帶您認識您不知道的半導體晶圓（四）今日分享PLC光電晶圓

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1.高價回收

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近幾年半導體行業快速發展，帶動內地一批晶圓投資熱，國產化設備與材料趨勢，讓很多人楚楚欲動，很多企業已提前布局進入，從2017年semicon和慕尼黑電子展參加企業可以看出，半導體投資熱。

其實半導體晶圓，除了最近興建12寸矽晶圓，還有您可能不知道晶圓，筆者收集了其他化合物晶圓介紹，（包含氮化鎵、砷化鎵、碳化矽、PLC光電晶圓/MEMS）希望對於大家真正全面了解半導體晶圓，有所幫助！

今日分享PLC光電晶圓！歡迎大家指正！

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光分路器晶圓基於平面光波導技術，在石英襯底上通過生長、光刻、刻蝕等工藝最終製造出不同通道數目的光分路器晶圓。

分別包括2、4、8、16、32和64通道。

光分路器晶圓通過粘片、切割、研磨和拋光等工藝得到高性能、高成品率、高穩定性的光分路器晶片。

PLC光分路器的核心組件是晶片，晶片由晶圓切割而來，晶片及晶圓的核心技術曾一度掌握在日韓廠商手中，比如日本的NEL，韓 國 的Fi-ra（被Ignis收購， Ignis後被Finisar收購）、PPI和Wooriro，2008年這四家日韓企業在全球PLC光分路器晶圓廠商中的市場份額高達85%。

由於日本廠商很少對外出口晶圓，因此在中國PLC光分路器晶圓國產化成功之前，國內廠商主要從韓國進口晶圓後自行切割成為晶片或直接進口晶片，進而進行加工封裝為PLC光分路器。

近幾年，隨著國內PLC光分路器需求量的不斷增大，國內市場對PLC光分路器晶圓的需求不斷增長。

國內廠商為抓住這個發展機遇，開展並加快了國產晶圓的研發。

包括鴻輝光通在內的幾家廠商已經掌握了晶圓生產的核心技術，國產PLC光分路器晶圓逐步從小批量試生產階段走向量產，為國內PLC光分路器市場的發展開闢了新的契機。

現階段，宣告掌握晶圓技術的國內PLC光分路器晶圓的廠商包括鴻輝光通、尚能光電、仕佳光子等，國產晶圓正在逐步取代進口。

2013年，國內PLC光分路器晶圓需求量約為7,125片/月。

隨著國內市場PLC光分路器總需求量的增長，預計到2018年，國內PLC光分路器晶圓需求量將增長至22,883片/月。

雖然我國早已成為PLC分路器的製造大國，但其PLC晶片的製造一直受到國外晶圓廠的制約。

經過近些年的努力，國內一些企業已經掌握了晶圓製造工藝並實現量產。

雖然由於PLC晶圓製造的投資和運營成本巨大，同時與國外廠商在價格上沒有明顯的優勢，似乎國產PLC晶圓從誕生之日起就危機重重，但PLC晶圓國產化依舊是值得業內喝彩的一件大事。

影響國產PLC晶圓市場拓展的主要因素在於PLC晶圓價格的不斷下滑，這對於國內晶圓廠商打擊較大。

一方面國內ODN的市場價格在大幅下降，這也要求PLC晶圓的價格繼續下降；另一方面，日韓等廠商今年大幅下調了PLC晶圓的價格，從年初的1800美元/片，降至現在的700美元/片，使晶圓的利潤空間被壓縮，這對於新起國產廠商的發展帶來巨大壓力。

