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國科光芯:專注氮化硅硅光技術(shù),探索硅光產(chǎn)業(yè)發(fā)展新路徑

發(fā)布時間:2023-10-12 來源:MEMS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】訪談背景:國科光芯(海寧)科技股份有限公司(簡稱:國科光芯)創(chuàng)立于2019年4月,總部位于浙江海寧,是一家集材料工藝、芯片設(shè)計、集成封裝、光電子器件、應(yīng)用算法、系統(tǒng)集成等綜合能力為一體的國家高新技術(shù)企業(yè)。國科光芯以“為同行者掌燈”為使命,致力于成為全球領(lǐng)先硅光芯片技術(shù)及整體解決方案公司。


作為國內(nèi)為數(shù)不多具備完整工藝能力的基于氮化硅(SiN)的硅光芯片企業(yè),國科光芯以超低損耗氮化硅材料為基礎(chǔ),目前已成功開發(fā)出窄線寬和可調(diào)諧相干光源、FMCW激光雷達(dá)光引擎等芯片及應(yīng)用產(chǎn)品,可廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)(LiDAR)、相干光通信、光纖傳感、光學(xué)相干斷層成像(OCT)等重大前沿領(lǐng)域。2023年9月光博會期間,國科光芯董事長劉敬偉博士將受邀參加由麥姆斯咨詢主辦的『第34屆“微言大義”研討會:3D視覺技術(shù)及應(yīng)用』,并分享《基于氮化硅的硅光芯片在激光雷達(dá)中的應(yīng)用》的主題演講。在此之前,請大家先跟隨麥姆斯咨詢一起了解國科光芯近況。


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國科光芯董事長、CEO劉敬偉博士


麥姆斯咨詢:劉總,您好,2020年我們曾進(jìn)行過一期微訪談(相關(guān)鏈接:《大眾對OPA激光雷達(dá)誤解太多,專訪國科光芯進(jìn)行釋疑!》),非常感謝您再次接受麥姆斯咨詢的采訪!時隔三年,國科光芯有哪些新進(jìn)展與大家分享?實現(xiàn)了哪些重要的里程碑事件?


劉敬偉:時隔三年,感慨頗多。這三年里我們國家和人民艱辛地戰(zhàn)勝了新冠疫情,面對疫情防控和企業(yè)生存發(fā)展,國科光芯始終不忘創(chuàng)業(yè)初心,砥礪奮進(jìn)。我們堅定地圍繞“基于氮化硅(SiN)的硅光芯片”進(jìn)行技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用的布局,并且取得了顯著的發(fā)展成果。主要有以下三個重點發(fā)展里程碑想跟大家分享:


首先,制約國內(nèi)硅光芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不是芯片設(shè)計,而是芯片工藝平臺的自主性。而我們選擇的新一代基于氮化硅的硅光工藝技術(shù)路線更是挑戰(zhàn)巨大,比如因過于依賴國外先進(jìn)芯片工藝平臺,我們流片周期長達(dá)14個月甚至更久,以致于我們在硅光芯片迭代、新技術(shù)/新應(yīng)用拓展層面很難自由發(fā)揮。對于仍處初創(chuàng)期的國科光芯而言,我們深知發(fā)展布局必須立于當(dāng)下、著眼長遠(yuǎn),通過縝密的謀劃和實施,終于在2021年完成了國際先進(jìn)基于氮化硅的硅光工藝的轉(zhuǎn)移,并且于2022年在國內(nèi)將成熟的CMOS量產(chǎn)線完整打通落地,將過去14個月的流片周期壓縮至2個月。應(yīng)該說這就是過去三年里國科光芯發(fā)展最重要的里程碑。


