通信行業(yè)市場前景及投資研究報告：AI浪潮硅光子黃金發(fā)展機遇

證券研究報告·行業(yè)深度AI浪潮來襲，硅光子迎來黃金發(fā)展機遇發(fā)布日期：2023年12月29日核心觀點硅光子技術(shù)優(yōu)勢顯著，目前數(shù)通光模塊為下游主要應(yīng)用場景。Nvidia、Intel、TSMC和Broadcom等海外科技巨頭紛紛布局硅光子技術(shù)，行業(yè)有望實現(xiàn)高速發(fā)展。與傳統(tǒng)光模塊相比，硅光模塊在有源和無源器件上均有明顯區(qū)別，硅光技術(shù)可以使光模塊成本有明顯下降，但工藝是影響硅光模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一?；仡欉^去幾年硅光模塊發(fā)展歷程，英特爾引領(lǐng)硅光子技術(shù)在100G時代大放異彩，但由于技術(shù)方案不同，200G和400G硅光模塊發(fā)展遲緩，而AI算力建設(shè)帶來的網(wǎng)絡(luò)速率快速升級，降低功耗和成本也成為光模塊領(lǐng)域發(fā)展的主要趨勢，因此800G硅光模塊有望迎來量產(chǎn)機遇，在未來1.6T時代硅光及薄膜鈮酸鋰的優(yōu)勢則更加明顯?？v觀當(dāng)前全球硅光模塊市場，思科和英特爾份額保持領(lǐng)先，但一體化布局的光模塊頭部廠商預(yù)計將會顛覆現(xiàn)有競爭格局。值得注意的是，以前光學(xué)I/O主要應(yīng)用在設(shè)備之間（服務(wù)器到交換機或交換機到交換機），現(xiàn)在也逐步滲透到板上芯片間光互連，未來會在芯片的chiplet之間實現(xiàn)光互連，將進一步拓展硅光技術(shù)應(yīng)用場景。此外，硅光子技術(shù)在CPO、光計算和激光等領(lǐng)域也有較為明確的應(yīng)用前景。從產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)來看，建議重點關(guān)注硅光設(shè)備、大功率CW光源、硅光器件及模塊和硅光工藝代工廠領(lǐng)域的投資機會。摘

要

硅光子技術(shù)優(yōu)勢顯著，數(shù)通光模塊為下游主要應(yīng)用場景。海外科技巨頭紛紛布局硅光子技術(shù)，有望實現(xiàn)高速發(fā)展。硅光具有兼容成熟的CMOS工藝、集成度高、封裝工藝簡化、低成本和低功耗等優(yōu)勢。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2022年到2028年硅光子芯片的市場規(guī)模的CAGR達到44%，其中數(shù)通光模塊在硅光子芯片市場中占比達到90%以上，為主要應(yīng)用場景。Nvidia、Intel、TSMC和Broadcom等科技巨頭在光互連等領(lǐng)域爭相布局硅光子技術(shù)，突破在即。

與傳統(tǒng)光模塊相比，硅光模塊在有源和無源器件上均有明顯區(qū)別，硅光技術(shù)可以使光模塊成本有明顯下降，但工藝是影響硅光模塊是否能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。硅光子技術(shù)主要是對光模塊中的激光器、調(diào)制器和無源器件產(chǎn)生變化。假設(shè)在同樣的良率水平下，硅光模塊相比較傳統(tǒng)光模塊的成本有一定的下降，主要體現(xiàn)在：硅光模塊的光源成本大幅降低；硅光芯片能夠集成部分光無源器件以降低成本；硅光模塊制造工藝成本大幅降低。硅光與CMOS工藝兼容性高，但也需要解決很多know-how問題，并且可能會影響最終硅光模塊是否能大批量生產(chǎn)。

