摘要

硅基光电子集成技术（简称硅光技术）是使用硅基集成电路兼容的技术和方法，将微纳米量级光子、电子以及光器件在同一硅基衬底上实现异质集成，从而形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片的一项新兴技术。

近年来，硅基光电子以其日渐成熟的器件工艺、通信连接优势和材料兼容特性，不仅推动了硅光通信的产业化进程，还催生了许多其他前沿应用领域，如人工智能处理器、光电算法求解器、光电传感与探测、光量子计算等等。

本文将从硅基光电子技术本身及特点出发，对我国当前硅基光电子的产业化情况以及未来应用领域进行梳理总结，论述硅基光电子技术在提升我国集成电路产业基础、实现半导体全流程自主可控过程中所起到的关键性作用，并据此提出现阶段我国布局硅基光电产业的政策建议，以期把握集成电路换道超车的关键机遇，培育新动能，提升新势能，持续发挥全过程创新生态链优势，抢抓未来产业发展制高点。

一、发展背景

微电子技术使电子器件从分立走向集成，其集成度和性能数十年来基本遵循“摩尔定律”指数级提升。随着集成工艺逼近物理极限，电子器件的带宽、速率、功耗等性能难以再有数量级进步。同时，大规模的产业数字化带来数据吞吐量持续爆发增长，要求通信功能器件具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率，仅仅利用电子作为信息载体的传统集成电路技术逐渐难以满足上述要求。

随着海量数据成为重要的生产要素，光子本身高速率、大带宽、低串扰等特性非常适合海量信息的超快传输和处理，将微电子和光电子在硅基平台实现集成，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术，通过光电器件异质集成降低制备成本，在工艺上仅要求百纳米级别制程。因而，硅基光电子集成技术是我国目前提升集成电路产业能级、摆脱高端芯片制程极紫外光刻机（EUV）“卡脖子”困境的有效路径。

以光电子和微电子的深度交融为标志的硅基光电子技术开启了后摩尔时代，受到半导体行业广泛关注。其产业化应用也从最初的通信拓展到计算、传感、人工智能、消费乃至军事领域，展现出广阔的发展空间。可以预见，在未来，硅基光电子技术将划时代的技术革新，突破信息传输速度“纳秒门槛”，开启人类探索微观世界的崭新视域。

二、硅基光电子集成技术概述

以硅材料为主导的微电子技术在过去半个多世纪中取得了举世瞩目的成就，一直是现代信息社会发展的驱动力。微电子芯片的发展遵从摩尔定律，但随着微电子芯片的工艺节点向原子级靠近，工艺线宽不断变窄，微电子技术已经逐渐接近性能极限。

图1 硅基光电子集成趋势

与此同时，随着云计算、人工智能等衍生领域技术的不断进步，数字化应用将逐渐开始赋能千行百业，根据国际机构Statista的统计和预测，到2035年，全球数据量将达到2142ZB，数据量的大规模爆发对通信设施的传输与处理能力提出了巨大的挑战。据 OpenAI 统计，自 2012 年起，每 3.4个月人工智能的算力需求就翻一倍，摩尔定律带来的算力增长已经不能满足高速海量数据通信和处理的需求。

为了解决电子计算芯片算力和功耗的瓶颈问题，光学处理机制被引入计算领域。20 世纪70年代，美国贝尔实验室的Miller 提出了集成光学的概念，其目标是在同一芯片中同时集成光器件和电器件。如图1所示，不同于电子芯片，在信息传输上，用光子代替电子，可以承载更多的信息和传输更远的距离，实现高速、低功耗的片上互连，突破目前的微电子处理器在数据互连上的瓶颈。在计算上，光子芯片不需要改变二进制的架构，能够延续传统微电子的计算机体系。光子本身高速、大带宽、低串扰等特性非常适合海量信息的超快处理，通过构建矩阵乘法运算、卷积运算、非线性运算等基本运算单元，目前已被应用于人工智能所必需的矩阵加速、全连接神经网络、卷积神经网络、循环神经网络等多种计算构型，在数据分类、图像分类、图像重建、优化问题等多方面表现出了显著优势。

