硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)深度研究：開啟高速與高集成度傳輸時代

硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)深度研究：開啟高速與高集成度傳輸時代01高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信產(chǎn)業(yè)最有潛力新風(fēng)口之一光通信是整個通信網(wǎng)絡(luò)的支柱和底座。相較以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)，光通信具有通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、信號串?dāng)_小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前全球最主流的信息傳輸方式之一。光通信器件產(chǎn)業(yè)鏈主要分為上游光芯片組件、中游光器件模組以及下游光通信設(shè)備、電信、數(shù)通設(shè)備等應(yīng)用。以太網(wǎng)：通過銅線傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，主要用于局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸；無線網(wǎng)絡(luò)：通過無線電波傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有靈活性和可移動性，主要用于移動設(shè)備和遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸；光通信：通過光纖傳輸數(shù)據(jù)的一種方式，具有高帶寬、低延遲、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，主要用于中長距離、高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸。光模塊（OpticalModules）是實(shí)現(xiàn)光信號傳輸過程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件，是光通信中的重要組成部分。光模塊的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢正向著“高速率、低成本、低功耗”發(fā)展。目前，光模塊應(yīng)用速率正從10G~40G向100G~400G升級，400G~800G技術(shù)的研發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程加快，并進(jìn)一步向更高速的1.6T速率發(fā)展。數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展拉動全球光模塊需求。光模塊是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)的核心部件，隨著全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)中心持續(xù)建設(shè)，其需求不斷被拉升：根據(jù)Lightcounting預(yù)計(jì)，全球光模塊市場規(guī)模在2020年達(dá)到81億美元市場規(guī)模，并將在2026年進(jìn)一步增長至176億美元（較2020年，+117.3%）。光芯片是光模塊等光電子器件的主要組成部分，是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的核心。電光轉(zhuǎn)換由光芯片實(shí)現(xiàn)，決定了信息傳輸速度和可靠性?，F(xiàn)代光通信系統(tǒng)是以光信號為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)，同時由于一般電子設(shè)備僅能識別電信號，需要光芯片進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將傳輸信息系統(tǒng)中的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片。首先發(fā)射端通過激光器內(nèi)的光芯片進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng)過光纖傳輸至接收端；接收端通過探測器內(nèi)的光芯片進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為一般設(shè)備能夠識別的電信號；其中，核心的光電轉(zhuǎn)換功能由激光器和探測器內(nèi)的光芯片來實(shí)現(xiàn)，光芯片直接決定了信息的傳輸速度和可靠性；

當(dāng)前由于更高速率的光模塊往往由多個中低速率光芯片組合實(shí)現(xiàn)，隨著光模塊速率的提升，光芯片在光模塊的成本占比亦在不斷提升。將微電子集成電路技術(shù)的超大規(guī)模、超高精度特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢相結(jié)合，硅光技術(shù)較傳統(tǒng)分立器件方案具更多優(yōu)勢：數(shù)據(jù)傳輸能力上，光信號擁有電信號不可比擬的高速率：傳統(tǒng)銅電路已接近物理瓶頸，繼續(xù)提高帶寬越來越困難。云計(jì)算產(chǎn)業(yè)對芯片間數(shù)據(jù)交換能力提出更高要求，單顆芯片性能越強(qiáng)、互聯(lián)的芯片數(shù)量越多，較低的互聯(lián)帶寬就越容易成為性能提升的障礙，25Gb/s已接近傳輸速率的瓶頸。而硅光技術(shù)能突破這一瓶頸，大大提高帶寬，相對電傳輸，采用高速光纖的光傳輸架構(gòu)，可以通過單一鏈路25Gb/s的標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到100Gb/s的傳輸速度；硅光芯片具高度集成化：以半導(dǎo)體制造工藝將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由調(diào)制器、探測器、無源波導(dǎo)器件等組成的集成光路。相較InP等有源材料制作的傳統(tǒng)分立器件，硅光光模塊無需ROSA、TOSA封裝，因而硅光器件器件體積與數(shù)量更小、集成度更高；集成電路產(chǎn)業(yè)對硅基CMOS生產(chǎn)技術(shù)和工藝有成熟積累：硅光技術(shù)利用半導(dǎo)體在超大規(guī)模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優(yōu)勢；在設(shè)計(jì)工藝流程上，CMOS平臺為硅光技術(shù)提供了強(qiáng)大的工藝能力。