硅光800G光模塊有望在2024年實現(xiàn)大批量出貨，一體化布局的光模塊頭部廠商預(yù)計將會顛覆現(xiàn)有競爭格局。英特爾引領(lǐng)硅光子技術(shù)在100G時代大放異彩，200G和400G硅光模塊發(fā)展遲緩，800G迎來量產(chǎn)機遇，1.6T時代硅光及薄膜鈮酸鋰優(yōu)勢凸顯。硅光產(chǎn)業(yè)鏈下游需求旺盛，上游設(shè)計方案百花齊放，一體化布局的廠商優(yōu)勢顯著。全球硅光模塊市場，思科和英特爾份額保持領(lǐng)先，但光模塊頭部廠商有望顛覆格局。相干技術(shù)下沉至DCI，硅光子技術(shù)因其高集成度和低成本，在相干光模塊領(lǐng)域?qū)⒏咚侔l(fā)展。

以前光學(xué)I/O主要應(yīng)用在設(shè)備之間（服務(wù)器到交換機或交換機到交換機），現(xiàn)在滲透到板上芯片間光互連，未來會在芯片的chiplet之間實現(xiàn)光互連。隨著AI的快速發(fā)展，多模態(tài)大模型的參數(shù)量大幅提升帶來數(shù)據(jù)傳輸需求的爆發(fā)，無論是訓(xùn)練側(cè)還是推理側(cè)，數(shù)據(jù)在GPU和Switch之間以及GPU和HBM之間的傳輸帶寬愈發(fā)成為整個系統(tǒng)的瓶頸。而硅光引擎目前是最佳的光學(xué)I/O產(chǎn)品形態(tài)之一，將大幅提升傳輸帶寬。此外，英特爾已經(jīng)推出了采用光互連技術(shù)的FPGA商業(yè)化產(chǎn)品Stratix10，以及采用硅光互連技術(shù)的泛處理器XPU產(chǎn)品。摘

要

硅光子技術(shù)在CPO、光計算和激光等領(lǐng)域應(yīng)用前景較好。CPO是業(yè)界公認(rèn)的未來更高速率光通信的主流產(chǎn)品形態(tài)之一，可顯著降低交換機的功耗和成本。硅光引擎是CPO交換機中最佳產(chǎn)品形態(tài)之一，有望得到廣泛應(yīng)用。光計算在AI領(lǐng)域快速發(fā)展，低功耗的優(yōu)勢驅(qū)動硅光子技術(shù)產(chǎn)品快速推進。硅光子技術(shù)應(yīng)用在固態(tài)激光OPA方案中，高集成度和低成本優(yōu)勢顯著。的FMCW和

投資機會一：硅光設(shè)備。硅光工藝設(shè)備除了包括高精度的硬件，軟件和技術(shù)支持也是非常重要的競爭力。Ficontec是全球光子及半導(dǎo)體自動化封裝和測試領(lǐng)域的領(lǐng)先設(shè)備制造商之一，在硅光封裝設(shè)備領(lǐng)域具備較強的競爭力。羅博特科（機械組覆蓋）目前間接持有Ficontec約18.82%的股權(quán)，擬收購剩余81.18%股權(quán)達到全資控股，建議重點關(guān)注。

投資機會二：大功率CW光源。外置大功率CW光源是目前硅光模塊采用的主要激光器方案，既可以降低激光器成本，也能降低光模塊的失效比例。外置大功率CW光源不僅可以用于硅光模塊，也可以用在CPO和光互連等產(chǎn)品上。國內(nèi)多家光芯片公司都在積極布局，均推出了各種功率的CW光源產(chǎn)品，包括源杰科技、仕佳光子等，建議關(guān)注。

投資機會三：硅光器件及硅光模塊。硅光器件和模塊是硅光子產(chǎn)業(yè)鏈的主力環(huán)節(jié)，頭部廠商在硅光子技術(shù)的深度布局也將影響硅光產(chǎn)品的滲透率。隨著硅光子技術(shù)的不斷發(fā)展，多家國內(nèi)外廠商具備了硅光子技術(shù)的設(shè)計和封裝等能力，有望加速硅光子產(chǎn)品的滲透。建議關(guān)注中際旭創(chuàng)、天孚通信、新易盛和博創(chuàng)科技等。

