通信行业深度报告：AI高速率时代，硅光子迎成长机遇

硅光子技术具备高速率、高集成度、低成本等特点，应用领域广泛 硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，是实现光子和微电子集成的理想平台。随着传统微电子、光电子技术逐步步入“后摩尔时代”，硅光产业链逐步完善，已初步覆盖了前沿技术研究机构、设计工具提供商、器件芯片模块商、Foundry、IT企业、系统设备商、用户等各个环节，硅光子技术作为平台型技术，其高速率、高集成度、低成本、低功耗、小型化等特点正逐步凸显，正被广泛应用于光通信、光传感、光计算、智能驾驶、消费电子等多个领域。 AI高速光通信时代，硅光子优势逐步凸显 AI发展如火如荼，驱动光通信网络朝着1.6T、3.2T等更高速率持续迭代升级，有望给硅光光通信产业带来成长机遇。在数通市场，高速光模块加速迭代升级，硅光渗透率有望提升；在电信市场，相干光模块持续升级，硅光光模块需求或将增长；在CPO领域，硅光子技术作为CPO的核心技术之一，有望充分受益于CPO的发展需求，并成为各大厂商的战略布局重心；在OIO领域，随着AI技术对算力的持续需求，芯片间数据传输不断增大，OIO的技术优势有望不断凸显，作为OIO理想平台的硅光子技术也有望得到进一步发展。 硅光子技术在非通信领域快速发展，市场前景广阔 硅光子技术的CMOS工艺兼容、高集成度、波导特性在众多领域存在应用可能，如智能驾驶、光计算、消费电子等方向有很大的发展空间。智能驾驶方面：在激光光雷达降本量产的需求下，硅光固态激光雷达或成未来发展方向； 光计算方面：硅光有望成为实现集成光计算系统的主要材料平台；消费电子方面：硅光在生物医疗、可穿戴设备等消费电子领域也有着较大应用潜力。 硅光应用加速发展，重视产业链投资机会 （1）硅光光器件/光模块厂商：随着AIGC发展，硅光子技术在高速光通信时代有望迎来发展热潮，对传统光通信产业格局或带来深远影响，一方面硅光器件/模块厂商有望充分受益于产业发展，另一方面，硅光芯片具有较高产业壁垒，头部厂商的深度布局有望迎来新一轮产业演化；（2）硅光CW光源供应商：硅光光源集成作为目前硅光子技术一大技术难题，目前外置CW光源是硅光光模块的主流方案，且可进一步应用于CPO等场景，随着光通信速率需求的不断提升，硅光光模块的通道数也随之增长，CW光源需求量有望得到进一步发展；（3）硅光工艺配套厂商：从硅光工艺流程看，硅光与微电子技术逐步趋同，随着硅光子技术进一步普及及发展，需重视配套工艺设备、软件厂商投资机会。 受益标的：中际旭创、天孚通信、新易盛、亨通光电、华工科技、光迅科技、博创科技、剑桥科技、铭普光磁、源杰科技、长光华芯、仕佳光子、杰普特、罗博特科、炬光科技、光库科技、赛微电子、云南锗业、天通股份、凌云光、聚飞光电等。 风险提示：AIGC发展放缓，配套硅光产品不及预期的风险；硅光工艺升级不及预期的风险；硅光非通信领域发展不及预期影响；存在贸易壁垒的风险。 1、硅光子技术：后摩尔时代重要技术平台 1.1、硅光子技术是微电子/光子集成的理想平台 硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术是利用硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过集成电路工艺来制造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），这些器件用于对光子的激发、处理和操纵，实现其在光通信、光互连、光计算等多个领域的应用。 图1：硅光子集成芯片基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备 硅光子技术是实现光子和微电子集成的理想平台。在当前“电算光传”的信息社会下，微电子/光电子其技术瓶颈不断凸显，硅基光电子具有和成熟的CMOS微电子工艺兼容的优势，有望成为实现光电子和微电子集成的最佳方案。 