根据Intel的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期，2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块，预测硅光模块的市场增速为40%，2024年达到39亿美元，届时有望占据整体市场规模的21%，结合光子和电子优势的光电子集成芯片或将是未来芯片的主流形态。同时，在同一硅基衬底上的光电器件可以通过CMOS加工工艺平台实现大规模批量生产，具有低成本、高集成度、高可靠性的优势，据Intel预测，未来硅基光电子模块的预期成本可以降至0.3美元/(Gbit*s^-1)，是实现光电子和微电子集成、光互联的最佳方案，在性能与稳定性上逐渐超过了基于传统材料的光电子技术，同时片上模块集成对的制程要求更低，是目前我国半导体行业绕过EUV光刻机、实现半导体制造业换道超车的重要战略机遇。

三、全球硅基光电子技术产业化进程

1. 全球关键技术进展和产业化布局

硅基光电子集成这一概念诞生伊始主要瞄准在芯片内部以光互连取代电互连，解决传统微电子芯片传输的速率和功耗问题。国际半导体巨头也嗅到这一产业跃迁的技术契机，纷纷开始布局硅光电子产业。2004年，Intel研制出第一款1Gb/s 速率的硅光调制器，科学界看到了硅芯片中“光进铜退”的可能性，硅光芯片的产业化大幕就此揭开。2007年，Intel通过采用反向偏置PN 结构消除载流子扩散效应，将调制带宽扩展到30GHz，性能已能与当时商用Ⅲ-Ⅴ族和铌酸锂调制器相当。其后，在IBM、康奈尔大学、贝尔实验室、MIT 等单位共同推动下，硅光芯片工作速率在 2013年左右达到50Gb/s，首次超越当时主流的光电子器件。2018年，哈佛大学设计的硅基薄膜铌酸锂调制器实现了 210Gbps信号的调制，调制器片上损耗仅0.5dB。2020年，麻省理工展示了基于光电乘加器的大规模光学CNN（Convolutional Neural Network）实现；2022年，Intel以CPO方式实现硅基微环调制器28nm CMOS的温度传感控制器、驱动器的光电集成，能效达到1.33 pJ/bit。从硅基光电的技术演进步伐可以明显看出，目前光电子器件正在从“分立”走向“集成”，规模不断扩大，从芯片层不断向系统层进发。

由表1可以看出，硅光技术演进和企业并购助力光电子芯片产业飞速发展。目前包括英特尔、比利时IMEC、新加坡AMF、格芯半导体、光迅科技、华为、海信等在内的世界500强企业均在布局硅基光电子技术。欧盟更是早在2013年就启动了针对硅基光电子技术的PLAT4M项目，意图打造硅基光电子技术的整个产业链。通过对全球硅光产业链的梳理可以看出（图2），在 Intel、Cisco等领军企业的持续大力投入之下，硅光产业链不断完善，技术标准相继形成，已基本形成了成熟完整的全球产业链布局。值得一提的是，在通信领域，硅光产业已基本形成了面向数据中心、光纤传输、5G承载网、光接入等市场的一系列硅光产品解决方案。

表1全球硅基光电子市场主要玩家及关键布局

2. 生产模式演进

与传统微电子生产模式不同的是，硅光子企业普遍采用Fabless模式。Fabless可以充分利用大规模、标准化制造的益处，是绝大多数数字电芯片企业的选择，如Qualcomm、ARM、AMD、Broadcom等。与之相反，传统光电子企业都是采用IDM（Integrated Device Manufacture，整合器件制造）模式，比如Finisar、Lumentum、Infinera等。究其原因，一是光电子芯片的整体体量较小，二是材料、工艺导致制造的标准化程度低。但是，由于硅光子的产业化优势正在于可以利用微电子行业已有的CMOS制造产线（人才、工艺、装备等），所以除了Intel，几乎所有硅光子企业都选择Fabless模式，如Luxtera、Acacia、Ayar Labs等。格罗方德、台积电、意法半导体等传统微电子制造企业已成为主要的硅光子代工企业（Foundry）前端工艺趋向标准化。2021年，台积电推出COUPE（Compact Universal Photonic Engine，紧凑型通用光子引擎）技术，可实现电、光芯片的一体化封装。格罗方德于2022年3月发布硅光子平台GF Fotonix及配套PDK，该平台支持通过2D/2.5D/3D封装实现片上激光器、支持与300GHz级射频CMOS电芯片混合集成。