第二個方面就是我們將國外先進(jìn)的相干光源技術(shù)和業(yè)務(wù)進(jìn)行了整合。通過這幾年對激光雷達(dá)尤其下一代FMCW激光雷達(dá)的研究,其中的相干性、線性調(diào)制、功率的增加以及大幅壓縮成本都依賴于光源的解決。因此,掌握成熟的相干集成光源技術(shù)是加快下一代FMCW激光雷達(dá)技術(shù)落地的重中之重?;趯Τ杀緝?yōu)勢、與氮化硅芯片集成兼容性、硅光應(yīng)用拓展等角度考量,我們成功在2023年完成了對荷蘭相干激光器公司CHILAS的相關(guān)業(yè)務(wù)整合工作。整合后,光源不僅可以作為我們單獨一個產(chǎn)品進(jìn)行銷售,更是成為了國科光芯打造基于氮化硅的硅光生態(tài)、拓展相關(guān)應(yīng)用業(yè)務(wù)的核心能力之一。


第三個里程碑,我們進(jìn)一步擴(kuò)展了在消費類激光雷達(dá)業(yè)務(wù)方面的規(guī)?;瘧?yīng)用。累計四年我們實現(xiàn)了每年翻一番的銷售目標(biāo),產(chǎn)品不僅內(nèi)銷陡增,更是外銷至東南亞及歐洲,并且成為國內(nèi)為數(shù)不多能突破百萬臺級以上出貨的傳感器公司。這方面業(yè)務(wù)穩(wěn)定和擴(kuò)展的基礎(chǔ),將加快我們實現(xiàn)硅光技術(shù)芯片降維在非自動駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用落地。


麥姆斯咨詢:國科光芯深耕基于氮化硅的硅光子技術(shù),該技術(shù)具有哪些優(yōu)勢?


劉敬偉:三年前我們討論的氮化硅的一些優(yōu)勢,目前來看是越來越明顯,而且它優(yōu)勢的發(fā)揮也已逐漸得到我們的驗證。同時在這三年期間,一些基于氮化硅的新應(yīng)用也是層出不窮,比如氮化硅技術(shù)在光頻梳上的應(yīng)用、相干光源片上隔離器的集成,甚至于量子級別靈敏度的探測等,這些新應(yīng)用的實現(xiàn)都佐證了氮化硅的優(yōu)勢。


基于氮化硅的硅光技術(shù)不僅具備低損耗、寬光譜、大光功率等眾多單項優(yōu)勢,作為一個強(qiáng)兼容性的平臺型技術(shù),更是易于異質(zhì)混合集成。國際權(quán)威研究機(jī)構(gòu)的多項研究成果表示,可以在氮化硅平臺基礎(chǔ)上高效地把鈮酸鋰(LiNbO?)、磷化銦(InP)、銦鎵砷(InGaAs)等材料進(jìn)行混合集成或異質(zhì)異構(gòu)集成。比如說氮化硅跟鈮酸鋰材料的集成可以實現(xiàn)超快調(diào)制,針對這項研究,國科光芯也做了大量的技術(shù)儲備,將氮化硅跟鈮酸鋰材料結(jié)合,與合作伙伴一起實現(xiàn)了超過100G以上的通信帶寬。


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麥姆斯咨詢:國科光芯申請了哪些核心專利以保護(hù)關(guān)鍵硅光技術(shù)?


劉敬偉:國科光芯目前申請和獲得授權(quán)的專利已經(jīng)超過250項,這些專利涉及范圍非常廣,從材料技術(shù)、設(shè)計、工藝、封裝、系統(tǒng)產(chǎn)品等核心層面都有分布,當(dāng)然也包括了像OPA、FMCW等趨勢性技術(shù)。


麥姆斯咨詢:請您介紹一下前面提到的國科光芯基于氮化硅打造硅光生態(tài)的具體情況,與三年前國科光芯的發(fā)展定位又有何變化?


劉敬偉:這個問題非常好,我也想借此次訪談機(jī)會從三個方面向行業(yè)內(nèi)新老朋友介紹下國科光芯近幾年的發(fā)展變化以及基于氮化硅的硅光生態(tài)系統(tǒng)。


首先,我們基于氮化硅的硅光技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的發(fā)展投入并未止步,準(zhǔn)確說經(jīng)過這幾年的開發(fā),我們更是加大了投入范圍。我們的OPA激光雷達(dá)固態(tài)掃描芯片歷經(jīng)三年多輪流片迭代,目前已處在研究深水區(qū)。