从需求发展来看，光电子和微电子集成源动力来自于微电子/光电子各自的发展需求，微电子方面，深亚微米下电互连面临严重的延时和功耗瓶颈，需要引入光电子利用光互连解决电互连的问题；光电子方面，面对信息流量迅速增加下的提速降本需求，需要借助成熟的微电子加工工艺平台，实现大规模、高集成度、高成品率、低成本的批量化生产。 从技术特点来看，硅光子技术结合了集成电路技术的超大规模、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，以及基于硅材料的本身特性，硅光子技术主要具有高集成度、高速率、低成本等优点： （1）高速率：硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm，硅对于1.1-1.6μm的通信波段（典型波长1.31μm/1.55μm）是近乎无损透明，具有优异的波导传输特性，可以很好地兼容目前的光通信技术标准，同时利用光通路取代芯片间的数据电路，在实现大容量光互连的同时也保持着低能耗和低散热，高效地解决网络拥堵和延迟等问题； （2）高集成度：硅基材料具有高折射率和高光学限制能力，可将光波导弯曲半径缩减至5μm以下，基于成熟的CMOS工艺制作光器件，可实现硅光芯片更高的集成度及更多的嵌入式功能，其集成密度相比于传统的硅基二氧化硅（PLC）和磷化铟（InP）光芯片有望提高百倍以上，同时光芯片尺寸缩减也随之带来有低成本、低功耗、小型化等独特优势； （3）低成本：硅材料作为世界上储量第二的材料，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，硅光芯片的生产制造也基于CMOS和BiCMOS等集成电路工艺线，可以实现规模化量产，在芯片成本有较大的下降潜力。 表1：硅基光子集成回路平台应用广泛 从发展历程来看，硅光子技术从最初在1969年由著名的贝尔实验室提出以来，经历了3个主要的发展阶段： 1969-2000年的原理探索阶段，受限于工艺和技术的限制，硅光子技术的发展只集中在硅基有源器件和无源器件的实验室研究阶段； 2000-2008年的技术突破阶段，以Intel为首的企业与学术机构就开始重点发展硅芯片光学信号传输技术，期间2004年Interl研制出第一款1Gb/s速率的硅光调制器，人们看到硅芯片中“光进铜退”的可能性，其他各类硅光器件如探测器、激光器、无源器件等也陆续获得突破； 2008-2014年的集成应用阶段，以Luxtera、Intel、和IBM为代表的公司不断推出商用级硅光子集成产品，如Intel、Luxtera的硅光光模块，Acacia的相干光模块等； 目前，硅光子技术已逐渐进入应用拓展阶段：硅光子集成平台被广泛应用于多领域，比如在通信领域，已基本建立了面向数据中心、光纤传输、5G承载网、光接入等市场的一系列硅光产品解决方案；在新型微处理器技术上，DARPA、Intel、Ayar Labs等国外研发机构正在致力于实现硅光芯片与高性能微电子芯片的融合，并已验证了集成硅光I/O芯片的新一代FPGA、CPU和ASIC芯片；在光计算领域，Lightmatter、Lightelligence等公司积极推进应用于AI神经网络运算的硅光芯片；研究人员已研制出集成度最复杂的硅光量子芯片；在智能驾驶领域，硅光固态激光雷达或成下一代激光雷达的重要革新。 图2：硅光子技术已逐渐进入产业化阶段 硅光子技术由分组硅光向着可编程芯片方向发展。从技术演进来看，硅光子技术发展可分为四个阶段，由于受限于硅材料本身的光电性能，仍存在无法高密度集成光源、集成低损耗高速光电调制器等问题，目前硅光子技术主要集中在第二阶段—硅光子集成阶段： 第一阶段，分组硅光：硅基器件逐步取代分立元器件，即将硅做出光通信底层器件，并实现工艺标准化； 第二阶段，硅光子集成：集成技术从混合集成向单片集成演进，实现部分集成，即通过不同器件的组合集成不同的芯片； 第三阶段，全光电融合：光电全集成化，实现合封的复杂功能； 第四阶段，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；该种通过编程来改变内部结构的芯片，可自定义全功能。 图3：硅光子技术集成度不断提升 从工艺角度来看，硅光子集成分为单片集成和混合集成，目前混合集成使用较广，但是单片集成性能更优，是未来发展趋势。 