国科光芯：专注氮化硅硅光技术，探索硅光产业发展新路径
【导读】访谈背景：国科光芯（海宁）科技股份有限公司（简称：国科光芯）创立于2019年4月，总部位于浙江海宁，是一家集材料工艺、芯片设计、集成封装、光电子器件、应用算法、系统集成等综合能力为一体的国家高新技术企业。国科光芯以“为同行者掌灯”为使命，致力于成为全球领先硅光芯片技术及整体解决方案公司。
作为国内为数不多具备完整工艺能力的基于氮化硅（SiN）的硅光芯片企业，国科光芯以超低损耗氮化硅材料为基础，目前已成功开发出窄线宽和可调谐相干光源、FMCW激光雷达光引擎等芯片及应用产品，可广泛应用于激光雷达（LiDAR）、相干光通信、光纤传感、光学相干断层成像（OCT）等重大前沿领域。2023年9月光博会期间，国科光芯董事长刘敬伟博士将受邀参加由麦姆斯咨询主办的『第34届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』，并分享《基于氮化硅的硅光芯片在激光雷达中的应用》的主题演讲。在此之前，请大家先跟随麦姆斯咨询一起了解国科光芯近况。
国科光芯董事长、CEO刘敬伟博士
麦姆斯咨询：刘总，您好，2020年我们曾进行过一期微访谈（相关链接：《大众对OPA激光雷达误解太多，专访国科光芯进行释疑！》），非常感谢您再次接受麦姆斯咨询的采访！时隔三年，国科光芯有哪些新进展与大家分享？实现了哪些重要的里程碑事件？
刘敬伟：时隔三年，感慨颇多。这三年里我们国家和人民艰辛地战胜了新冠疫情，面对疫情防控和企业生存发展，国科光芯始终不忘创业初心，砥砺奋进。我们坚定地围绕“基于氮化硅（SiN）的硅光芯片”进行技术及相关应用的布局，并且取得了显著的发展成果。主要有以下三个重点发展里程碑想跟大家分享：
首先，制约国内硅光芯片产业发展的不是芯片设计，而是芯片工艺平台的自主性。而我们选择的新一代基于氮化硅的硅光工艺技术路线更是挑战巨大，比如因过于依赖国外先进芯片工艺平台，我们流片周期长达14个月甚至更久，以致于我们在硅光芯片迭代、新技术/新应用拓展层面很难自由发挥。对于仍处初创期的国科光芯而言，我们深知发展布局必须立于当下、着眼长远，通过缜密的谋划和实施，终于在2021年完成了国际先进基于氮化硅的硅光工艺的转移，并且于2022年在国内将成熟的CMOS量产线完整打通落地，将过去14个月的流片周期压缩至2个月。应该说这就是过去三年里国科光芯发展最重要的里程碑。
第二个方面就是我们将国外先进的相干光源技术和业务进行了整合。通过这几年对激光雷达尤其下一代FMCW激光雷达的研究，其中的相干性、线性调制、功率的增加以及大幅压缩成本都依赖于光源的解决。因此，掌握成熟的相干集成光源技术是加快下一代FMCW激光雷达技术落地的重中之重。基于对成本优势、与氮化硅芯片集成兼容性、硅光应用拓展等角度考量，我们成功在2023年完成了对荷兰相干激光器公司CHILAS的相关业务整合工作。整合后，光源不仅可以作为我们单独一个产品进行销售，更是成为了国科光芯打造基于氮化硅的硅光生态、拓展相关应用业务的核心能力之一。
第三个里程碑，我们进一步扩展了在消费类激光雷达业务方面的规模化应用。累计四年我们实现了每年翻一番的销售目标，产品不仅内销陡增，更是外销至东南亚及欧洲，并且成为国内为数不多能突破百万台级以上出货的传感器公司。这方面业务稳定和扩展的基础，将加快我们实现硅光技术芯片降维在非自动驾驶领域的应用落地。
麦姆斯咨询：国科光芯深耕基于氮化硅的硅光子技术，该技术具有哪些优势？
刘敬伟：三年前我们讨论的氮化硅的一些优势，目前来看是越来越明显，而且它优势的发挥也已逐渐得到我们的验证。同时在这三年期间，一些基于氮化硅的新应用也是层出不穷，比如氮化硅技术在光频梳上的应用、相干光源片上隔离器的集成，甚至于量子级别灵敏度的探测等，这些新应用的实现都佐证了氮化硅的优势。
基于氮化硅的硅光技术不仅具备低损耗、宽光谱、大光功率等众多单项优势，作为一个强兼容性的平台型技术，更是易于异质混合集成。国际权威研究机构的多项研究成果表示，可以在氮化硅平台基础上高效地把铌酸锂（LiNbO?）、磷化铟（InP）、铟镓砷（InGaAs）等材料进行混合集成或异质异构集成。比如说氮化硅跟铌酸锂材料的集成可以实现超快调制，针对这项研究，国科光芯也做了大量的技术储备，将氮化硅跟铌酸锂材料结合，与合作伙伴一起实现了超过100G以上的通信带宽。