其次,我想先分享下國際前沿硅光子生態(tài)的建設(shè)進(jìn)展。以荷蘭“PhotonDelta”生態(tài)計劃為例,它是荷蘭政府于2018年啟動并以政府出資為主,目前投資規(guī)模達(dá)11億歐元的硅光子芯片(PIC)生態(tài),其愿景是為集成光子學(xué)建立一個生態(tài)系統(tǒng),構(gòu)建整個產(chǎn)業(yè)鏈條一起工作,旨在將荷蘭轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱淮雽?dǎo)體的領(lǐng)導(dǎo)者,就如在光刻機(jī)領(lǐng)域一樣。這項計劃將支持超200家跨境硅光子初創(chuàng)公司建設(shè)和擴(kuò)大規(guī)模生產(chǎn)。該計劃已擴(kuò)展至生物檢測、衛(wèi)星通信、量子計算等前沿應(yīng)用領(lǐng)域。PIC技術(shù)的落地可以克服摩爾定律的預(yù)期限制,并將有助于解決能源可持續(xù)性問題,通俗講這項計劃的誕生意味著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的游戲規(guī)則將發(fā)生變化。


第三,我們確實在今年上半年全面升級了發(fā)展戰(zhàn)略、使命及愿景。正如剛剛在介紹國科光芯的發(fā)展里程碑話題里提到的,基于激光雷達(dá)這幾年的深度研究,以及參考國際上硅光生態(tài)構(gòu)建的成功經(jīng)驗,國科光芯在硅光芯片設(shè)計/流片工藝、封裝、光源、系統(tǒng)集成等核心能力上有了穩(wěn)步布局,我們圍繞著基于氮化硅的硅光技術(shù)、“傳感、數(shù)通、計算”三大應(yīng)用方向,正逐步構(gòu)建出“技術(shù)+應(yīng)用”生態(tài)發(fā)展體系。當(dāng)然,生態(tài)的構(gòu)建與發(fā)展離不開產(chǎn)業(yè)鏈伙伴的攜手奮進(jìn)以及政府和投資者的不懈支持,所以“為同行者掌燈”成為我們可持續(xù)發(fā)展的使命。


麥姆斯咨詢:我們注意到國科光芯官網(wǎng)及您在訪談中都提到的光引擎概念,能否請您做一個詳細(xì)解釋?


劉敬偉:簡單來說光引擎是一個包含著光源、發(fā)射結(jié)構(gòu)和接收結(jié)構(gòu)的集成化芯片及解決方案,類似汽車引擎在汽車中的重要作用,該概念不僅適用于激光雷達(dá),也適用于其他集成光子應(yīng)用。


以車載FMCW激光雷達(dá)為例,這些部分當(dāng)前都有分立結(jié)構(gòu)方案可以實現(xiàn),國科光芯選擇光引擎正是基于氮化硅芯片技術(shù)的兼容性以及高度集成優(yōu)勢,可將分立結(jié)構(gòu)方案的高成本大幅壓縮。我們計劃推出的FMCW激光雷達(dá)光引擎將為激光雷達(dá)提供光學(xué)芯片級的核心光學(xué)部件,當(dāng)客戶拿到我們的光引擎產(chǎn)品,可以非??焖?、低成本組裝出最終的各類激光雷達(dá)模組。


光引擎產(chǎn)品理念同樣適用光通信和其他光傳感領(lǐng)域,正是基于其技術(shù)源頭和生產(chǎn)能力基礎(chǔ)可以復(fù)用,所以我們會繼續(xù)夯實我們在核心能力上的建設(shè),未來應(yīng)用業(yè)務(wù)擴(kuò)展中將更多地以光引擎的形式為行業(yè)和客戶提供服務(wù)。


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麥姆斯咨詢:調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)被業(yè)界認(rèn)為是下一代汽車激光雷達(dá)技術(shù)路線,英特爾(Intel)也投身其中,您如何看待全球FMCW激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)化成熟度?在國內(nèi)方面,與全球領(lǐng)先企業(yè)的差距有多大?主要有哪些薄弱環(huán)節(jié)?