单片集成：将光子学组件直接集成到同一块硅芯片上，包括光源、光调制器、波导、耦合器等光学元件，从而形成一个紧凑的光学电路。单片集成方式的优势在于可以减小尺寸、提高集成度、降低制造成本。 混合集成：将硅芯片与其他材料的光学组件结合在一起，即将电子器件（硅锗、CMOS、射频等）、光子器件（激光/探测器、光开关、调制解调器等）、光波导回路集成在一个硅芯片上。其中，硅芯片主要负责电子部分的处理，而其他材料的光学元件则负责光的生成和调制。混合集成的优势在于可以利用硅芯片的电子器件和其他材料的优异光学特性，实现更高效的光通信和传感应用。目前，硅光子技术主要采用基于SOI（绝缘衬底上硅）衬底的制造平台，已能实现探测器与调制器的单片集成。 图4：硅光集成技术从混合集成向单片集成演进 1.2、硅光PIC核心构成：光子的产生、路由、调制、处理和探测 在硅光的光子集成回路（PIC）中，主要包括光的产生、路由、调制、处理和探测。其核心器件主要包括：激光器（负责将电信号转化成光信号），光调制器（负责将光信号带宽提升），光探测器（负责将光信号转化成电信号），（解）复用器件（负责将不同波长携带的多路数据合并或分开）、光波导（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。 图5：PIC包括光的产生、路由、处理、探测、调制 图6：硅光子平台核心器件众多 1.2.1、激光器：负责将电信号转化成光信号 由于硅材料间接带隙的能带结构使得它无法实现高效率的片上光源，目前光源技术仍是硅光芯片的一大技术难题，硅基光源按照集成方式同样可以分为混合集成和单片集成两种方式。混合集成包括片间混合集成、片上倒装焊混合集成、片上键合异质集成，混合集成方案工艺较为成熟，但成本高、难以大规模集成；单片集成是直接在硅材料上生长特定材料作为激光器增益介质，性能有待提高，但是一直被认为是硅光子片上光源的终极解决方案，能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度，有望实现大规模光电子集成回路。 片间混合集成技术：与目前产业化应用最广泛的透镜耦合最为接近，但本质上还属于微封装技术，在多个光源耦合的应用中需要耗费大量时间在精密耦合对准工艺上，同时无法进行大规模光源的集成； 片上倒装焊混合集成：采用倒装焊或贴装工艺，将预制好的III-V族材料激光器放在硅光子芯片表面并通过焊球进行电连接，解决了可以集成光源的问题，但硅光芯片需要刻蚀开槽精确控制激光器耦合高度，同时仍需要解决高精度耦合问题，产业尚未得到广泛应用； 片上键合异质集成技术：将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方，由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路，该技术可实现Ⅲ-Ⅴ族材料与硅光芯片的大规模集成，但开发难度大，产品良率难以控制；目前只有Intel公司通过使用其原有的CMOS产线和Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体产线实现了片上键合异质集成技术路线的产品化并完成量产，其他多家公司（如美国惠普、美国Skorpios等公司）也在布局该方案； 单片集成（片上直接生长异质集成技术）：通过在已制作好的硅光晶圆上开槽，利用选区外延的方法生长Ⅲ-Ⅴ族材料，随后通过Ⅲ-Ⅴ族工艺制造光源。该种方法类似键合异质集成的流片过程，但不需要复杂的芯片到晶圆键合工艺，是最接近于CMOS集成工艺的异质集成技术。该技术虽然适合晶圆级大规模量产工艺，但对硅基Ⅲ-Ⅴ族外延技术有着很高的材料生长要求，需要解决一系列诸如硅基异质材料外延、片上光源耦合及片上光源老化等难题；目前该技术仍处于学术研究阶段。 图7：片上光源仍是硅光芯片的一大技术挑战 1.2.2、调制器：负责将光信号带宽提升 光调制器是将调制信号加载到光波导上的器件，在光模块中是完成电信号到光信号转换的关键器件，硅光调制器也是硅光集成器件中的核心器件之一。目前硅基调制器的3 dB带宽可以达到67 GHz以上，可以支持单波200 Gbit/s以上速率的调制和传