投資機會四：硅光工藝代工廠。在大批量生產(chǎn)的時候，硅光芯片流片的良率和一致性都是非常重要的參數(shù)。因此需要花費較多的時間和金錢去攻克硅光工藝中的know-how問題，從而保證量產(chǎn)的穩(wěn)定性。燕東微在硅光上亦有布局，公司硅光工藝平臺的一款光通信產(chǎn)品已實現(xiàn)工藝貫通，進入樣品批試制階段。

風(fēng)險提示：AIGC發(fā)展不及預(yù)期，硅光工藝導(dǎo)致硅光芯片的良率、一致性等性能較差；行業(yè)競爭加??；國際環(huán)境變化；海外宏觀；激光發(fā)展不及預(yù)期。目錄一、硅光子技術(shù)應(yīng)用廣泛，海外巨頭紛紛布局二、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的比較分析三、AI帶來數(shù)通800G硅光量產(chǎn)機遇，電信市場相干下沉值得期待四、泛處理器硅光互連市場空間廣闊，CPO及激光突破在即五、投資建議六、風(fēng)險提示1.1硅光子技術(shù)是利用CMOS工藝制造光器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

硅光子技術(shù)是以硅或者硅基材料（Si,

SiO2，SiGe）作為襯底材料，利用與集成電路兼容的CMOS工藝制造對應(yīng)的光子器件和光電器件，以實現(xiàn)對光的激發(fā)，調(diào)制，響應(yīng)等功能，廣泛應(yīng)用于設(shè)備互連、光計算等下游多個領(lǐng)域中。

硅光子技術(shù)的發(fā)展階段主要分為技術(shù)探索階段，技術(shù)突破階段，集成應(yīng)用階段，以及應(yīng)用拓展階段。目前硅光子技術(shù)處在應(yīng)用拓展階段，先進的硅光子集成平臺有望取得廣泛應(yīng)用。圖表1：硅光子技術(shù)發(fā)展歷史示意圖資料：英特爾，Cisco，Broadcom，中信建投1.2硅基材料具備兼容CMOS工藝、低成本和低功耗等優(yōu)勢

材料是影響光學(xué)器件性能的重要因素之一，不同材料對于光的作用不一樣，包括對光的吸收、折射、反射，以及激發(fā)輻射產(chǎn)生光，因此材料的進步在光學(xué)器件行業(yè)發(fā)展中起到關(guān)鍵的推動作用。

硅材料的優(yōu)點：能夠兼容成熟的CMOS工藝，集成度高，封裝工藝步驟減少，低成本和低功耗。

硅材料的缺點：間接帶隙，直接發(fā)光難度高，光源集成難度較高，偏振敏感且耦合損耗較大。圖表2：不同光學(xué)材料的優(yōu)缺點及應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域材料種類優(yōu)點缺點電信數(shù)通激光?

相干光模塊?

前傳光模塊?

WSS器件?

兼容CMOS工藝?

低成本?

低功耗?

耦合損耗大?

光源集成難度高?

偏振敏感?

100G光模塊?

200G/400G光模塊?

無源器件硅基?

OPA方案硅基芯片?

無源器件?

調(diào)制效率高?

驅(qū)動電壓小?

與光源易于集成?

工藝要求高?

成本高?

材料要求高?

光源?

相干光器件?

放大器?

光源?

調(diào)制器?

光源?

OPA方案集成芯片磷化銦?

調(diào)制帶寬大?

傳輸損耗小?

穩(wěn)定性好?

尺寸較大?

偏振敏感?

調(diào)制電壓高?

長距離調(diào)制器?

陀螺儀（導(dǎo)航）體材料鈮酸鋰薄膜鈮酸鋰?

無?

無?