劉敬偉:首先來說這是非??隙ǖ?,F(xiàn)MCW會成為自動駕駛汽車激光雷達(dá)的一個主要技術(shù)路線。在光通信尤其是相干光通信領(lǐng)域,可以為FMCW激光雷達(dá)提供大量成熟技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化落地經(jīng)驗。由此不難理解像英特爾這樣本身硅光技術(shù)及應(yīng)用積累深厚的公司參與,這對激光雷達(dá)行業(yè)發(fā)展來說是很好的訊息。當(dāng)然,距FMCW激光雷達(dá)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一段路要走,制約成熟度的主要因素是仍未構(gòu)建出適用于激光雷達(dá)的硅光技術(shù)成熟體系。我們也希望更多國內(nèi)外知名產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的加入,這將更快推進(jìn)FMCW技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。


同樣,我們也看到國內(nèi)有很多從事硅光芯片技術(shù)研究的公司,也逐步涉足激光雷達(dá)領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。我不認(rèn)為國內(nèi)企業(yè)跟國外領(lǐng)先企業(yè)有很大的差距,在激光雷達(dá)的應(yīng)用里大家研究的都是比較新的技術(shù)。另外,其復(fù)雜度和技術(shù)的選擇,跟光通信還是有些不一樣,雖然技術(shù)源頭很相似,但是應(yīng)用差異性很大,國內(nèi)和國外的公司都在摸索之中。共性的薄弱環(huán)節(jié)也就是主要攻堅的技術(shù)環(huán)節(jié),我認(rèn)為有兩個,第一個就是光源技術(shù),低損耗、高功率、快速調(diào)制的低成本相干光源現(xiàn)在是一個很大的瓶頸,第二個核心環(huán)節(jié)是目前傳統(tǒng)硅光芯片在傳輸損耗上的降低仍然有差距。這兩個薄弱環(huán)節(jié)從技術(shù)參數(shù)來說主要體現(xiàn)在兩個方面:測量距離不夠、點頻數(shù)不夠。這兩個“不夠”都依賴于光源和芯片全架構(gòu)損耗的大幅降低加以解決。上述瓶頸恰好都可以通過基于氮化硅的硅光技術(shù)來解決,這也正是為什么國科光芯堅定發(fā)展自己技術(shù)路線的原因。


麥姆斯咨詢:FMCW與光學(xué)相控陣(OPA)的結(jié)合,有望實現(xiàn)片上激光雷達(dá)(LiDAR-on-a-Chip),并可借助CMOS制造工藝極大降低成本和體積,提升可靠性。您認(rèn)為這一目標(biāo)還面臨著哪些挑戰(zhàn)?預(yù)計何時能夠量產(chǎn)落地?


劉敬偉:正如前面所說,近幾年國科光芯在OPA技術(shù)路線上取得了不少的進(jìn)展,同時也對OPA技術(shù)進(jìn)行了一些深度的思考。實現(xiàn)全固態(tài)的激光雷達(dá)是全行業(yè)共同的發(fā)展目標(biāo),經(jīng)過這幾年的發(fā)展也有了很多的一些選擇,比如說焦平面技術(shù)、波長調(diào)諧掃描技術(shù)等,這些技術(shù)我們都有在深入研發(fā),我們認(rèn)為可能更好的方式是兩種或者多種固態(tài)掃描方式的集成。在實現(xiàn)一個全固態(tài)激光雷達(dá)目的基礎(chǔ)上,提煉出一個真正適合于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的、完整的解決方案,這是我們目前的看法。當(dāng)然不管是哪種掃描技術(shù),都要基于CMOS工藝來極大降低它的成本和體積,這是毋庸置疑的。


我們更多還是考慮全固態(tài)方案,OPA是其中一種選擇或一種組合選擇。當(dāng)前MEMS混合固態(tài)以及機(jī)械掃描的方式也在逐步地發(fā)展,它的成本、可靠性都得到了很大的改善,全固態(tài)的方案目前面臨的問題還是落地成本相較當(dāng)前主流技術(shù)太高。我們需要更仔細(xì)地去考慮一種組合掃描方式實現(xiàn)全固態(tài),國科光芯將持續(xù)加大在這方面的研究投入。針對當(dāng)前的應(yīng)用需求,我們將先把基于硅光芯片的FMCW技術(shù)產(chǎn)品推出應(yīng)用,為進(jìn)一步實現(xiàn)全固態(tài)的FMCW方案打好基礎(chǔ),我預(yù)計兩者可能會相差3~5年左右。


麥姆斯咨詢:去年,國科光芯激光雷達(dá)事業(yè)部正式推出了dToF系列激光雷達(dá)產(chǎn)品,并實現(xiàn)了量產(chǎn)。請介紹一下該產(chǎn)品主要性能參數(shù)及市場前景如何?