图2 全球目前硅基光电子产业链梳理（2022）

通过格罗方德这些Foundry机构的支持，以及Cadence、Synopsys等所提供EDA设计工具的渐趋丰富和完善，使得硅光子企业采用Fabless模式已具备较好的产业化条件。

综上，光电子集成的发展轨道，呈现出了三个主要的特征：一是芯片平台硅基化，二是集成规模稳步提升，三是生产模式向fabless演进。从器件集成度、产业链成熟度来看，硅光子与微电子集成相比尚有 30-40 年的发展差距，以硅光子为代表的光电子集成尚处于发展早期。但随着光电子集成重要性提高、应用领域拓展，光电子将在集成轨道不断发展，形成技术进步与市场规模提升的相互促进。

四、我国发展硅基光电子产业的现实基础

1. 战略层面，是我国提升集成电路产业体系掌控力的关键布局

高科技制造的核心是芯片制造。IC Insights发布的《麦克莱恩报告》（The McClean Report 2021）从IDM厂商的销售额、无晶圆半导体公司销售额、IC市场总销售额分析了美国、中国、日本、中国台湾等国家和地区2020年IC市场的发展情况，报告显示，美国公司占全球IDM总销售额的50%，占无晶圆厂（Fabless）销售额的64%，总体来看，2020年美国半导体公司占据了全球半导体市场总量的55%，与此同时，我国大陆半导体公司仅占IC全球市场的5%，在中国拥有晶圆厂业务的外国（地区）公司仍占中国IC产量的大部分。与此同时，美国芯片法案的落地预示着美国政府对中国的半导体制造的遏制打压是长期战略，可以预见的是这场遏制将从14nm制程技术的一刀切封锁逐步向制造材料、EDA工具以及存储器的打压全线蔓延，设备禁令不断升级；并且将对标中国制程的发展，持续动态调整“先进工艺和成熟工艺”禁令标准；通过拉拢国际设备厂商，封堵中国半导体先进制程发展的国际支持。由于高端芯片设计和制造的关键技术断点，我国半导体行业发展陷入受制于人的困境，集成电路产业基础能力亟需迭代升级。

硅基光电子技术具有大规模集成、低能耗、低成本、高算力的独特优势，更加适应未来高速、复杂的通信和计算要求，其制造技术是基于硅和硅基衬底材料，利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺进行光器件开发和集成的技术，结合了集成电路技术超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，与现有的半导体晶圆制造技术的发展相辅相成。在工艺上仅要求百纳米级别制程，不必像电子芯片那样严苛，必须使用极紫外光刻机（EUV），因而，硅基光电子集成芯片是我国目前突破摩尔定律、开辟集成电路产业新赛道的有效路径。

2. 技术层面，是我国激发现有硅光技术创新要素活力、建圈强链的宝贵机遇

不同于传统微电子的制造技术落后国际3个技术代的“卡脖子”困境，我国近年来加大了硅基光电集成技术的研究力度。如图3所示，通过在ELSERVIER论文库中对关键词含“硅基光电”的论文数量检索结果来看，我国关于硅基光电研究1985年开始起步，2008年开始进入快速增长期，方向包括硅基光电集成理论研究、关键工艺攻关、应用开发、原理验证等等，硅基光电子技术已逐渐从基础科学研究驱动转变为市场应用驱动的良性循环。

