2023年光模塊行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析：硅光技術(shù)開啟高速與高集成度傳輸時代

• 馮少杰 2024年1月4日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 308 12
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光通信是整個通信網(wǎng)絡(luò)的支柱和底座。相較以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)，光通信具有通信容量大、傳輸距離遠、信號串?dāng)_小、抗電磁干擾等優(yōu)點，是當(dāng)前全球最主流的信息傳輸方式之一。光通信器件產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游光芯片組件、中游光器件模組以及下游光通信設(shè)備、電信、數(shù)通設(shè)備等應(yīng)用。

以太網(wǎng)：通過銅線傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有速度快、可靠性高等優(yōu)點，主要用于局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸；

無線網(wǎng)絡(luò)：通過無線電波傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有靈活性和可移動性，主要用于移動設(shè)備和遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸；

光通信：通過光纖傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有高帶寬、低延遲、抗干擾等優(yōu)點，主要用于中長距離、高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸。

光模塊（OpticalModules）是實現(xiàn)光信號傳輸過程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件，是光通信中的重要組成部分。光模塊的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢正向著“高速率、低成本、低功耗”發(fā)展。目前，光模塊應(yīng)用速率正從10G~40G向100G~400G升級，400G~800G技術(shù)的研發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用進程加快，并進一步向更高速的1.6T速率發(fā)展。

根據(jù)中研普華研究院撰寫的《2024-2029年中國光模塊行業(yè)市場深度調(diào)研及投資策略預(yù)測報告》顯示：

數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展拉動全球光模塊需求。光模塊是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)的核心部件，隨著全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心持續(xù)建設(shè)，其需求不斷被拉升：根據(jù)Lightcounting預(yù)計，全球光模塊市場規(guī)模在2020年達到81億美元市場規(guī)模，并將在2026年進一步增長至176億美元（較2020年，+117.3%）。

圖表：數(shù)據(jù)中心發(fā)展帶動全球光模塊市場規(guī)模逐年遞增

數(shù)據(jù)來源：Lightcounting

光芯片是光模塊等光電子器件的主要組成部分，是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的核心。

電光轉(zhuǎn)換由光芯片實現(xiàn)，決定了信息傳輸速度和可靠性?，F(xiàn)代光通信系統(tǒng)是以光信號為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)，同時由于一般電子設(shè)備僅能識別電信號，需要光芯片進行電光轉(zhuǎn)換，將傳輸信息系統(tǒng)中的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片。

首先發(fā)射端通過激光器內(nèi)的光芯片進行電光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng)過光纖傳輸至接收端；

接收端通過探測器內(nèi)的光芯片進行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為一般設(shè)備能夠識別的電信號；

其中，核心的光電轉(zhuǎn)換功能由激光器和探測器內(nèi)的光芯片來實現(xiàn)，光芯片直接決定了信息的傳輸速度和可靠性；

當(dāng)前由于更高速率的光模塊往往由多個中低速率光芯片組合實現(xiàn)，隨著光模塊速率的提升，光芯片在光模塊的成本占比亦在不斷提升。

（一）成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在超大規(guī)模、高度集成化、極小制造上已有成熟工藝積累

全球半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷超50年、數(shù)千億美元的建設(shè)已累積成熟的集成制造工藝，將成熟、發(fā)達的半導(dǎo)體集成電路工藝資源應(yīng)用集成光器件上來，集成光學(xué)的工業(yè)水平會極大提高，成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已為硅光結(jié)合提供堅實基礎(chǔ)。

（二）高速增長的新需求呼喚更高速、更大帶寬的光通信技術(shù)

隨著5G（蜂窩5G）、F5G（固網(wǎng)5G）的持續(xù)發(fā)展，4K/8K超高清視頻的普及，現(xiàn)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流量正以每年30%~40%的速度增長，業(yè)務(wù)流量增長速度大于當(dāng)前光通信帶寬增長的速度。同時，新興AIGC應(yīng)用的高速發(fā)展，自2012年以來每3-4個月人工智能的算力需求將翻一倍，帶動帶寬需求不斷增加，光通信帶寬也必須緊密跟進、不斷提升速率，向高速的時代邁進。

