AI算力系列之硅光：未来之光，趋势已现

行业报告| 行业深度研究 证券研究报告 2024年08月08日 AI算力系列之硅光：未来之光，趋势已现 作者： 分析师唐海清SAC执业证书编号：S1110517030002分析师康志毅SAC执业证书编号：S1110522120002分析师王奕红SAC执业证书编号：S1110517090004 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 摘要 硅光集成度不断提高，应用领域也在扩大：硅光技术是以硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过CMOS集成电路工艺制造 相应的光子器件和光电器件，以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。硅光子集成度不断提升，集成数 量不断增加，应用领域也不断拓展。 数通光模块是硅光芯片最主要的应用方向：2022年-2028年硅光芯片市场复合年均增长率为44%，推动这一增长的主要因素是用于高速数据中心互联和机器学习光模块，数通光模块的应用占硅光芯片市场应用的93%。硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在CPO方案中。 硅光相比传统模块具备优势，未来高速增长：相较传统分立光模块，硅光模块还拥有成本低、功耗低、兼容CMOS工艺、 集成度高的优势。QYResearch调研团队预计2029年全球硅光模块市场规模将达到57.1亿美元，未来几年复合增长率35.2%。 国内厂商积极布局硅光模块：目前硅光模块市场中，中国厂商份额较少，但国内的中际旭创、新易盛、光迅科技、博创科技、铭普光磁、亨通光电等开始参与竞争，推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模块。可关注硅光模块、硅光芯片、CW光源、耦合及封装设备的投资机会。 建议关注：中际旭创、新易盛、天孚通信、源杰科技（与电子团队联合覆盖）、仕佳光子、罗博特科、光库科技。 风险提示：人才及技术更新风险；下游需求不达预期风险；竞争导致毛利率下降风险；技术迭代的风险；硅光模块良率不高的风险。 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明2 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 目录 1.硅光技术及应用领域 2.硅光份额市场不断扩大，国内厂商积极布局 3.硅光模块产业链分析 4.建议关注的上市公司 1 硅光技术及应用领域 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：CASVC国科创投公众号，国际电子商情公众号，天风证券研究所 5 1.1.硅光技术是什么 硅光技术是以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺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），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光传感、光计算等领域中的实际应用。 图：硅光子技术演进阶段 1.2.硅光子技术发展历程 从1969年美国贝尔实验室提出集成光学开始，到21世纪，Intel等企业开始进入硅光领域协助突破发展，硅光子技术开始进入产业化技术 突破阶段。2008年后，Luxtera、Intel等公司开始推出商用硅光集成产品，硅光芯片开始正式进入市场化阶段。 硅光技术的发展整体可分为四个阶段：第一阶段，通过硅基材料制造光通信的底层器件，逐步取代光分立器件；第二阶段，集成技术从混合集成逐渐向单片集成发展，将各类器件通过不同组合实现不同功能的单片集成，这也是目前硅光子技术的发展现状；未来第三阶段，预计将通过光电一体技术融合，实现光电全集成融合；第四阶段，器件分解为多个硅单元排列组合，矩阵化表征类，通过编程自定义全功能，实现可编程芯片。 图：硅光子技术演进阶段 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：集微咨询，天风证券研究所6 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：arXiv，集微咨询，信息与电子工程前沿FITEE公众号，天风证券研究所 7 1.3.硅光子集成度提升，应用领域也不断拓展 小规模硅光子集成时代，PIC上有1到10个组件，其中包括高速pn结调制器和光电探测器（PD），以及III-V激光器与硅PIC的异质集成； 中等规模集成时代，Mach-Zehnder调制器（MZM）成功用在数据中心内的收发器中——PIC上有10到500个组件，包括单波长和多波长，基于微环调制器的收发器也体现了PIC技术的多路复用和能效优势。硅光子/电子平台中的相干收发器证明，该技术可以在性能上与LiNbO3光子和III-V族电子媲美。除了通信，硅光子还有更多新的应用，如生物传感器。 大规模集成时代，在同一芯片上实现500到10000个组件，应用包括激光雷达、图像投影、光子开关、光子计算、可编程电路和多路复 用生物传感器；甚至超大规模集成电路（>10000个元件）的原型现在也已出现。 波导光栅阵列 耦合器阵列 调制器阵列 探测器阵列 激光器阵列 混合集成 衬底包含不同体系材料 系统级集成芯片 探测器 + 合波器 + 电芯片 探测器 + 调制器 + 合波器 + 电芯片 探测器 + 电芯片 激光器 + 电芯片 激光器 + 调制器 单片集成 同一衬底上集成 硅基光子集成 图：硅光集成主流方案图：硅光子集成电路（PIC）上组件数量的时间线 1.4.硅光应用市场不断扩大 数通应用占硅光应用90%以上：市场研究机构Yole数据显示，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，数通光模块的应用占硅光芯片市场的93%，复合增长44%。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。 图：2022-2028年硅光芯片按不同应用的销售额 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：Yole，中研网，天风证券研究所8 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：LightCounting，天风证券研究所 9 1.5.