通信周专题：硅光子技术有望在数据中心场景加速落地

硅光子技术具备低成本、传播速度快等特点 硅光子技术可以将电换成传输速度更快的光，实现更快的传输速率、更远的传输距离以及更低的功耗和延迟。根据C114通信网，硅光芯片有三大优势：集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异。 ①硅光子技术具有更高的集成度及更多嵌入式功能，可提升芯片的集成度。 ②硅光子芯片基础材料只需硅基材料，大规模生产可降低成本。 ③硅对1.1-1.6μm通信波段透明，具有优异的波导传输特性，折射率高可形成大折射率差。 数据中心为硅光主要应用场景 Yole指出，2022年，硅光芯片市场价值为6800万美元，预计到2028年将超过6亿美元，2022年—2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块。 产业巨头加速布局硅光 英特尔引领硅光子技术在100G时代大放异彩。根据OFweek光学网2023年9月报告，台积电计划携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件（CPO）等新产品。制程技术从 45nm 延伸到 7nm ，最快2024下半年开始迎来大单，并在2025年左右达到放量阶段。国内中际旭创、新易盛等光模块头部公司积极布局硅光产业。 硅光在激光雷达领域的应用尚处在研发阶段 现阶段激光雷达主要分为两类：一类基于 905nm 利用大面积SPAD阵列直接成像；另一类基于 1550nm 的固态FMCW和相干接收的激光雷达。FMCW激光雷达可以避免传统雷达的高功率激光对人眼的危害，灵敏度更高，抗干扰性更强。根据新思界，FMCW激光雷目前尚处于研发阶段，未实现量产应用。 硅光子基于可用于光子计算芯片VR、片间互联 CINNO Research预测2025年全球AR/VR硅基OLED显示面板市场规模将达到16.7亿美元。另一方面，Ayar Labs的TeraPHY外接光电收发器可以实现数据中心的计算背板/模块间的高速光互联，而CMOS硅光器件可以用于片上/die间计算集成的PHY高速互联。当前电子城高科与光子算数正合作建设光电芯片封装测试验证平台，目前平台第一阶段建设已完成，具备光电芯片基本测试封装能力。光子芯片的龙头产业赛微电子已具备量产硅光子芯片的能力。 投资建议 数据中心是硅光最主要的市场，建议关注长期布局硅光技术的光模块厂商：中际旭创；天孚通信；新易盛。 布局国内CW大功率光源的光芯片厂商：源杰科技（CW）、仕佳光子（AWG+CW）。 风险提示：AI需求不及预期风险;产品研发不及预期风险;硅光芯片量产不及预期;竞争激烈风险。 1.硅光子技术及其应用场景 1.1硅光子技术具备低成本、传播速度快等优点 硅光子技术可以将电换成传输速度更快的光，实现更快的传输速率、更远的传输距离以及更低的功耗和延迟。理论上，当光学接口与CPU和GPU封装在一起，能够有效扩展GPU间的带宽，同时节省能耗和面积，真正将数百台服务器作为一个巨型的GPU。 根据C114通信网，硅光芯片有三大优势：集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异。 ①硅光子技术具有更高的集成度及更多嵌入式功能，可提升芯片的集成度。 ②硅光子芯片基础材料只需硅基材料，大规模生产可降低成本。 ③硅对1.1-1.6μm通信波段透明，具有优异的波导传输特性，折射率高可形成大折射率差。 硅光子技术有望超越摩尔定律的原因是其通过硅光集成，用光代替电进行传输。 北京邮电大学教授李培刚指出，硅光芯片使用光子代替电子进行信息传输，因而克服了传统电子芯片面临的两大限制：在数据运输上，光子传输避开了电子的物理极限问题和发热问题；在算力上，光子适用于矩阵计算，矩阵乘法突破了传统先行运算的算力局限。同时，硅光芯片的时延远低于电子芯片。因此，硅光芯片被称为“突破摩尔定律极限的芯片”。 硅光技术的发展分为三个阶段： ①用硅把光通信底层器件做出来，达到工艺的标准化。 ②集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再把这些器件通过不同器件的组合，集成不同的芯片。 ③光电一体技术融合，实现光电全集成化。 我们认为目前硅光技术已经发展到了第二个阶段，硅光产业现在正处在前期扩张阶段，未来可能会成为一个像集成电路那样大规模的产业。 1.2硅光芯片位于产业链核心 光模块厂商位于硅光产业链的中间环节。硅光产业链上游主要有PIC设计、SOI衬底、代工厂几大环节；中游主要为光模块厂商，下游主要分为通信设备、电信市场、数据中心通信多个重点应用领域。 图表1：硅光产业链结构 2022年英特尔以61%的市场份额领跑数据通信市场，思科、博通和其他小公司紧随其后 。 在电信领域 ， 思科 （Acacia） 占据了近50%的市场份额 ，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）紧随其后，相干可插拔ZR/ZR+模块推动了电信硅光市场的发展。中国公司处于原型或样品阶段。 图表2：2022年电信领域硅光份额 图表3：2022年数通领域硅光份额 1.3数据中心为硅光最主要应用场景 根据C114 2023年11月引用市场研究机构YoleIntelligence观点：硅光最主要、最直接的应用场景是数据中心，英特尔在该领域占据主导地位。此外，在电信领域、光学激光雷达、量子计算、光计算以及在医疗保健领域都有广阔的发展前景。 