麦姆斯咨询：国科光芯申请了哪些核心专利以保护关键硅光技术？
刘敬伟：国科光芯目前申请和获得授权的专利已经超过250项，这些专利涉及范围非常广，从材料技术、设计、工艺、封装、系统产品等核心层面都有分布，当然也包括了像OPA、FMCW等趋势性技术。
麦姆斯咨询：请您介绍一下前面提到的国科光芯基于氮化硅打造硅光生态的具体情况，与三年前国科光芯的发展定位又有何变化？
刘敬伟：这个问题非常好，我也想借此次访谈机会从三个方面向行业内新老朋友介绍下国科光芯近几年的发展变化以及基于氮化硅的硅光生态系统。
首先，我们基于氮化硅的硅光技术在激光雷达领域的发展投入并未止步，准确说经过这几年的开发，我们更是加大了投入范围。我们的OPA激光雷达固态扫描芯片历经三年多轮流片迭代，目前已处在研究深水区。
其次，我想先分享下国际前沿硅光子生态的建设进展。以荷兰“PhotonDelta”生态计划为例，它是荷兰政府于2018年启动并以政府出资为主，目前投资规模达11亿欧元的硅光子芯片（PIC）生态，其愿景是为集成光子学建立一个生态系统，构建整个产业链条一起工作，旨在将荷兰转变为下一代半导体的领导者，就如在光刻机领域一样。这项计划将支持超200家跨境硅光子初创公司建设和扩大规模生产。该计划已扩展至生物检测、卫星通信、量子计算等前沿应用领域。PIC技术的落地可以克服摩尔定律的预期限制，并将有助于解决能源可持续性问题，通俗讲这项计划的诞生意味着半导体技术发展的游戏规则将发生变化。
第三，我们确实在今年上半年全面升级了发展战略、使命及愿景。正如刚刚在介绍国科光芯的发展里程碑话题里提到的，基于激光雷达这几年的深度研究，以及参考国际上硅光生态构建的成功经验，国科光芯在硅光芯片设计/流片工艺、封装、光源、系统集成等核心能力上有了稳步布局，我们围绕着基于氮化硅的硅光技术、“传感、数通、计算”三大应用方向，正逐步构建出“技术+应用”生态发展体系。当然，生态的构建与发展离不开产业链伙伴的携手奋进以及政府和投资者的不懈支持，所以“为同行者掌灯”成为我们可持续发展的使命。
麦姆斯咨询：我们注意到国科光芯官网及您在访谈中都提到的光引擎概念，能否请您做一个详细解释？
刘敬伟：简单来说光引擎是一个包含着光源、发射结构和接收结构的集成化芯片及解决方案，类似汽车引擎在汽车中的重要作用，该概念不仅适用于激光雷达，也适用于其他集成光子应用。
以车载FMCW激光雷达为例，这些部分当前都有分立结构方案可以实现，国科光芯选择光引擎正是基于氮化硅芯片技术的兼容性以及高度集成优势，可将分立结构方案的高成本大幅压缩。我们计划推出的FMCW激光雷达光引擎将为激光雷达提供光学芯片级的核心光学部件，当客户拿到我们的光引擎产品，可以非常快速、低成本组装出最终的各类激光雷达模组。
光引擎产品理念同样适用光通信和其他光传感领域，正是基于其技术源头和生产能力基础可以复用，所以我们会继续夯实我们在核心能力上的建设，未来应用业务扩展中将更多地以光引擎的形式为行业和客户提供服务。
麦姆斯咨询：调频连续波（FMCW）被业界认为是下一代汽车激光雷达技术路线，英特尔（Intel）也投身其中，您如何看待全球FMCW激光雷达产业化成熟度？在国内方面，与全球领先企业的差距有多大？主要有哪些薄弱环节？
刘敬伟：首先来说这是非常肯定的，FMCW会成为自动驾驶汽车激光雷达的一个主要技术路线。在光通信尤其是相干光通信领域，可以为FMCW激光雷达提供大量成熟技术和产业化落地经验。由此不难理解像英特尔这样本身硅光技术及应用积累深厚的公司参与，这对激光雷达行业发展来说是很好的讯息。当然，距FMCW激光雷达大规模产业化还有一段路要走，制约成熟度的主要因素是仍未构建出适用于激光雷达的硅光技术成熟体系。我们也希望更多国内外知名产业链企业的加入，这将更快推进FMCW技术在激光雷达领域的广泛应用。
同样，我们也看到国内有很多从事硅光芯片技术研究的公司，也逐步涉足激光雷达领域的研究开发工作。我不认为国内企业跟国外领先企业有很大的差距，在激光雷达的应用里大家研究的都是比较新的技术。另外，其复杂度和技术的选择，跟光通信还是有些不一样，虽然技术源头很相似，但是应用差异性很大，国内和国外的公司都在摸索之中。共性的薄弱环节也就是主要攻坚的技术环节，我认为有两个，第一个就是光源技术，低损耗、高功率、快速调制的低成本相干光源现在是一个很大的瓶颈，第二个核心环节是目前传统硅光芯片在传输损耗上的降低仍然有差距。这两个薄弱环节从技术参数来说主要体现在两个方面：测量距离不够、点频数不够。这两个“不够”都依赖于光源和芯片全架构损耗的大幅降低加以解决。上述瓶颈恰好都可以通过基于氮化硅的硅光技术来解决，这也正是为什么国科光芯坚定发展自己技术路线的原因。