“芯片出光”是硅光技術(shù)核心理念，硅光技術(shù)利用成熟半導(dǎo)體CMOS工藝將光和電器件的開發(fā)與集成到同一個硅基襯底上，使光與電的處理深度融合到一塊芯片上，真正實現(xiàn)“光互連”。硅光技術(shù)將光通信的傳輸速率、集成度向更高水平推進，是滿足不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)、人工智能、未來移動通信等產(chǎn)業(yè)對高速通信需求的核心技術(shù)選擇之一，并可應(yīng)用于生醫(yī)感測、量子運算、激光雷達等新興的外延應(yīng)用領(lǐng)域。

硅光器件與產(chǎn)品主要可分為三個層次：硅光器件、硅光芯片、硅光模塊。

硅光器件：包括光源、調(diào)制器、探測器、波導(dǎo)等，是實現(xiàn)各種功能的基本單元；

硅光芯片：將光發(fā)送集成芯片、光接收集成芯片、光收發(fā)集成芯片、相同功能器件陣列化集成芯片（探測器陣列芯片、調(diào)制器陣列芯片等）等若干基本器件進行單片集成；

硅光模塊：進一步將光源、硅光器件/芯片、外部驅(qū)動電路等集成到一個模塊，包括光發(fā)送模塊、光接收模塊和光收發(fā)一體模塊等，是系統(tǒng)級的硅光產(chǎn)品形態(tài)。

將微電子集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢相結(jié)合，硅光技術(shù)較傳統(tǒng)分立器件方案具更多優(yōu)勢：

數(shù)據(jù)傳輸能力上，光信號擁有電信號不可比擬的高速率：傳統(tǒng)銅電路已接近物理瓶頸，繼續(xù)提高帶寬越來越困難。云計算產(chǎn)業(yè)對芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出更高要求，單顆芯片性能越強、互聯(lián)的芯片數(shù)量越多，較低的互聯(lián)帶寬就越容易成為性能提升的障礙，25Gb/s已接近傳輸速率的瓶頸。而硅光技術(shù)能突破這一瓶頸，大大提高帶寬，相對電傳輸，采用高速光纖的光傳輸架構(gòu)，可以通過單一鏈路25Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)達到100Gb/s的傳輸速度；

硅光芯片具高度集成化：以半導(dǎo)體制造工藝將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由調(diào)制器、探測器、無源波導(dǎo)器件等組成的集成光路。相較InP等有源材料制作的傳統(tǒng)分立器件，硅光光模塊無需ROSA、TOSA封裝，因而硅光器件器件體積與數(shù)量更小、集成度更高；

集成電路產(chǎn)業(yè)對硅基CMOS生產(chǎn)技術(shù)和工藝有成熟積累：硅光技術(shù)利用半導(dǎo)體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優(yōu)勢；

功耗更低：相比傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)，硅光結(jié)合了硅技術(shù)的低成本、更高的集成度和互聯(lián)密度以及更多的嵌入式功能，功耗更低、可靠性更高；

安全性高：相較于銅電路的功耗大、易發(fā)熱，以及電磁波易干擾、易竊聽的問題，光信號在安全性上具有顯著優(yōu)勢；

波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異：硅的波導(dǎo)傳輸特性優(yōu)異，其對應(yīng)的光波長為1.1μm在1.1-1.6μm的通信波段是透明的。同時，硅與二氧化硅形成較大的折射率差，使得硅波導(dǎo)具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑；

硅基材料與更緊密的集成方式降低了材料、制造和封裝成本：第一，相較于傳統(tǒng)的分立式器件，硅光模塊的集成度更高，封裝與人工成本降低。第二，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，相較傳統(tǒng)三五族材料襯底而言，硅基芯片成本得以大幅降低。第三，對光模塊進行成本拆分，光器件的成本占比超過70%，而其中TOSA光發(fā)射組件的成本占比較大，普通光模塊與硅光模塊的發(fā)射器類型不同，在100G短距CWDM4和100G中長距相干光模塊中，受限良率成本等問題，硅光模塊成本優(yōu)勢不明顯，但在400G及以上的高速率的場景中，由于傳統(tǒng)DML和EML發(fā)射器類型的成本較高，硅光模塊成本性價比優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。