尺寸小?

易于集成?

功耗低?

工藝難度大?

帶寬降低?

技術(shù)尚不成熟?

相干調(diào)制器?

陀螺儀（導(dǎo)航）?

高速光模塊?

OPA方案集成芯片資料：英特爾，光庫科技，中信建投1.3數(shù)通光模塊在硅光子芯片應(yīng)用市場中占據(jù)主要地位

根據(jù)Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球硅光子芯片的市場規(guī)模為0.68億美元，數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域占比達94%，其中數(shù)據(jù)中心用到的數(shù)通光模塊占比高達91%。預(yù)計2028年全球硅光子芯片市場規(guī)模增長至6.13億美元，CAGR為44%，其中數(shù)據(jù)中心市場為5.68億美元，CAGR為44%，NPO/CPO市場規(guī)模為300萬美元，CAGR為16%，光互連I/O市場規(guī)模為0.14億美元，CAGR為21%，光計算市場為0.05億美元，CAGR為16%。圖表3：2022-2028年全球硅光子芯片市場規(guī)模及下游拆分（百萬美元）資料：Yole，中信建投1.3數(shù)通光模塊在硅光子芯片應(yīng)用市場中占據(jù)主要地位（續(xù)）圖表4：硅光子市場及下游市場拆分圖資料：Yole，中信建投1.4海外科技巨頭爭相布局硅光子技術(shù)

布局硅光子技術(shù)的海外巨頭廠商較多，有望在AI浪潮下實現(xiàn)快速發(fā)展。隨著AI的快速發(fā)展，硅光子技術(shù)從通信逐步拓展到算力基礎(chǔ)設(shè)施及下游應(yīng)用領(lǐng)域，包括板間芯片光互連、芯片內(nèi)chiplet光互連、光計算和激光等領(lǐng)域。海外巨頭廠商紛紛布局硅光子技術(shù)，有望實現(xiàn)快速發(fā)展。圖表5：海外巨頭廠商布局硅光子技術(shù)相關(guān)情況資料：英特爾，英偉達，臺積電，AMD，博通，思科，特斯拉，中信建投目錄一、硅光子技術(shù)應(yīng)用廣泛，海外巨頭紛紛布局二、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的比較分析三、AI帶來數(shù)通800G硅光量產(chǎn)機遇，電信市場相干下沉值得期待四、泛處理器硅光互連市場空間廣闊，CPO及激光突破在即五、投資建議六、風(fēng)險提示2.1硅光技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用呈現(xiàn)出距離變短、端口變多的趨勢

從硅光技術(shù)在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用來看，呈現(xiàn)傳輸距離越來越短，端口數(shù)越來越多的趨勢。光通信在銅退光進的演進過程中，也伴隨著傳輸距離的逐步減短。根據(jù)英特爾的觀點，硅光通信技術(shù)早期應(yīng)用于電信長距離傳輸網(wǎng)絡(luò)之中，逐步往數(shù)通領(lǐng)域以及未來的板與板、芯片與芯片互連發(fā)展。電信傳輸中使用到的硅光產(chǎn)品數(shù)量較少，隨著距離越來越短，需要連接的終端越來越多，因此硅光產(chǎn)品也將越來越多。圖表6：硅光技術(shù)傳輸距離V.S.連接端口數(shù)資料：英特爾，中信建投2.2傳統(tǒng)分立式光模塊的工作原理及結(jié)構(gòu)

光模塊全稱為光收發(fā)模塊（Transceiver），由發(fā)射端（Transmitter）和接收端（Receiver）組成。數(shù)據(jù)傳輸過程如下：

光發(fā)射過程：電信號從交換機芯片經(jīng)由PCB進入光模塊，先經(jīng)過DSP和CDR等進行電信號處理，然后信號經(jīng)由驅(qū)動發(fā)給激光器和調(diào)制器，從而發(fā)射調(diào)制光信號，再通過發(fā)射端光引擎耦合到光纖中傳輸出去。