麦姆斯咨询：FMCW与光学相控阵（OPA）的结合，有望实现片上激光雷达（LiDAR-on-a-Chip），并可借助CMOS制造工艺极大降低成本和体积，提升可靠性。您认为这一目标还面临着哪些挑战？预计何时能够量产落地？
刘敬伟：正如前面所说，近几年国科光芯在OPA技术路线上取得了不少的进展，同时也对OPA技术进行了一些深度的思考。实现全固态的激光雷达是全行业共同的发展目标，经过这几年的发展也有了很多的一些选择，比如说焦平面技术、波长调谐扫描技术等，这些技术我们都有在深入研发，我们认为可能更好的方式是两种或者多种固态扫描方式的集成。在实现一个全固态激光雷达目的基础上，提炼出一个真正适合于产业化应用的、完整的解决方案，这是我们目前的看法。当然不管是哪种扫描技术，都要基于CMOS工艺来极大降低它的成本和体积，这是毋庸置疑的。
我们更多还是考虑全固态方案，OPA是其中一种选择或一种组合选择。当前MEMS混合固态以及机械扫描的方式也在逐步地发展，它的成本、可靠性都得到了很大的改善，全固态的方案目前面临的问题还是落地成本相较当前主流技术太高。我们需要更仔细地去考虑一种组合扫描方式实现全固态，国科光芯将持续加大在这方面的研究投入。针对当前的应用需求，我们将先把基于硅光芯片的FMCW技术产品推出应用，为进一步实现全固态的FMCW方案打好基础，我预计两者可能会相差3~5年左右。
麦姆斯咨询：去年，国科光芯激光雷达事业部正式推出了dToF系列激光雷达产品，并实现了量产。请介绍一下该产品主要性能参数及市场前景如何？
刘敬伟：去年我们针对消费级市场开发并量产了两款dToF产品（Mini-T4、Coin-D4），这是我们继三角测距法几款产品之后的又一重要突破，市场反馈非常好，已销往国内及海外众多市场。dToF系列产品在原理特性上有天然的优势，并且我们为客户提供了相较同业竞品更高的4kHz精准点云，给予场景应用策略更多可能。几乎可以肯定的是，我们今年dToF产品销量会全面超越三角法。当然，技术是不断演进的，我们也在不断关注和尝试更多的可能性。
麦姆斯咨询：在消费电子和汽车电子两大激光雷达应用领域，国科光芯的市场战略如何？
刘敬伟：正如三年前我们的交流，国科光芯创业之初制定的“技术+应用”发展战略中已经对硅光下沉作了深远的思考和布局。消费级市场拥有快速应用和大规模需求的先天优势，这对我们潜心开发包括消费级、车载激光雷达等硅光应用芯片及芯片低成本、规模量产化提供了很好的战略互补和支撑作用。这也是为什么我们把消费级市场规模化成果作为近三年发展重要里程碑之一的原因。
结合上述提及核心能力的夯实、芯片及光引擎产品的开发成果、消费级产品的产业化基础，我们也在更多地尝试将基于氮化硅的硅光技术下沉应用至消费电子、工业、车载等领域。
麦姆斯咨询：请您畅谈国科光芯的下一个目标里程碑或未来五年规划设想？
刘敬伟：国科光芯未来五年的目标分几个方面阐述：首先，会加大力度持续夯实我们核心能力层面的构建，其中包括了核心材料生长、先进封装技术、集成光源以及围绕更多应用的系统集成能力；其次，短期内会集中精力推进相干光源、光纤传感激光器、FMCW激光雷达光引擎等产品的加快落地，继续推动大规模产业化。不管怎么说，将技术快速落地是企业发展首先需要考虑的问题，在此基础上基于硅光芯片规模化应用效益及经验，未来我们会围绕三大应用方向（传感、数通、计算）继续开发、扩展其他技术和产品。
麦姆斯咨询：2023年9月，您将参加『第34届“微言大义”研讨会：3D视觉技术及应用』并发表主题演讲，是否可以先给大家剧透一些内容？
刘敬伟：首先感谢主办方的再次邀约参与本次“微言大义”研讨会，今年还是会像三年前一样跟大家分享一些我们对激光雷达尤其是基于氮化硅的硅光芯片技术在FMCW激光雷达应用层面的认识和感受。另外，也会跟大家分享一下国科光芯在这一应用方面的最新成果。
来源：王懿，MEMS
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