“泽字节”时代投资报告系列一：硅光：“超越摩尔”新路径，厚积薄发大未来

分析师：宋辉 SACNO：S1120519080003 邮箱：songhui@hx168.com.cn 分析师：柳珏廷 SACNO：S1120119060016 邮箱：liujt@hx168.com.cn 硅光行业框架投资逻辑总结 流量爆发：全球数据中心流量从2016年的6.8 ZB增长到2021年的20.6ZB，网络流量每9-12个月翻一番，光通信设备每2-3年升级一次，“泽”字节时代流量增长依旧是ICT行业最原始驱动力。 传统技术面对大数据纷纷失效，硅光子技术： 10nm 后硅基CMOS摩尔定律失效，传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限；硅光有机结合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为“超越摩尔”的新技术路径。 硅光子具体技术路线在收敛确认中（EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，产业重点投入方向逐渐清晰，当前投资风险相较过去大幅降低。 当期硅光发展不成熟的关键因素在于，硅光子产业链没有像微电子产业一样完全形成Foundry厂与硅光设计公司分开的产业格局，Fabless厂商要同时考虑工艺问题，无法专注设计，产业重复投入巨大。 目前，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等光连接领域，800G及以后硅光模块性价比较为突出，产业链进展看，海外巨头Intel、思科等通过自研或收购发展较为领先；国内上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中 际旭创、博创科技等从分立光模块市场纷纷切入硅光领域，但是传统光模块制造过程中封装工序较为复杂，BOM及人工成本需要投入较多，另外未来采用硅光的光电共封装（CPO）技术预计将会成为主流模式，传统光模块生产制造企业将会收到较大的技术挑战，需要持续跟踪国内光模块厂商硅光产品研发、客户验证等进展情况。 SiFotonics等。 未来，我们判断硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹，产业链逐渐分化，Fabless商业基础将会初步形成，后续基于硅光的激光雷达、可穿戴设备、AI光子计算等领域会相继爆发,受益公司，包括国内初创公司曦智科技（AI光子芯片）、微源光子（硅光Lidar、可穿戴）、国科光芯（硅光Lidar）。 后摩尔时代，硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施 随着信号速率每隔3～4年提升一倍，电信号能够传输的距离在逐渐减小。 基于成本上的考虑人们还在尽量延续电信号传输的寿命，但由于芯片封装和工艺制程能力不可能无限提升，IO速率不断提升导致的功耗增加最终会触碰到芯片封装的功率墙。因此，硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施。 科技巨头高度重视硅光技术 2021年12月，阿里巴巴达摩院发布2022十大科技趋势，分别是：AI for Science、大小模型协同进化、硅光芯片、绿色能源AI、柔性感知机器人、高精度医疗导航、全域隐私计算、星地计算、云网端融合、XR互联网。 其中硅光芯片做外范式重置的关键技术，显示硅光对于行业颠覆式影响。 同样在2021年12月，Intel研究院宣布成立集成光电研究中心。该中心的使命是加速光互连输入/输出（I/O）技术在性能扩展和集成方面的创新，专注于光电子技术和器件、 CMOS电路和链路架构，以及封装集成和光纤耦合。 其中，硅上异质集成量子点激光器、由高迁移率透明导电氧化物驱动的0.5V硅微型环调制器、硅光子的晶圆级光学封装等成为其重点技术突破方向 海外硅光领域并购整合频发，瞄准未来赛道和核心科技 硅光子是确定性技术发展趋势，海外硅光并购整合频发，瞄准未来赛道和核心科技：目前硅光领域并购集中在通信领域，硅光transceiver公司大都被通信设备商收购，例如思科, Huawei, Nokia等，另外上游设计工具软件也是并购重点方向。 收并购情况看，硅光子具体技术路线在收敛确认中（EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，产业重点投入方向逐渐清晰，投资风险降低。 硅光原理：硅光子学的低成本、高速的光通信技术 硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。 硅光技术将原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。 相比较传统的分立器件光模块，硅光子器件集成度更高（不再需要ROSA和TOSA封装）更加适应未来高速流量传输处理需要。与此同时，更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本。 硅光核心元器件：光源、光波导、调制器、探测器 硅光子核心器件主要包括以硅半导体材料的光有源及无源器件，包括硅基激光器（负责将电信号转化成光信号）、硅基光探测器（负责将光信号转化成电信号）、硅基光调制器（负责将光信号带宽提升）、平面波导（负责光信号在硅基材料上传输）、光栅耦合器（负责与对外连接的光纤对准降低插损）等。 硅光优势：小尺寸、低功耗、低成本 硅光集成将核心部件和配件集成在一个晶片上，器件数量显著缩小，密集度有所提升； 硅光有机结合了成熟微电子技术和宽带光电子技术，硅光方案既降低了硅光模块、芯片等成本，又提高了可靠性。 硅光集成：混合集成是当下，单片集成是未来 根据集成的元器件是否采用同种材料，光子集成（Photonic Integrated Circuit, PIC）可以分为混合集成和单片集成。 硅光器件的演进趋势分为四个阶段：分组硅化、硅光子集成、全光电融合和可编程硅片。 ①分组硅光：硅基器件逐步取代分立元器件； ④可编程芯片：器件分解为多个硅单元排列组合，局针化表征类；FPGA的可编程硅片，全功能可自定义。 当前的硅光器件依然处于演进的初级阶段，集成技术从耦合集成向单片集成演进，简化工艺流程提升效率的第二阶段。 