硅光技術產業(yè)分析

硅光技術產業(yè)分析01高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信產業(yè)最有潛力新風口之一光通信是整個通信網絡的支柱和底座。相較以太網、無線網絡，光通信具有通信容量大、傳輸距離遠、信號串擾小、抗電磁干擾等優(yōu)點，是當前全球最主流的信息傳輸方式之一。光通信器件產業(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備、電信、數(shù)通設備等應用。以太網：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，主要用于局域網內的數(shù)據(jù)傳輸；無線網絡：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換和電光轉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，光模塊應用速率正從10G~40G向100G~400G升級，400G~800G技術的研發(fā)與商業(yè)化應用進程加快，并進一步向更高速的1.6T速率發(fā)展。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，隨著全球范圍內數(shù)據(jù)中心持續(xù)建設，其需求不斷被拉升：根據(jù)Lightcounting預計，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%）。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，同時由于一般電子設備僅能識別電信號，需要光芯片進行電光轉換，將傳輸信息系統(tǒng)中的光信號轉化為電信號。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)射端通過激光器內的光芯片進行電光轉換，將電信號轉換為光信號，經過光纖傳輸至接收端；接收端通過探測器內的光芯片進行光電轉換，將光信號轉換為一般設備能夠識別的電信號；其中，核心的光電轉換功能由激光器和探測器內的光芯片來實現(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。將微電子集成電路技術的超大規(guī)模、超高精度特性和光子技術超高速率、超低功耗的優(yōu)勢相結合，硅光技術較傳統(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，可以通過單一鏈路25Gb/s的標準達到100Gb/s的傳輸速度；硅光芯片具高度集成化：以半導體制造工藝將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由調制器、探測器、無源波導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；集成電路產業(yè)對硅基CMOS生產技術和工藝有成熟積累：硅光技術利用半導體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優(yōu)勢；在設計工藝流程上，CMOS平臺為硅光技術提供了強大的工藝能力。但相較于半導體CMOS工藝，硅光技術還有以下特殊性：總體路徑：硅光的發(fā)展并非像半導體一樣延續(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)則結構，與其他半導體的版圖區(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的工藝誤差或將對硅光器件性能帶來明顯的影響，因而硅光工藝需要嚴格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件側壁粗糙度也對波導損耗帶來巨大影響，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、材料發(fā)光較難，硅不是最佳的調制器材料。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，如何與集成電路設計一樣基于可重復IP進行復雜芯片的快速設計等問題是硅光芯片從小規(guī)模設計走向大規(guī)模集成應用的關鍵。02數(shù)據(jù)中心與AI帶動需求爆發(fā)開啟硅光產業(yè)黃金發(fā)展期由于高帶寬、小尺寸、低能耗和低成本等優(yōu)勢，硅光技術在通訊和高速運算領域極具發(fā)展?jié)摿?，可廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、電信、生醫(yī)感測、量子運算、消費電子等領域。