光接收過程：光信號到達目的交換機端口對應(yīng)的光模塊中，經(jīng)過光接口接收，由接收端光引擎?zhèn)髦撂綔y器轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)過TIA放大之后再經(jīng)過CDR和DSP進行處理，最后傳輸?shù)浇粨Q機芯片。圖表7：光模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖圖表8：中際旭創(chuàng)400GDR4光模塊結(jié)構(gòu)示意圖透鏡隔離器EMLDriverDSP連接器光引擎FAPD資料：電子技術(shù)設(shè)計，Systemplus，中信建投2.3.1

硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的區(qū)別——激光器

硅光子技術(shù)主要對光模塊中光相關(guān)的元器件產(chǎn)生影響，包括有源光器件（激光器、探測器和調(diào)制器）和無源光器件（隔離器，波分復(fù)用器件，透鏡等）。

激光器是光模塊內(nèi)部有源光器件的核心。目前在硅光模塊中，存在以下激光器的方案：

英特爾的方案，通過在低溫下的氧氣環(huán)境下，實現(xiàn)III-V族激光器與硅光芯片之間的異質(zhì)集成。單個通道配置兩個DFB激光器，其中一個激光器為備份，通過MZM光開關(guān)來進行切換，該方案能夠大幅提升激光器的可靠性；

激光器Flip-chip方案也相對成熟。將激光器組件直接倒裝焊到硅光芯片上，組件中可以包括激光器芯片、透鏡、隔離器等元器件，能夠節(jié)省光學(xué)耦合時間，有利于大規(guī)模量產(chǎn)。

外置激光器目前被越來越多的硅光子技術(shù)公司所采納。采用外置大功率CW激光器方案，而調(diào)制器集成到硅光芯片上，這種方案能夠降低激光器的成本，提升激光器的可靠性，同時模塊組裝工藝也更簡單。圖表9：英特爾的硅光光源異質(zhì)集成方案圖表10：Arista的TFLN光模塊中外置激光器方案示意圖資料：英特爾，Arista，中信建投2.3.2

硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的區(qū)別——探測器

在光模塊中，探測器一般具備兩個功能：1、在接收端一般用作將電信號轉(zhuǎn)換成光信號。2、在發(fā)射端用探測器MPD可以用來監(jiān)測激光器的發(fā)射功率是否正常。

傳統(tǒng)的光模塊中，一般采用的是III-V族InP基的光探測器，數(shù)通光模塊的探測器一般是PIN型，在靈敏度要求較高的電信光模塊產(chǎn)品上一般采用的是APD型。

英特爾的硅光模塊中，負(fù)責(zé)監(jiān)控激光器和調(diào)制器的探測器是采用的硅基III-V族異質(zhì)集成探測器，而在接收端負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換光信號的探測器則是采用的鍺硅探測器。圖表11：鍺硅光探測器方案結(jié)構(gòu)示意圖圖表12：硅基-III/V異質(zhì)集成光探測器示意圖硅基-III/V異質(zhì)集成光探測器鍺硅探測器資料：英特爾，中信建投2.3.3

硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的區(qū)別——調(diào)制器

在帶寬迭代周期不斷縮短的背景下，調(diào)制器逐步成為光模塊中非常重要的器件。光調(diào)制器基于電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Franz-Keldysh效應(yīng)、量子阱Stark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等對光信號的作用原理，可以制作成不同的調(diào)制器產(chǎn)品。在光信號的發(fā)射、傳輸、接收過程中，光調(diào)制器被用于控制光的相位或幅度。

在光模塊領(lǐng)域，主要存在以下幾種調(diào)制器的方案：

傳統(tǒng)的高速光模塊中，在EML激光器里集成了調(diào)制功能。EML激光器里包括DFB激光器和EA調(diào)制器，DFB激光器負(fù)責(zé)發(fā)射單模光信號，通過EA調(diào)制器來實現(xiàn)高速率的傳輸速率。EA調(diào)制器主要是利用電吸收的特性，通過施加電壓對光信號吸收從而達到調(diào)制的目的。