仕佳光子研發總監安俊明不無隱憂地表示，整個ODN市場的不景氣對於PLC晶圓廠商的影響也非常大，運營商集采量的減少也讓國內的光通信產業的發展放緩。

高投入、低回報的窘境

對於ODN產業而言，中國的光通信廠商很少涉足上游核心器件領域，很多國內的光器件廠商僅停留在封裝、切割層面，在核心技術領域還未有滲透。

烽火通信ODN技術專家趙暘指出，國內廠商在光器件的領域的布局為部分開發、部分引進，目前的現狀是以技術引進為主導。

從PLC晶圓來看，這一領域的研發投入成本非常高，這也是國內長久以來一直少有廠商研發的重要原因。

目前國內很多ODN廠商的PLC晶圓都是從日韓等國進口，包括烽火的PLC晶圓也是從日本進口為主。

從國際上來看，日本、韓國研發較早，技術、工藝等都較為成熟，一直占據市場壟斷地位，而且前幾年的晶圓價格一直保持高價，成本回收已基本實現。

而今年以來，日韓光通信廠商都降低了PLC晶圓的價格，導致了毛利率的進一步下降。

反觀國內幾家已突破PLC晶圓製造工藝的廠商，在該項工藝的研發投入資金都非常大，基本都在億元人民幣的級別，而且耗時較長，同時有部分企業憑藉自身的有限資金，冒著巨大的投入風險在攻克這一工藝，核心技術艱難突破後，又面對如今PLC晶圓價格的大幅下降，一時之間難免遭受發展困境。

擴大產能 搶占市場份額

雖然PLC晶圓的價格在不斷下降，然而國內仍然有較好的發展環境，尤其是在寬頻中國戰略等政策的推動下，對於未來幾年的產業發展都將有較大的利好作用。

對於國內的寬頻市場發展依然保持樂觀態度，認為寬頻中國戰略的政策影響將對未來5年內的寬頻市場起到積極的推動作用，雖然目前運營商在寬頻建設的部署放緩，然而未來5年仍將保持較大的增長幅度，長遠來看，整個市場的需求量仍然是非常大的。

與此同時，對於國內的PLC晶圓廠商而言，多數廠商的產能仍然有限，國產PLC晶圓所占的市場份額微乎其微，整個市場仍處於供不應求的局面，當務之急主要在於擴大產能，提高市場份額占比。

現在國內PLC晶圓廠商對於日韓等相關企業仍不具威脅性，只有當國內PLC晶圓的產能達到市場需求的一半比重時，才會形成與日韓等企業的正面競爭關係，同時隨著競爭的進一步加劇，整個晶圓的成本也會迅速下降。

國產晶圓認可度迅速攀升

隨著國內幾家晶圓廠商推出各自的PLC晶圓產品，國內ODN廠商都對此保持了較高的關注度，在進行了系列性能測試後，已經開始採購國產PLC晶圓。

如杭州天野的PLC晶圓目前處於供不應求的局面，同時產品質量也得到了各ODN廠商的認可。

國內廠商中對於PLC晶圓要求最高的廠商當屬華為。

另外值得一提的是，對於日後與日韓企業的正面競爭，依然有信心與之一較長短。

其一，日本的PLC晶圓直徑以4英寸為主，韓國的晶圓多為6英寸，而天野通信的PLC晶圓直徑則達到8英寸，這確保了單一晶圓可切割數量的優勢；其二，日韓等國的勞動力成本要明顯高於中國，國產晶圓廠商可進一步控制生產成本。

光學整合是一種將雷射器、光電檢測器、分光器或濾波器等多種光學元件微型化，並整合於一個光子晶片(IC)中的技術。

以成熟度來看，儘管光學整合技術大約較電子整合落後30年，但它仍是一種快速進展的技術。

光學整合在2000年的網路泡沫化時代歷經最佳的發展，當時約有數百萬種用於光纖網路的被動光學元件開始被整合於以矽製造的平面光波電路(PLC)中。

如今，有多種成熟的材料平台可用於無晶圓廠(Fabless)的晶片開發，每一種都具有不同的卓越特性：PLC的優點是低損耗和低成本被動電路；矽(Si)的優點在於高密度和CMOS相容性；磷化銦(InP)能夠在晶片上產生以及放大光路；而氮化矽(Si3N4)則具有低損耗和高密度的特性。

雖然磷化銦和矽平台通常針對作業於C波段(約1550nm)和O波段(約1310nm)的光纖通訊波長範圍進行了最佳化，但PLC和氮化矽則能作業於低至400nm的可見光波長範圍，目前有許多感測和生物醫學應用都作業於這一範圍。