Yole指出，2022年，硅光芯片市场价值为6800万美元，预计到2028年将超过6亿美元，2022年—2028年的复合年均增长率为44%。推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块。 图表4：2022-2028年硅光芯片市场规模预测 硅光并不局限于单一的衬底或材料。用于光子集成的各种材料平台，如薄膜LiNbO3（TFLN）、SiN、BTO、GaAs等，都已显示出其潜力。其中，硅基薄膜TFLN进展迅速，TFLN具有严格的模式限制，已被证明对于创建高速调制器非常有价值。 另外，硅光子集成与硅集成电路相比，在规模上有很大差距，硅集成电路已缩小到几nm，硅光芯片并不需要 3nm 光刻技术， 45nm 技术完全足以生产高性能、高质量的硅光芯片。这一点非常有利，因为使用光刻水平较低的代工厂非常具有成本效益。 图表5：2030年硅光子发展路线图 2.硅光光模块迎来发展机遇 2.1硅光模块和传统光模块的不同 根据期刊论文《400G FR4硅光收发模块的研究》宋泽国，总体来看，传统光模块由多种光学及电学器件封装而成，面临电气互连的传输瓶颈；硅光模块采用硅光子技术，能利用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺开发高性能广电芯片，因此具有高带宽、高集成度、低时延、低功耗的优点。 调制器来看，传统光模块采用直接调制激光器（DML）或电吸收调制器（EAM）等调制器，这可能导致高速长距场景下的信号失真或额外能耗；硅光模块的电光调制器兼容CMOS工艺，利用等离子色散效应，通过改变硅波导中的载流子浓度来调制光信号，从而实现低成本、低功耗、高密度的单片集成，可以进行高速率的光信号调制。 波分复用及解复用器来看，传统光模块使用的薄膜滤光片（TFF）方案耦合损失小，可靠性高，但光路复杂，且通道数量较多时面临制备难度和耦合精度的挑战；硅光模块采用的石英平面波导型波分复用及解复用芯片，利用列阵波导光栅（AWG）调制不同波长的相位，实现不同波长的光分束与合束，因此要求芯片具有高通道均匀性以及高光谱平坦性。 封装工艺来看，相较传统光模块，硅光模块采用了版上芯片封装COB技术，将裸芯片直接印制在电路板上，再进行电气连接和包封，具有尺寸小、成本低、自动化程度高的优点，但也面对光发射、接收组件耦合上的技术挑战。 图表6：4*100 Gbps FR4硅光技术方案 2.2硅光光模块在竞争中加速演进 根据OFweek光学网2023年9月报告，台积电董事长刘德音发表演讲，强调了硅光子技术在半导体产业中的关键作用。他指出，随着人工智能应用的不断发展，硅光子技术将成为未来半导体产业的重要推动力。 目前台积电计划携手博通、英伟达等大客户共同开发硅光子技术、共同封装光学元件（CPO）等新产品。制程技术从 45nm 延伸到 7nm ，最快2024下半年开始迎来大单，并在2025年左右达到放量阶段。台积电已组建了一支由约200名专家组成的专门研发团队，专注于利用硅光子技术开发未来芯片。此次合作旨在生产下一代硅光子芯片，预计最早将于2024年下半年获得大量订单。 图表7：硅光技术主要布局公司 2.3硅光子适用于激光雷达、光子计算芯片等场景 硅光在激光雷达领域的应用尚处在研发阶段。现阶段激光雷达主要分为两类：一类基于 905nm 利用大面积SPAD阵列直接成像；另一类基于 1550nm 的固态FMCW和相干接收的激光雷达。激光雷达的原理是采用三角波线性连续调频的方式产生发射激光束，激光束经FMCW（频率调制连续波）信号处理单元进行处理，根据出射光和反射光分析目标距离和目标速度，从而实现长距探测车载激光雷达等雷达应用。 FMCW激光雷达可以避免传统雷达的高功率激光对人眼的危害，灵敏度更高，抗干扰性更强。但根据新思界，FMCW激光雷达的生产难度大，目前尚处于研发阶段，未实现量产应用。 图表8：激光雷达中高集成度收发一体的硅光FMCW SoC架构 多家厂商在光子计算芯片应用研究积极布局。根据中关村2022年第9期期刊，与依赖晶体管的传统芯片不同，光子芯片通过光电转换原理、利用光信号快速低耗地完成特定大量计算任务。当前电子城高科与光子算数正合作建设光电芯片封装测试验证平台，目前平台第一阶段建设已完成，具备光电芯片基本测试封装能力。光子芯片的龙头产业赛微电子已具备量产硅光子芯片的能力。 另外，硅光子技术在VR、片间互联、异质集成等领域也具有前沿应用。根据2022年11月版中国电子报，VR市场上LCD显示屏仍占据主流位置，但硅基OLED凭借色彩饱满、屏幕响应时间短等优势崭露头角，CINNO Research预测2025年全球AR/VR硅基OLED显示面板市场规模将达到16.7亿美元。 图表9：硅基OLED器件结构 3.投资建议 3.1关注硅光光模块产业机会 数据中心是硅光最主要的市场，建议关注长期布局硅光技术的光模块厂商：中际旭创；天孚通信；新易盛。 3.2关注硅光芯片产业机会 布局国内CW大功率光源的光芯片厂商：源杰科技（CW）、仕佳光子（AWG+CW）。 4.风险提示 AI需求不及预期风险 当前的800G光模块市场以北美的互联网头部客户为主，AIGC产品开发进度、商业模式将会影响AI网络建设的节奏。 产品研发不及预期风险 无论是800G光模块、还是国产光芯片，都需要过硬的研发质量来支撑产品送样测试，提升良率降低成本、保证交付质量。一旦产品研发不及预期，就有可能影响产品的送样、测试、交付工作。 硅光芯片量产不及预期 硅光芯片如果良率不及预期，将影响硅光模块应用进度。 竞争激烈风险 当前布局硅光子技术公司较多，一旦突破量产的厂商变多，价格存在下降风险。