图3 硅基光电子学SCI发文情况统计（1998-2022）

如图4所示，通过对国内硅基光电子产业已有布局的科研院所和企业梳理，从产业链条上可以明显看出我国硅基光电产业目前存在断点堵点的关键环节。仿真设计上，由于硅基光电子单元器件的仿真比较复杂且工艺敏感，如果不执行全面的器件仿真和工艺仿真（TCAD），很难确定版图上的器件能否实现原理图中所预设的功能，目前硅基光电子的设计依靠设计人员对所有细节的把控，自动化程度较低。工艺流程上，硅光子技术作为在后摩尔时代微电子与光电子融合趋势下发展起来的新型技术，其工艺流程基于标准 CMOS 工艺开发，与CMOS兼容的工艺平台是硅光芯片制备链条的关键组成，因而，依托工艺平台的建设来打造硅基光电技术创新生态对于推进其产业化进程具有重要意义。

图4 我国目前硅基光电子产业链梳理（2022）

不同于国际上 Intel、 IMEC、 IME、 ePIXfab 等机构在硅基光电子芯片加工制造方面的多年技术积累，国内硅基光电子工艺平台目前处于起步阶段。重庆联合微电子、中科院微电子所、上海微技术工业研究院等单位正在致力于 8 英寸硅基光电子工艺线的建设。2022年11月，上海交大无锡光子芯片联合研究中心成立，集光子芯片前沿研究和产业化于一体的光子芯片中试线落地，预计两年后可以实现批量化生产。以上海、武汉、重庆、无锡等地为代表，目前我国硅基光电子技术已经累积了可观的科研储备，相关产业已经基本具备梯次成长、接续发展的技术基础，硅基光电产业化进程蓄势待发。

3. 政策层面，是我国以“策”促“源”、探索新型举国体制下未来产业发展路径的崭新实践

国务院在《中国制造2025》规划中明确提出“掌握新型计算、高速互联、先进存储、体系化安全保障等核心技术，超高速大容量智能光传输技术、未来网络核心技术和体系架构，推动核心信息通信设备体系化发展与规模化应用”；工信部颁布的《中国光电子器件产业技术发展路线图2018-2022》中，将“加强核心有源激光器、硅基光电子芯片及上游材料的设计、制造工艺平台建设与工艺人才培养”作为重要技术创新目标，并在硅基相干光收发芯片、硅基100G PAM-4调制芯片、硅基波导光开关、可变光衰减器阵列芯片等方向给出了具体的发展目标；上海市、湖北省、重庆市、苏州市等政府都把硅光芯片作为“十四五”期间的重点发展产业。此后，武汉建立国家信息光电子创新中心、上海将硅光技术列入首批市级重大专项、重庆打造国家级国际化新型研发机构联合微电子中心有限责任公司。在“863计划”“973计划”和国家自然科学基金等支持下，硅基光电子集成技术基础研究不断突破，技术标准相继形成，产业链不断完善，产业应用日益丰富，部分硅基光电子技术的基础研究已经接近世界一流水平，在硅基关键光电子集成器件等方面取得了一系列重要成果，调制、探测、复用与解复用等分立器件已经研制成功，异质集成衬底、光源、高速光电调制器等方向取得了一系列重要进展。这标志着我国已初步具备硅基光电子集成全流程自主工艺制造能力，但也存在一些亟待攻克的关键问题。

硅基光电子集成技术作为我国抢占高算力、高速度芯片产业蓝海的关键部署，研发流程长，研发成本高，产业发展所涉及的关键环节较多，亟需通过新型举国体制紧密关联基础科学研究和产业发展，通过优化配置创新资源解决目前产业链条上卡脖子的一系列技术问题，通过产业规划引导硅基光电子技术加速发展，确保高级芯片制造受制于人的遗憾和困境不再出现。目前硅基光电的产业链发展较为不均，核心环节关键技术欠缺，亟需发挥新型举国体制优势，联合新型研发机构和科研院所对硅基光电子产业链条进行精准诊断，针对关键环节，消除“痛点”，攻克“难点”，打通“断点”，强化长板，补全短板，填补空白，精准分类产业环节的发展梯次，提升硅基光电子产业链能级。从政策实践上看，发展硅基光电产业是我国新型举国体制下对于未来产业发展路径的崭新探索。