劉敬偉:去年我們針對消費級市場開發(fā)并量產(chǎn)了兩款dToF產(chǎn)品(Mini-T4、Coin-D4),這是我們繼三角測距法幾款產(chǎn)品之后的又一重要突破,市場反饋非常好,已銷往國內(nèi)及海外眾多市場。dToF系列產(chǎn)品在原理特性上有天然的優(yōu)勢,并且我們?yōu)榭蛻籼峁┝讼噍^同業(yè)競品更高的4kHz精準(zhǔn)點云,給予場景應(yīng)用策略更多可能。幾乎可以肯定的是,我們今年dToF產(chǎn)品銷量會全面超越三角法。當(dāng)然,技術(shù)是不斷演進(jìn)的,我們也在不斷關(guān)注和嘗試更多的可能性。


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麥姆斯咨詢:在消費電子和汽車電子兩大激光雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域,國科光芯的市場戰(zhàn)略如何?


劉敬偉:正如三年前我們的交流,國科光芯創(chuàng)業(yè)之初制定的“技術(shù)+應(yīng)用”發(fā)展戰(zhàn)略中已經(jīng)對硅光下沉作了深遠(yuǎn)的思考和布局。消費級市場擁有快速應(yīng)用和大規(guī)模需求的先天優(yōu)勢,這對我們潛心開發(fā)包括消費級、車載激光雷達(dá)等硅光應(yīng)用芯片及芯片低成本、規(guī)模量產(chǎn)化提供了很好的戰(zhàn)略互補和支撐作用。這也是為什么我們把消費級市場規(guī)?;晒鳛榻臧l(fā)展重要里程碑之一的原因。


結(jié)合上述提及核心能力的夯實、芯片及光引擎產(chǎn)品的開發(fā)成果、消費級產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ),我們也在更多地嘗試將基于氮化硅的硅光技術(shù)下沉應(yīng)用至消費電子、工業(yè)、車載等領(lǐng)域。


麥姆斯咨詢:請您暢談國科光芯的下一個目標(biāo)里程碑或未來五年規(guī)劃設(shè)想?


劉敬偉:國科光芯未來五年的目標(biāo)分幾個方面闡述:首先,會加大力度持續(xù)夯實我們核心能力層面的構(gòu)建,其中包括了核心材料生長、先進(jìn)封裝技術(shù)、集成光源以及圍繞更多應(yīng)用的系統(tǒng)集成能力;其次,短期內(nèi)會集中精力推進(jìn)相干光源、光纖傳感激光器、FMCW激光雷達(dá)光引擎等產(chǎn)品的加快落地,繼續(xù)推動大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。不管怎么說,將技術(shù)快速落地是企業(yè)發(fā)展首先需要考慮的問題,在此基礎(chǔ)上基于硅光芯片規(guī)?;瘧?yīng)用效益及經(jīng)驗,未來我們會圍繞三大應(yīng)用方向(傳感、數(shù)通、計算)繼續(xù)開發(fā)、擴(kuò)展其他技術(shù)和產(chǎn)品。


麥姆斯咨詢:2023年9月,您將參加『第34屆“微言大義”研討會:3D視覺技術(shù)及應(yīng)用』并發(fā)表主題演講,是否可以先給大家劇透一些內(nèi)容?


劉敬偉:首先感謝主辦方的再次邀約參與本次“微言大義”研討會,今年還是會像三年前一樣跟大家分享一些我們對激光雷達(dá)尤其是基于氮化硅的硅光芯片技術(shù)在FMCW激光雷達(dá)應(yīng)用層面的認(rèn)識和感受。另外,也會跟大家分享一下國科光芯在這一應(yīng)用方面的最新成果。


來源:王懿,MEMS



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