數(shù)據(jù)中心：是硅光技術未來最主要的市場之一，核心是服務器與網絡，服務器與用戶之間的連接便是光通信網絡。主要應用場景為光模塊；消費電子：可穿戴式設備與醫(yī)學領域的光學生物傳感器是主要應用場景。硅光技術已在光通信尤其是數(shù)通短距場景取得局部商業(yè)落地，并逐步光傳感、光計算等新興應用領域延展。硅光當前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連收發(fā)器在內的連接領域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長距離互聯(lián)、5G基礎設施等。后續(xù)將逐步擴展到人工智能、激光雷達和其他傳感器等新興應用中。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、5G等新興技術的發(fā)展，國際數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模擴大，全球數(shù)據(jù)中心流量以每年32%的速度飛速增長。云業(yè)務、云服務的增長刺激數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設熱潮，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心白皮書》，預計2022年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達到746.5億美元。根據(jù)Yole預測，數(shù)通市場、電信市場預計將在2027年分別達到168億美元和79億美元的市場規(guī)模，CAGR預計分別為19%和8%，直接帶動光模塊、光芯片需求的快速增長。數(shù)據(jù)中心發(fā)展過程面臨帶寬與功耗的痛點，大量的數(shù)據(jù)需要被存儲、傳輸和處理，高帶寬傳輸需求增大。隨著多核處理器、內存需求和I/O帶寬需求的持續(xù)增加導致連接和網絡傳輸壓力加大，同時帶寬的增長也會帶動功耗的快速提升。作為下一代互連技術強有力的競爭者，光互連具有寬頻帶、抗電磁干擾、強保密性、低傳輸損耗、小功耗等明顯優(yōu)于電互連的特點，是一種極具潛力的代替或補充電互連的方案。光互聯(lián)在未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中的占比將越來越大，硅光集成技術將充分發(fā)揮光互連的帶寬優(yōu)勢。ChatGPT帶動的生成式AI、大模型AI相關技術將成為新一輪科技產業(yè)發(fā)展的智能底座，由此引發(fā)的算力需求大爆發(fā)將使得硅光芯片為未來AI產業(yè)助力。算力將是未來數(shù)字科技產業(yè)的基礎生產資料，AI算力中心催生海量的服務器需求，加速服務器集群建設。我國對數(shù)據(jù)中心建設進行國家層面的一體化布局，相繼發(fā)布《“十四五”國家數(shù)字經濟發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五”國家信息化規(guī)劃》、《關于加快構建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導意見》、《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃（2021-2023年）》等政策，加快構建算力、算法、數(shù)據(jù)、應用資源協(xié)同的全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系。2023年4月17日，科技部啟動了國家超算互聯(lián)網工作，旨在以互聯(lián)網思維運營超算中心，構建一體化超算算力網絡和服務平臺。按照計劃，到2025年底國家超算互聯(lián)網將形成技術先進、生態(tài)完善的總體布局。國家計算力指數(shù)與GDP的走勢呈現(xiàn)出顯著的正相關，提高計算力對國家經濟發(fā)展具重大意義。根據(jù)《2021-2022全球計算力指數(shù)評估報告》，十五個重點國家的計算力指數(shù)平均每提高1點，國家的數(shù)字經濟和GDP將分別增長3.5‰和1.8‰，預計該趨勢在2021-2025年將保持。03國產替代時代機遇與硅光外延應用拓展將成為產業(yè)長期增長助力中高速率光通信芯片國產替代空間大：目前國內10G及以下速率中低端光芯片供應已較成熟，25G國產化率較低，而未來需求更大、用于200/400G高速光模塊的50G及以上光芯片以國外進口為主、國產化率極低，存在巨大的國產替代空間。硅光芯片全球市場中，海外光芯片產業(yè)已形成從設計、晶圓制造、封裝的完整產業(yè)鏈閉環(huán)。