光模块中硅光及薄膜铌酸锂的份额将呈上升趋势 LightCounting预计，基于GaAs和InP的光模块的市场份额将逐步下降，而硅光子（SiP）和铌酸锂薄膜（TFLN）PIC的份额将有所上升。 LPO和CPO的采用也将促进SiP甚至TFLN器件的市场份额增长。 LightCounting预计硅光芯片的销售额将从2023年的8亿美元增至2029年的略高于30亿美元。采用TFLN调制器的PIC销售额将从现在的几乎为零增长到2029年的7.5亿美元。传统DWDM光模块中使用的块状LiNbo3调制器的销售额将继续下降，到2029年将变得微不足道。 图：光模块中激光器及光子集成电路PIC的销售收入情况 注：SiliconPhotonics为硅光；InP为磷化铟；GaAs为砷化镓；TFLN为薄膜铌酸锂；LiNbO3bluk为体材料铌酸锂。 1.6.CPO光电共封装 光电共封装（CPO）指的是交换ASIC芯片和硅光引擎（光学器件）在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降低成本和实现高度集成。 CPO的发展才刚起步，并且其行业标准形成预计还要一定时间，但CPO的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变化。 硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在CPO方案中。800G传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而CPO方案则更多的是技术探索。但是从1.6T开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后续光互联升级可能转向CPO和相干方案。 图：光模块尺寸进化图 图：CPOvs可插拔光模块 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：半导体行业观察公众号，前瞻经济学人，天风证券研究所 10 2 硅光份额市场不断扩大，国内厂商积极布局 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明11 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：集微咨询，智研咨询，FS，天风证券研究所 12 2.1.硅光模块与传统光模块区别 硅光即硅基光电子，是以硅和硅基为衬底材料（如SiGe/Si、SOI等），并利用CMOS工艺对光电子器件进行开发和集成的新技术。 普通光模块是实现光电转换的装置，其在功能上需对光信号进行调制和接收。普通光模块在制造上需要经过封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，最终实现调制器、接收器以及无源光学器件等的高度集成。各器件主要通过封装技术进行集成。 硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成，基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成便是其最大的特点，亦是它与普通光模块最大的区别。硅光模块芯片通过硅晶圆技术，在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件，以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。 图：硅光芯片的内部结构图：100G传统光模块及硅光模块的结构 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：集微咨询，芯语，FS，天风证券研究所 13 2.2.硅光模块的优势 硅光模块可突破传统单通道光芯片的传输瓶颈，在未来高速传输时代具有较大优势。相较传统分立光模块，硅光模块还拥有成本低、功耗低、兼容CMOS工艺、集成度高的优势。 目前光集成商业产品技术路线主要分为III-V族和Si两大阵营，其中DFB、DML、EML等激光器是InP阵营，虽然技术相对成熟，但是成本高，与CMOS工艺(集成电路工艺)不兼容，其衬底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件，采用COMS工艺实现无源光电子器件和集成电路单片集成，可大规模集成，具有高密度的优势，其衬底材料每1年可翻一倍。 图：传统光模块与硅光模块的优缺点图：400G普通光模块与硅光模块指标 传统光模块 硅光模块 优点 1、耦合效率高；2、低速传输有成本优势；3、易于和其他光传输系统集 1、高集成度：基于CMOS工艺，调制器和无源光路高度集成；2、突破单通道光芯片速率瓶颈，高速传 成。 输有性能优势；3、硅基衬底成本下降空间大。 缺点 1、Ⅲ-V族光芯片成本高； 1、硅波导和光纤耦合效率低，损耗较大， 2、分立式结构，封装成本高 适合中短距离传输场景； 分立式集成度低。 2、硅基上集成Ⅲ-V族化合物材料，两种材料兼容性较差，硅光芯片晶圆良率较低；3、400G前无成本优势。 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：QYResearch，天风证券研究所 14 2.3.硅光模块的市场规模 QYResearch调研团队最新报告《硅光子学光学模块-全球市场洞察和销售趋势（2024年）》显示，预计2029年全球硅光模块市场规模将达到57.1亿美元，未来几年年复合增长率CAGR为35.2%。 图：2018-2029年全球硅光模块市场规模（百万美元） 2.4.硅光全球产业链布局 与电芯片相似，硅光芯片的产业链上游为晶圆、设备材料、EDA软件等企业；中游可分为硅光设计、制造、模块集成三个环节，其中部分公司如Intel、ST等为IDM企业，可实现从硅光芯片设计、制造到模块集成的全流程；下游则主要包括通信设备市场、电信市场和数通市场（数据中心通信市场）。随着硅光市场规模逐渐扩大，传统光模块厂商也在通过自研/并购切入硅光设计领域。 图：硅光产业链图谱 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明资料来源：集微咨询，爱集微，天风证券研究所15 2.5.硅光模块的市场份额及中国厂商积极布局 在数据通信市场，英特尔以61%的市场份额领跑，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。 在目前市场