在選擇了能夠滿足目標應用要求的材料平台後，設計人員接著還必須選擇一家特定的代工廠，或是讓有經驗的IC設計公司(如VLC Photonics)協助選擇。

光子晶片設計的第一步是根據波導幾何形狀確定沿著電路傳導的光學模式。

在這個階段通常會執行全面的頻域分析，計算色散、群速、群指數、傳播損耗、有效折射率等光學參數，並考慮某些邊界條件(如周期性、對稱、非對稱與金屬特性等)。

常用方法是有限差分(FD)、薄膜模式匹配(FMM)、有限元素法(FEM)、關聯法或高斯模式光纖解算器等，目前已有多種建置這些方法的商用軟體工具，如PhoeniX Software或Photon Design等。

下一步是這些光模型沿著組成電路的元件進行傳播。

雖然可採用多種方法(BEP、特徵模式擴張、傳遞矩陣、分離-階躍)，但最常用的方法是光束傳播方法(BPM)和時域中的有限差分(FDTD)方法。

第一種方法用於緩慢變化的非均勻波導結構(如錐體、彎管、耦合器)中的光線傳播，可以在近軸途徑下實現純量(scalar)或向量(vector)總場(而非模場)的單向或雙向傳播。

第二種FDTD方法是與時間相關的Maxwell等式在網格上的一種離散表現，透過將系統的時間變化響應進行傅利葉轉換為輸入，並在單次模擬中擷取到較寬頻寬的響應。

這是一種真正全向性的方法，但具有運算密集的特性，通常要求高度最佳化。

一旦這兩個步驟完成後，就可以在時域或頻域上進行完整的電路模擬。

不僅能實現光子電路的功能性設計驗證，還能最佳化元件及其連線能力，以及評估容差與虛擬實驗。

同樣地，市場上有好幾種這方面的商用工具，如Filarete的ASPIC或VPIcomponentMaker，設計公司也能協助為模擬每個階段選擇最合適的工具，或是檢查所需要的建模和模擬工作。

最後一步是在光子的電腦輔助設計(CAD)工具中布局電路，輸出具有分層資訊的標準GDSII檔案。

在此使用參數化晶片和光罩布局非常重要，因為這能避免任何可能影響連續性的人工繪製或布局錯誤，以簡化布線作業。

大多數光學代工廠提供的製程設計套件(PDK)可用於其平台上實現最常用的建構模組，如連接光纖埠的直線波導(帶和條)、彎管、多模干擾耦合器、光柵耦合器和邊緣耦合器，以及光電二極體、半導體光學放大器、調變器、加熱器和DBR或DFB雷射器等主動元件。

這種PDK使用標準語言以及透過PDA標準流程的統一架構，支持多家EDA供應商工具之間的互通性，其中的構建模組通常包括參數化元件布局，也稱之為pCell。

由於製造光子晶片需要大量的時間與資成本，設計公司也提供自家的設計庫，?補強其代工廠PDK，並協助設計驗證和規則檢查，這對於降低整個開發風險至關重要。

總之，在整個設計過程結束時，不僅要將布局設計交給代工廠，隨後還必須在製造的晶粒上進行光學表征，並將設計模型反饋至模擬工具中，以驗證系統功能和製造容差。

在開發最終需要投產的任何複雜系統時，這對於反覆最佳化光子電路可說是關鍵的一步。

當製造的晶片數量超過一定值時，建議利用測試公司提供的自動化表征裝置和量測設備，以便加快進程，並獲得可靠和一致的資訊。

最後，在設計光子晶片時還有許多其它因素要考慮，如測試要求、封裝標準或最佳實踐，以及特殊的設計要求、捷徑和以及每家具體代工廠有關的最佳化等。

設計公司通常不僅提供設計，還提供測試服務，例如VLC Photonics可支援在所有主要的材料平台上開發任何的光子晶片，過去十年來在整個無晶圓廠生態系統中也收穫甚豐。

國內市場PLC光分路器晶圓月需求量（片）

2009-2018國內外PLC光分路器晶圓市場規模（萬元）

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