但相較于半導(dǎo)體CMOS工藝，硅光技術(shù)還有以下特殊性：總體路徑：硅光的發(fā)展并非像半導(dǎo)體一樣延續(xù)尺寸和節(jié)點(diǎn)減小的發(fā)展路徑，對硅光而言更小的工藝節(jié)點(diǎn)并非像集成電路等比縮小的重要性那樣大；版圖特點(diǎn)：硅光器件間的尺寸差別大，存在許多不規(guī)則結(jié)構(gòu)，與其他半導(dǎo)體的版圖區(qū)別較大；工藝特殊性：各硅光器件對尺寸和工藝誤差非常敏感，1nm的工藝誤差或?qū)韫馄骷阅軒砻黠@的影響，因而硅光工藝需要嚴(yán)格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件側(cè)壁粗糙度也對波導(dǎo)損耗帶來巨大影響，對制備工藝有特殊優(yōu)化的需要；材料特殊性：硅由于沒有一階線性電光效應(yīng)、材料發(fā)光較難，硅不是最佳的調(diào)制器材料。同時硅對1.1μm以上波長透明，無法作為通信波段光探測器材料，以硅材料為基底引入多材料是硅光的必然選擇。硅光芯片在設(shè)計(jì)流程上仍存在難點(diǎn)。如何做到與CMOS工藝的最大限度的兼容，如何進(jìn)行多層次光電聯(lián)合仿真，如何與集成電路設(shè)計(jì)一樣基于可重復(fù)IP進(jìn)行復(fù)雜芯片的快速設(shè)計(jì)等問題是硅光芯片從小規(guī)模設(shè)計(jì)走向大規(guī)模集成應(yīng)用的關(guān)鍵。02數(shù)據(jù)中心與AI帶動需求爆發(fā)開啟硅光產(chǎn)業(yè)黃金發(fā)展期由于高帶寬、小尺寸、低能耗和低成本等優(yōu)勢，硅光技術(shù)在通訊和高速運(yùn)算領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Γ蓮V泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電信、生醫(yī)感測、量子運(yùn)算、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。數(shù)據(jù)中心：是硅光技術(shù)未來最主要的市場之一，核心是服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器與用戶之間的連接便是光通信網(wǎng)絡(luò)。主要應(yīng)用場景為光模塊；消費(fèi)電子：可穿戴式設(shè)備與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的光學(xué)生物傳感器是主要應(yīng)用場景。硅光技術(shù)已在光通信尤其是數(shù)通短距場景取得局部商業(yè)落地，并逐步光傳感、光計(jì)算等新興應(yīng)用領(lǐng)域延展。硅光當(dāng)前發(fā)展最成熟的是包含數(shù)據(jù)中心互連收發(fā)器在內(nèi)的連接領(lǐng)域，涉及數(shù)據(jù)中心、高性能數(shù)據(jù)交換、長距離互聯(lián)、5G基礎(chǔ)設(shè)施等。后續(xù)將逐步擴(kuò)展到人工智能、激光雷達(dá)和其他傳感器等新興應(yīng)用中。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等新興技術(shù)的發(fā)展，國際數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模擴(kuò)大，全球數(shù)據(jù)中心流量以每年32%的速度飛速增長。云業(yè)務(wù)、云服務(wù)的增長刺激數(shù)據(jù)中心的大規(guī)模建設(shè)熱潮，根據(jù)《數(shù)據(jù)中心白皮書》，預(yù)計(jì)2022年全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將達(dá)到746.5億美元。根據(jù)Yole預(yù)測，數(shù)通市場、電信市場預(yù)計(jì)將在2027年分別達(dá)到168億美元和79億美元的市場規(guī)模，CAGR預(yù)計(jì)分別為19%和8%，直接帶動光模塊、光芯片需求的快速增長。數(shù)據(jù)中心發(fā)展過程面臨帶寬與功耗的痛點(diǎn)，大量的數(shù)據(jù)需要被存儲、傳輸和處理，高帶寬傳輸需求增大。隨著多核處理器、內(nèi)存需求和I/O帶寬需求的持續(xù)增加導(dǎo)致連接和網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力加大，同時帶寬的增長也會帶動功耗的快速提升。作為下一代互連技術(shù)強(qiáng)有力的競爭者，光互連具有寬頻帶、抗電磁干擾、強(qiáng)保密性、低傳輸損耗、小功耗等明顯優(yōu)于電互連的特點(diǎn)，是一種極具潛力的代替或補(bǔ)充電互連的方案。光互聯(lián)在未來數(shù)據(jù)中心互聯(lián)中的占比將越來越大，硅光集成技術(shù)將充分發(fā)揮光互連的帶寬優(yōu)勢。ChatGPT帶動的生成式AI、大模型AI相關(guān)技術(shù)將成為新一輪科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的智能底座，由此引發(fā)的算力需求大爆發(fā)將使得硅光芯片為未來AI產(chǎn)業(yè)助力。算力將是未來數(shù)字科技產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)生產(chǎn)資料，AI算力中心催生海量的服務(wù)器需求，加速服務(wù)器集群建設(shè)。我國對數(shù)據(jù)中心建設(shè)進(jìn)行國家層面的一體化布局，相繼發(fā)布《“十四五”國家數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》、《“十四五”國家信息化規(guī)劃》、《關(guān)于加快構(gòu)建全國一體化大數(shù)據(jù)中心協(xié)同創(chuàng)新體系的指導(dǎo)意見》、《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計(jì)劃（2021-2023年）》等政策，加快構(gòu)建算力、算法、數(shù)據(jù)、應(yīng)用資源協(xié)同的全國一體化大數(shù)據(jù)中心體系。2023年4月17日，科技部啟動了國家超算互聯(lián)網(wǎng)工作，旨在以互聯(lián)網(wǎng)思維運(yùn)營超算中心，構(gòu)建一體化超算算力網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺。按照計(jì)劃，到2025年底國家超算互聯(lián)網(wǎng)將形成技術(shù)先進(jìn)、生態(tài)完善的總體布局。國家計(jì)算力指數(shù)與G