4. 应用层面，是我国加速推动战略新兴产业和未来产业纵深融合、接替发展的有力举措

后摩尔时代，在芯片上实现多种优势及技术的结合是大势所趋，硅基光电子集成技术集成并发展了光学和微电子学的固有技术优势，应用领域各市场规模也在不断扩大。

在消费电子领域，硅基光电的大规模集成非常适合消费电子产品的需求，智能传感、移动终端等产品均可利用硅光技术在有限空间集成更多的器件；在光通信领域，随着网络带宽的不断增加，高速率传输技术已经成为光通信领域的研究重点，据统计，2020年用于光通信的硅基光电子收发器市场规模占硅基光电子技术产业总市场的98.9%，其中数据中心是硅基光电子模块目前主要的应用场景，全球互联网流量和带宽需求继续爆炸式增长（根据Equnix统计，2017年-2021年全球互联网带宽容量48%的年复合增长率增长），要求数据中心用光模块速率不断升级，2020年正式进入400G时代，并有望于近年进入800G时代，在带宽升级的进程中，硅光技术的应用将在更低的成本上实现更高的传输速率。在量子通信领域，由于硅光技术保密性强、集成度高、适合复杂光路控制等优势，基于硅基光电的量子通信芯片有望成为量子通信的重要技术方案。此外，硅基光电在激光雷达、智能驾驶、面部识别、高速互联等应用领域均有解决方案。基于以上丰富的应用场景，硅基光电产品凭借尺寸小、成本低、与现有CMOS工艺兼容等优势，未来有着广阔的发展空间，将在不同的细分领域大放异彩，是新一代信息传输和处理技术与各个产业的垂直融合，推动着现代产业融合创新生态圈的形成。

然而，目前国内进行硅基光电子集成研究的企业大多垂直整合能力不足，优势主要集中于设计、后道制程和封装企业，具备光电芯片全流程制备能力的企业寥寥，硅基光电子集成的产业化进展较为缓慢。亟需通过建设硅基光电异质集成研究中心，以从事硅光芯片研发的龙头企业为主体，共同组建硅基光电创新联合体，积极探索硅基光电大规模集成的 CMOS 兼容半导体加工模式，形成基础研究、技术创新、应用拓展、产业集聚、人才汇聚、金融支撑的全产业生态。

五、存在问题与对策建议

综上，硅基光电子学以其独特的优势成为当前集成电路领域研究的热点，结合CMOS工艺，硅基光电的发展趋势将是更高的速率、更低的功耗以及更高集成度，朝着产业化进发。但从行业整体发展来看，要真正实现微电子和光电子在硅基上的融合，还面临着很多难题和挑战。科研储备上，亟需加强光电子集成芯片的工艺能力和基础积累；产业化进程上，目前创新资源比较分散，企业垂直整合能力急缺，亟需通过探索新型举国体制下的央地联动路径打造产业基础创新极，形成硅基光电主题的未来产业发展集群；创新服务上，亟需发挥全流程创新服务能力，提升高技术服务支撑能级；生态建设上，目前联合攻关平台与创新资源融通渠道寥寥，硅基光电的研发成本浪费现象严重，亟需布局创新载体，突出硅基光电龙头企业的主体地位，从产业发展需求出发，推进产学研协同攻关和产业链上下游联合攻关，推动硅基光电产业上下游融合化、集群化、生态化发展。根据以上梳理，本文提出如下对策。

