矽格負(fù)責(zé)測(cè)試?據(jù)傳已有客戶(hù)訂單，臺(tái)星科將於今年擴(kuò)大CPO產(chǎn)能??工業(yè)技術(shù)研究院權(quán)利所有。