硅光和薄膜鈮酸鋰調(diào)制器中，一般采用馬赫-曾德爾調(diào)制器（Mach-Zehnder

Modulator)）結(jié)構(gòu)。輸入波導(dǎo)拆分為波導(dǎo)干涉儀的兩個臂，在其中一個臂上施加電壓，則通過該臂的光信號會產(chǎn)生相移。當(dāng)兩個臂的光信號重新合并時，兩個波之間存在相位差，干涉后實現(xiàn)振幅調(diào)制。

微環(huán)型調(diào)制器由環(huán)形波導(dǎo)與bus波導(dǎo)構(gòu)成。當(dāng)外加電壓時，相移器引入一定的相位延遲，導(dǎo)致微環(huán)的共振波長發(fā)生移動，干涉時光功率幅度產(chǎn)生變化。微環(huán)調(diào)制器尺寸小，響應(yīng)快，但是對加工工藝的精度以及溫度比較敏感，要求較高。圖表13：EML激光器結(jié)構(gòu)示意圖圖表14：馬赫-曾德爾調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖圖表15：微環(huán)調(diào)制器示意圖資料：Lumentum，Researchgate，Comsol，中信建投2.3.4

硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的區(qū)別——光無源器件

傳統(tǒng)光模塊中包含了諸多光無源器件，包括準(zhǔn)直透鏡、分光器、波分復(fù)用/解復(fù)用器件、隔離器和連接器等。

在硅光芯片中，可以集成光波導(dǎo)、波分復(fù)用/解復(fù)用和分光器等器件。因此一般在硅光模塊中，不再需要準(zhǔn)直透鏡、棱鏡、分光鏡、潛望鏡和波分復(fù)用的鍍膜器件等，而隔離器和連接器一般還是需要的。

硅光子技術(shù)對無源光器件的影響，主要還是體現(xiàn)在制造工藝步驟的大大簡化。在傳統(tǒng)的分立式光模塊中，需要將激光器、透鏡、波分復(fù)用器件等逐一進行耦合、粘貼、烘烤和溫循等操作，時間和人力成本較高，工藝步驟繁多帶來過程良率易受到較大影響。硅光芯片能夠大幅簡化制造工藝過程，降低成本，提升良率。圖16：Finisar的100GCWDM4傳統(tǒng)光模塊包含多種光無源器件圖17：英特爾的100GCWDM4硅光模塊集成較多光無源器件資料：SystemPlus，中信建投2.4相比于傳統(tǒng)光模塊，硅光模塊的總成本預(yù)計下降10-20%

假設(shè)在同樣的良率水平下，硅光模塊相比較傳統(tǒng)光模塊的成本有一定的下降，主要體現(xiàn)在：

硅光模塊的光源成本相比較傳統(tǒng)分立式方案，大幅降低。英特爾的激光器方案采用異質(zhì)集成方案，成本較低；目前大部分廠商的光源方案采用大功率CW光源，將傳統(tǒng)EML激光器中的EA調(diào)制器功能轉(zhuǎn)移到硅光芯片上，成本顯著降低。

硅光芯片能夠集成部分光無源器件，降低成本。目前硅光芯片主要是用于發(fā)射端，因此能夠集成發(fā)射端的準(zhǔn)直鏡、波分復(fù)用器件等光器件，有效的降低成本。

通道數(shù)越多，硅光方案制造工藝成本越有優(yōu)勢。400G往800G和1.6T升級時，主流方案中的通道數(shù)從四通道升級到八通道，傳統(tǒng)方案中制造工藝步驟大幅增加，成本顯著增長，而硅光芯片只需要多設(shè)計四個通道，工藝上變化較小，成本較低。圖表18：CW-WDMMSA組織成員示意圖圖表19：傳統(tǒng)和硅光模塊的成本拆分對比結(jié)構(gòu)件制造&測試制造&結(jié)構(gòu)件光有源器件光有源器件測試光無源器件PCBPCB光無源器件電芯片電芯片資料：CW-WDM

