硅光技术产业深度研究：开启高速与高集成度传输时代

硅光技术产业深度研究：开启高速与高集成度传输时代01高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一光通信是整个通信网络的支柱和底座。相较以太网、无线网络，光通信具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，是当前全球最主流的信息传输方式之一。光通信器件产业链主要分为上游光芯片组件、中游光器件模组以及下游光通信设备、电信、数通设备等应用。以太网：通过铜线传输数据的一种方式，具有速度快、可靠性高等优点，主要用于局域网内的数据传输；无线网络：通过无线电波传输数据的一种方式，具有灵活性和可移动性，主要用于移动设备和远程传输的数据传输；光通信：通过光纤传输数据的一种方式，具有高带宽、低延迟、抗干扰等优点，主要用于中长距离、高速传输的数据传输。光模块（OpticalModules）是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件，是光通信中的重要组成部分。光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。目前，光模块应用速率正从10G~40G向100G~400G升级，400G~800G技术的研发与商业化应用进程加快，并进一步向更高速的1.6T速率发展。数据中心的迅速发展拉动全球光模块需求。光模块是数据中心内部数据传输和数据中心间互联的核心部件，随着全球范围内数据中心持续建设，其需求不断被拉升：根据Lightcounting预计，全球光模块市场规模在2020年达到81亿美元市场规模，并将在2026年进一步增长至176亿美元（较2020年，+117.3%）。光芯片是光模块等光电子器件的主要组成部分，是现代光通信系统的核心。电光转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，同时由于一般电子设备仅能识别电信号，需要光芯片进行电光转换，将传输信息系统中的光信号转化为电信号。光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。首先发射端通过激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端；接收端通过探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为一般设备能够识别的电信号；其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性；

当前由于更高速率的光模块往往由多个中低速率光芯片组合实现，随着光模块速率的提升，光芯片在光模块的成本占比亦在不断提升。将微电子集成电路技术的超大规模、超高精度特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势相结合，硅光技术较传统分立器件方案具更多优势：数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高速率：传统铜电路已接近物理瓶颈，继续提高带宽越来越困难。云计算产业对芯片间数据交换能力提出更高要求，单颗芯片性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍，25Gb/s已接近传输速率的瓶颈。而硅光技术能突破这一瓶颈，大大提高带宽，相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度；硅光芯片具高度集成化：以半导体制造工艺将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光路。相较InP等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA、TOSA封装，因而硅光器件器件体积与数量更小、集成度更高；集成电路产业对硅基CMOS生产技术和工艺有成熟积累：硅光技术利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势；在设计工艺流程上，CMOS平台为硅光技术提供了强大的工艺能力。但相较于半导体CMOS工艺，硅光技术还有以下特殊性：总体路径：硅光的发展并非像半导体一样延续尺寸和节点减小的发展路径，对硅光而言更小的工艺节点并非像集成电路等比缩小的重要性那样大；版图特点：硅光器件间的尺寸差别大，存在许多不规则结构，与其他半导体的版图区别较大；工艺特殊性：各硅光器件对尺寸和工艺误差非常敏感，1nm的工艺误差或将对硅光器件性能带来明显的影响，因而硅光工艺需要严格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件侧壁粗糙度也对波导损耗带来巨大影响，对制备工艺有特殊优化的需要；材料特殊性：硅由于没有一阶线性电光效应、材料发光较难，硅不是最佳的调制器材料。同时硅对1.1μm以上波长透明，无法作为通信波段光探测器材料，以硅材料为基底引入多材料是硅光的必然选择。硅光芯片在设计流程上仍存在难点。如何做到与CMOS工艺的最大限度的兼容，如何进行多层次光电联合仿真，如何与集成电路设计一样基于可重复IP进行复杂芯片的快速设计等问题是硅光芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。02数据中心与AI带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期由于高带宽、小尺寸、低能耗和低成本等优势，硅光技术在通讯和高速运算领域极具发展潜力，可广泛应用于数据中心、电信、生医感测、量子运算、消费电子等领域。数据中心：是硅光技术未来最主要的市场之一，核心是服务器与网络，服务器与用户之间的连接便是光通信网络。主要应用场景为光模块；消费电子：可穿戴式设备与医学领域的光学生物传感器是主要应用场景。硅光技术已在光通信尤其是数通短距场景取得局部商业落地，并逐步光传感、光计算等新兴应用领域延展。硅光当前发展最成熟的是包含数据中心互连收发器在内的连接领域，涉及数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等。后续将逐步扩展到人工智能、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。随着大数据、云计算、5G等新兴技术的发展，国际数据中心市场规模扩大，全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。云业务、云服务的增长刺激数据中心的大规模建设热潮，根据《数据中心白皮书》，预计2022年全球数据中心市场规模将达到746.5亿美元。根据Yole预测，数通市场、电信市场预计将在2027年分别达到168亿美元和79亿美元的市场规模，CAGR预计分别为19%和8%，直接带动光模块、光芯片需求的快速增长。数据中心发展过程面临带宽与功耗的痛点，大量的数据需要被存储、传输和处理，高带宽传输需求增大。随着多核处理器、内存需求和I/O带宽需求的持续增加导致连接和网络传输压力加大，同时带宽的增长也会带动功耗的快速提升。作为下一代互连技术强有力的竞争者，光互连具有宽频带、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、小功耗等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的代替或补充电互连的方案。光互联在未来数据中心互联中的占比将越来越大，硅光集成技术将充分发挥光互连的带宽优势。ChatGPT带动的生成式AI、大模型AI相关技术将成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的算力需求大爆发将使得硅光芯片为未来AI产业助力。算力将是未来数字科技产业的基础生产资料，AI算力中心催生海量的服务器需求，加速服务器集群建设。我国对数据中心建设进行国家层面的一体化布局，相继发布《“十四五”国家数字经济发展规划》、《“十四五”国家信息化规划》、《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》、《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》等政策，加快构建算力、算法、数据、应用资源协同的全国一体化大数据中心体系。2023年4月17日，科技部启动了国家超算互联网工作，旨在以互联网思维运营超算中心，构建一体化超算算力网络和服务平台。按照计划，到2025年底国家超算互联网将形成技术先进、生态完善的总体布局。国家计算力指数与G