根據(jù)中研普華研究院撰寫的《2024-2029年中國光模塊行業(yè)市場深度調(diào)研及投資策略預(yù)測報告》顯示：

在集成工藝上，硅光技術(shù)是光通信傳輸向“高速率、高集成化、低功耗、低成本”邁進最有潛力且可靠的方向之一。

（1）將大功率多波長激光器、硅基高密度光發(fā)射模塊、硅基高速光接收模塊等芯片模塊混合集成在同一晶圓上，提高集成光子組件密度，可以有效提升數(shù)據(jù)傳輸密度和效率，降低了功耗和成本。光模塊器件本身有損耗、模塊中各器件間有損耗，硅光技術(shù)利用半導(dǎo)體工藝帶來的高度集成化優(yōu)勢，使各器件隔得更近，將減少“插入損耗”。光子集成產(chǎn)品在尺寸、功耗、成本、可靠性方面比廣泛采用的分立元器件更具優(yōu)勢，是未來光器件的主流發(fā)展方向，也是能實現(xiàn)超高密度（>10Tb/s/cm2）的唯一途徑，為低成本和低功耗的芯片到芯片通信鋪平了道路，并可能取代目前金屬互聯(lián)；

（2）硅光技術(shù)和傳統(tǒng)InP方案、薄膜鈮化鋰方案比較：傳統(tǒng)InP集成度低、傳輸速率慢；薄膜鈮化鋰技術(shù)尚待成熟、成本高、更適用于長距離傳輸，硅光方案是高速率光通信方向可靠且最具性價比的發(fā)展方向。目前，光波復(fù)用/解復(fù)用、光波長調(diào)諧和變換等器件已可實現(xiàn)單芯片集成，而光模塊需要混合集成。已量產(chǎn)的硅光方案，基于硅襯底的混合集成是主要方式，單片集成是未來技術(shù)發(fā)展方向。

在設(shè)計工藝流程上，CMOS平臺為硅光技術(shù)提供了強大的工藝能力。但相較于半導(dǎo)體CMOS工藝，硅光技術(shù)還有以下特殊性：

總體路徑：硅光的發(fā)展并非像半導(dǎo)體一樣延續(xù)尺寸和節(jié)點減小的發(fā)展路徑，對硅光而言更小的工藝節(jié)點并非像集成電路等比縮小的重要性那樣大；

版圖特點：硅光器件間的尺寸差別大，存在許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)，與其他半導(dǎo)體的版圖區(qū)別較大；

工藝特殊性：各硅光器件對尺寸和工藝誤差非常敏感，1nm的工藝誤差或?qū)韫馄骷阅軒砻黠@的影響，因而硅光工藝需要嚴(yán)格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件側(cè)壁粗糙度也對波導(dǎo)損耗帶來巨大影響，對制備工藝有特殊優(yōu)化的需要；

材料特殊性：硅由于沒有一階線性電光效應(yīng)、材料發(fā)光較難，硅不是最佳的調(diào)制器材料。同時硅對1.1μm以上波長透明，無法作為通信波段光探測器材料，以硅材料為基底引入多材料是硅光的必然選擇。

硅光芯片在設(shè)計流程上仍存在難點。如何做到與CMOS工藝的最大限度的兼容，如何進行多層次光電聯(lián)合仿真，如何與集成電路設(shè)計一樣基于可重復(fù)IP進行復(fù)雜芯片的快速設(shè)計等問題是硅光芯片從小規(guī)模設(shè)計走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。

根據(jù)YoleIntelligence，2021年基于硅基光電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)總體市場規(guī)模約為1.51億美元。到2027年，預(yù)計硅基光電子產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將迅猛增長至9.72億美元，2021-2027年均復(fù)合增長率達到36%，數(shù)據(jù)中心光模塊仍將以22%的CAGR成為產(chǎn)業(yè)中規(guī)模最大的應(yīng)用。

市場格局上，全球硅光領(lǐng)域企業(yè)不多，且國外大廠占主導(dǎo)地位，中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)開始崛起。由于仍屬前沿技術(shù)，當(dāng)前全球范圍內(nèi)專注且有出貨硅光產(chǎn)品的企業(yè)不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半導(dǎo)體（ST）、Acacia與Molex等，絕大多數(shù)為在光通信和硅光領(lǐng)域有較長時間積累的海外巨頭。在國內(nèi)，越來越多的信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)龍頭公司正關(guān)注并布局硅光技術(shù)，其中華為十分積極活躍，不少中國硅光早期項目公司亦在近年快速崛起。

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