Cisco（2021年收購Acacia）、Intel、Marvell（2020年收購Inphi）、IBM、Nokia（2020年收購Elenion）等海外通信相關巨頭企業(yè)都已在硅光技術領域布局，并通過收購優(yōu)質硅光技術產業(yè)公司強化在該領域的競爭實力。在當前中美科技競爭的背景下，國內企業(yè)開始測試并驗證國內的硅光芯片產品，尋求國產化替代，將促進硅光芯片行業(yè)的自主化進程。當前部分中國光芯片企業(yè)已進行了一定的技術積累，如華為海思、阿里等已經率先采用新型硅光芯片進行研發(fā)與生產，如華為6GAI芯片、阿里云芯片等，尤其是部分初創(chuàng)企業(yè)的設計能力具備一定的全球市場認可度與競爭力。但中國硅光產業(yè)要完成國產替代仍需解決國內在硅光特殊工藝制造環(huán)節(jié)上暫時落后所帶來硅光芯片在量產、封裝以及良率、成本、工藝標準化等層面的限制因素。在機器人視覺領域，硅光技術可提高系統(tǒng)的靈活性與可靠性。機器人視覺相比傳統(tǒng)機器視覺更加3D化、高度集成化、場景復雜化。由于市場對節(jié)能、可靠和高分辨率機器人視覺的需求提升，進一步催生了對小尺寸、低成本、芯片級集成光學傳感器的需求，硅光集成光學解決方案是能夠滿足此類工業(yè)視覺市場需求的優(yōu)勢技術之一。量子通信需要制備、操控和分析糾纏態(tài)的光子，硅光技術則在對復雜光路控制和高集成度方面有明顯優(yōu)勢，未來硅光量子通信芯片或將成為量子通信的重要技術方案。北大團隊已在2018年3月在Science上發(fā)表基于硅光的量子糾纏芯片的設計，量子通信在未來的軍事、金融、數(shù)據(jù)中心加密等保密領域有著強勁優(yōu)勢，而基于硅光的量子通信芯片有望成為未來重要的技術方案。由于硅光技術保密性強、集成度高、適合復雜光路控制等優(yōu)勢，硅光技術的成熟將給量子計算的發(fā)展提供新的推動力。量子計算機使用全光架構用光子取代量子比特（qubits）是極具前景的方案。當前PSI、英國布里斯托爾大學、IBM、Quantinuum等公司與大學均在研發(fā)基于硅光技術的量子計算。04全球硅光產業(yè)國外廠商占主導，國內起步較晚但潛力巨大根據(jù)YoleIntelligence，2021年基于硅基光電子技術的產業(yè)總體市場規(guī)模約為1.51億美元。到2027年，預計硅基光電子產業(yè)市場規(guī)模將迅猛增長至9.72億美元，2021-2027年均復合增長率達到36%，數(shù)據(jù)中心光模塊仍將以22%的CAGR成為產業(yè)中規(guī)模最大的應用。市場格局上，全球硅光領域企業(yè)不多，且國外大廠占主導地位，中國相關產業(yè)開始崛起。由于仍屬前沿技術，當前全球范圍內專注且有出貨硅光產品的企業(yè)不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半導體（ST）、Acacia與Molex等，絕大多數(shù)為在光通信和硅光領域有較長時間積累的海外巨頭。在國內，越來越多的信息技術產業(yè)龍頭公司正關注并布局硅光技術，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。芯速聯(lián)光電：寧波芯速聯(lián)光電科技有限公司，前身為眾瑞速聯(lián)（武漢）科技有限公司。初創(chuàng)于2015年3月，屬于光通信行業(yè)領域的國家高新技術企業(yè)。產品主要應用于骨干網和城域網、數(shù)據(jù)中心、5G建設等領域。核心產品：專注于自主研發(fā)的陣列波導光柵芯片（AWG系列芯片）、硅光芯片的設計、封裝、測試。國內硅光廠商多集中于100G/200G光模塊市場，公司是為數(shù)不多的于2023年量產400G/800G硅光模塊的廠商，基于其量產級HyperSilicon?硅光工藝平臺制造，采用公司自研凌光系列硅光芯片，結合低成本COB封裝設計，優(yōu)化高頻及電源信號完整性設計，其發(fā)射端四通道眼圖TDECQ指標均小于1.5dB，輸出光功率大于0.5dBm，接收端靈敏度(AOP)高于-9dBm，技術指標均處于行業(yè)領先水平。易飛揚通信：公司成立于2006年，目前員工近500人，是有源和無源光網絡器件生產商，公司產品致力服務于電信光傳輸網，光接入網，企業(yè)網，存儲區(qū)域網，數(shù)據(jù)中心與云計算系統(tǒng)以及視頻光傳輸與監(jiān)控領域，已形成了較完善的光有源收發(fā)模塊、光無源器件和光互連三大產品線。海外業(yè)務占比高：公司在美國硅谷設有分公司，在俄羅斯設有代表處。在巴西和以色列有獨家代理商，在美國和歐洲渠道有分銷合作伙伴。海外業(yè)務占公司總體業(yè)務70%，國內業(yè)務占30%。國內業(yè)務聚