1.“夯基”“补短”双管齐下，提升硅基光电产业基础能级

一是夯实硅基光电学科基础。1）重视高校微电子学、光电子学、半导体物理等核心课程的教育，鼓励与海外高校合作办学、学术交流；2）开展针对硅基光电学科基础难题的研究，针对硅基光电集成技术的波长探测问题、信号调制问题、光源集成问题等关键环节设置基础研究专项，重点开展产业需求导向的科学问题研究并提供相关资金支持，为产业发展提供强大的源头供给和创新要素储备；3）联合高校、企业共同开展基础研究研讨会，鼓励企业参与重要性高、商业化能力差的关键基础研究活动，并给予企业更有吸引力的研发经费税收抵扣政策，加快专利保护、专利授权和专利交易制度的建设，提升基础研发专利变现能力。

二是重点攻关关键共性技术。1）探索新型举国体制的央地协同路径，积极承担国家和省重大项目，积极争取科技部、自然科学基金委等前沿基础研究项目，对于硅基光电集成、硅基异质集成等方向的相关研究给予重点支持；2）汇聚集成电路行业的产业资源，针对当前片上光源、自动化仿真软件以及大规模集成化等一系列共性技术难题和短板环节，组织实施技术攻关专项突围，补齐当前高端芯片制造环节短板；3）支持龙头企业联合上下游企业、高校院所等组建创新联合体，围绕产业链供应链薄弱环节，牵头组织开展关键核心技术攻关，申报国家重大科技项目。重点建设硅光芯片商用工艺线、商用封装线、商用封测线，从产业需求出发，统筹协同创新链和产业链，探索“企业界出题、科技界答题”新机制，抢占高端芯片产业发展制高点。

2. 聚焦产业链融通，加快构建高能级未来先导产业集群

1）围绕硅基光电子领域，依托行业龙头企业、重点高校和科研机构，整合创新资源，打造一批产业创新中心、技术创新中心、制造业创新中心、工程研究中心等市级以上产业（技术）创新平台。2）强化标准引领，推动硅基光电龙头企业主导推进国际标准、国家标准和行业标准制定（修订），支持有条件的企业积极参与标准制定（修订）工作，加入产业标准生态的国际共建。3）聚焦硅基光电产业的优势领域，积极开展产业专利导航，强化专利导航成果对高价值专利培育布局的促进作用推动知识产权与产业发展深度融合。4）梳理硅基光电产业中1-2个细分优势领域，出台产业发展专项政策，培育建设一批产业集群。探索建设硅基光电产业（技术）研究院，加强产业发展趋势和前沿技术研究。谋划建立硅基光电产业集群联盟，推动产业间、区域间协同发展。

3. 完善创新服务流程，建立健全高技术产业服务体系

1）针对硅基光电创新领域，建立科技研发资金与政府引导基金、天使投资引导基金等金融资本的联动机制，加速科技项目成果产业化；2）针对半导体行业投资周期长、资金需求量大的特点，制定相应的税收、融资政策，给予硅基光电公司相应的税收优惠，鼓励银行提供长期贷款；3）完善科技成果常态化路演机制，实现评估、咨询、融资等全链条对接，支持硅基光电企业股权融资、发债、上市等筹资活动；4）加强金融机构与集成电路企业的合作，培育集成电路行业巨头，鼓励企业抓住我国与中日欧贸易紧密趋势，通过并购投资等方式增加国际影响力、打造国际品牌。5）支持产业集群创新和公共服务综合体建设，建立完善产业科技创新、研发服务、检验检测、成果转化、标准认证等公共服务能力。

4. 加快聚集科技要素，培育壮大硅基光电技术创新生态圈

1）搭建硅基光电相关交流促进平台，定期对硅基光电企业进行调研、撰写相关报告，定期举办硅基光电产业交流展会，促进产业内合作；2）鼓励高校、研究所建立硅基光电相关学会，积极参与国际学术交流，鼓励学者挖掘国外优质技术团队，与企业政府合作，共同引入或投资优质项目，对于成功落地的项目给予个人奖励；3）建立“高校+企业”的培养机制，鼓励研究机构、企业参与高校人才培养，秉持“理论和实践相结合”的理念，根据市场需求培养专业化人才；4）建立以创新价值、贡献为导向，有利于科技人才潜心研究和创新的评价体系，加大各类科技奖奖励制度，激发科研人才创造力。