混合集成原理 混合集成是将使用不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上，比如说基于硅基的集成(平面光波导混合集成，硅光等)，基于磷化铟的集成等，典型的混合集成是将有源光器件(激光器，探测器等)集成到具有光路连接或者其他一些无源功能(分合波器等)的基板上(平面光波导，硅光等)。 它的优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑，顺应光模块小型化趋势，方便使用成熟自动化IC封装工艺，有利于大量生产，是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。 然而，不同元器件间需要精密的位置调整与固定，加之不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异，都将增加封装的复杂性和成本，并限制集成规模。 单片集成原理 单片集成是经过相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，实现起来有较大技术难度，但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是PIC的发展方向。 利用硅光集成技术发展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模块是当前研究者主要目标。目前，本领域技术人员已经在硅光平台上实现了高速率的硅光调制器，高速率检测器，低损耗传输波导和波分复用等硅光器件。 右表对比了两种集成形式以及分立器件组合的差异，单片集成具有低损耗、易封装、高可靠性、集成度高的优点，但集成难度大。目前在光通信系统中混合集成使用较多，但单片集成也已经进入量产。 数据流量高速增长是硅光技术需求的原生动力 数据时代流量迅速增长对光通信性能提出更高要求，要求光通信行业做出变革，提高光通信产品的适应性和技术性。 数据中心以太网交换机芯片处理高速率流量需求不断提高：云数据中心的大型化将极大提升光模块的使用量，同时对光模块的传输距离有了更高的要求，同时驱动了光模块工作速率不断升级。 CSP和云提供商（如Facebook、Apple、Google、AWS和Microsoft）正转向超大规模数据中心，Capex支出持续提升以支持客户的高带宽需求。 伴随VR、无人驾驶等应用渗透率增加，网络数据流量有望再次迎来高速增长，整体底层数据中心投入有望加速，相关光模块和服务器需求也有望起量。 光器件发展趋势：高度集成、小型化、高速率 叶脊网络架构进一步增加光模块需求：传统三层结构IDC网络架构有利于解决南北向数据传输问题（IDC内部与外部之间），然而伴随着虚拟化、云计算、超融合系统等应用，使得东西向数据流成为主要流量，为了数据中心利用率以及效用最大化，越来越多的数据中心采用了叶脊类型的网络架构，以叶脊架构为例，光模块总量是机柜数的46倍（传统传统三层架构光模块总量是机柜数的9倍）。 高密度：为了满足流量高速增长的需求，提高交换机和服务器单板传输容量，意味着可以部署更少的交换机，光模块封装越小，意味着可以部署更少的交换机，以节约机房资源。 光器件发展趋势：高度集成、小型化、高速率 低功耗：数据中心耗电量大，低功耗一方面是为了节约能耗，另外一方面是为了应对散热问题，因为数据中心交换机背板插满了光模块，若散热问题无法妥善解决，将会影响到光模块的性能和密度的提高。 迭代周期短：未来数据中心流量将呈爆发式增长，为适配更高速的设备，驱动光模块不断向更高速率升级，并呈加速态势。10G速率端口迭代到40G速率端口经历了5年，40G速率端口升级到100G速率端口经历了4年，而100G速率端口到400G速率端口或仅需3年时间。 光通信提升带宽传统模式逼近极限 提高每个通道的比特速率，提升比特速率有两个方法:1、直接提升波特率；2、保持波特率不变，使用复杂的调制解调方式（如PAM4、QPSK QAM16，QAM64等）。 增加通道数，增加通道数量也包括两种方法：1、提升并行光纤数量；2、采用波分复用（CWDM、DWDM）； 在千兆、万兆时期，技术瓶颈还没到，直接就可以提升波特率，但到了10G以上，无论是电还是光，提升波特率变得越来越难，10G到40G，提升的是通道数，从40G到100G，提升的是单通道的波特率（光芯片升级10G-25G）。而从100G到400G：采用了PAM4等更高的调制方式 分离器件光模块技术演进瓶颈，硅光性价比提升 超大规模云数据中心对400Gb/s及以上光网络连接的需求，数据中心交换机速率正依摩尔定律不断加倍。数据流量高速增长，成为硅光技术需求的原生动力，但目前光模块仍面临如下问题： 三五族半导体激光调制间距受限，50Gbps成为成为单通道传输速率瓶颈； 硅光模块在高速率下，仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性，较传统光模块具有一定优势，因此硅光方案被相当一部分数据中心所采用，硅光产业随即得到发展。 III-V族半导体激光调制间距受限，单通道50Gbps成为成为传输速率瓶颈 基于传统三五族（III-V）的直接带隙半导体材料磷化铟（InP）基分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的高速光模块，由于其本身材料的限制，很难实现超过50G以上的调制间距，并且随着速率提高，激光器成本也大幅度提高，从而提高了整体光模块产品的成本。 利用硅光集成技术发展高折射率，尺寸和高集成度的高速光模块，实现了高速率的硅光调制器，高速率检测器，低损耗传输波导和波分复用等硅光器件，并且将各个功能器件的相互集成，成功实现了单路25G/50G的信息传输。 单路速率到极限后，提高芯片速率的方法有：增加并行通道数，如波分复用WDM或多路光纤PSM； 高阶调制模式无法匹配信噪比，DSP成本高度提升 高阶复杂调制，如PAM4、QPSK，QAM16，QAM64等，以提高比特率；以及更高的符号速率等。 1）高阶复杂调制，无法匹配光源信噪比，传输损耗增大：进一步提高系统容量可以采用高阶调制格式如8QAM（8-level quadrature-amplitude modulation）或16QAM，但是高阶调制需要更高的OSNR（Optical-Signalto-Noise Ratio光信噪比）。对于同样的符