MSA，中信建投2.5.1

硅光芯片工藝需要攻克大量know-how問題

硅光與CMOS工藝兼容性高，但也需要解決很多know-how問題，并且可能會影響最終硅光模塊是否能大批量生產(chǎn)。

光無源硅光芯片的外延層包括下包層、硅光波導(dǎo)層和上包層，刻蝕時需要保證側(cè)壁粗糙度滿足需求以保證傳輸損耗相對較低，整體來看工藝相對比較成熟，能夠批量化生產(chǎn)包括PLC分路器、AWG等多種光無源硅光芯片。

光有源硅光芯片結(jié)構(gòu)相對更復(fù)雜一些，比如調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，在保證無源硅光工藝穩(wěn)定性的基礎(chǔ)之上，還需要增加離子摻雜、金屬電極等相關(guān)工藝，以使得帶寬和功耗等性能滿足要求。

硅光和III-V族材料的異質(zhì)集成工藝難度很高，需要長時間的工藝積累以攻克較多的know-how問題。異質(zhì)集成工藝中，材料外延難度較高，片上光源耦合及老化問題是繞不開的難題，在量產(chǎn)階段對良率的影響較大。圖表20：硅光與III-V族異質(zhì)集成工藝流程圖資料：Researchgate，中信建投2.5.2

硅光芯片—光引擎—硅光模塊制備過程

硅光芯片制備完成后，經(jīng)過前道測試和貼裝，再到后道與電芯片和其他無源器件進行集成，完成從芯片到光引擎器件到光模塊的整個制備過程。圖表21：硅光模塊工藝流程圖資料：ASE，中信建投2.5.3

硅光集成工藝發(fā)展路線分析圖表22：硅光集成工藝發(fā)展示意圖資料：Yole，中信建投目錄一、硅光子技術(shù)應(yīng)用廣泛，海外巨頭紛紛布局二、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的比較分析三、AI帶來數(shù)通800G硅光量產(chǎn)機遇，電信市場相干下沉值得期待四、泛處理器硅光互連市場空間廣闊，CPO及激光突破在即五、投資建議六、風(fēng)險提示3.1.1AI網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大幅提升光模塊數(shù)量需求

傳統(tǒng)的三層樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑤捯话闶侵饘邮諗康?。上層樹根處的網(wǎng)絡(luò)總帶寬要小于各葉子處交換機所有帶寬的總和，因此在數(shù)據(jù)量爆發(fā)的時候，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞的問題。

在胖樹網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，交換機與光模塊數(shù)量均大幅上升。英偉達的AI數(shù)據(jù)中心采用胖樹架構(gòu)，即使用大量相同帶寬的交換機，構(gòu)建出大規(guī)模的無阻塞網(wǎng)絡(luò)，對于任意的通信需求，總有路徑讓他們的通信帶寬達到網(wǎng)卡帶寬，架構(gòu)中用到的所有交換機都是相同的。圖表23：英偉達胖樹網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖圖表24：英偉達DGXA100Superpod介紹資料：英偉達，中信建投3.1.2AI網(wǎng)絡(luò)加速硬件帶寬升級周期

在AI數(shù)據(jù)中心中，越來越多的客戶傾向于加快網(wǎng)絡(luò)帶寬的升級迭代節(jié)奏，包括光模塊和交換機，因為帶寬越大，單位bit傳輸?shù)某杀靖?、功耗更低以及尺寸更小?/p>

1.6T光模塊有望在2024年下半年開始批量化出貨，比預(yù)期提早一年左右。800G光模塊的高增速反映出AI對于帶寬迫切的需求，其在2022年底開始小批量，2023年和2024年的出貨量或?qū)⒊尸F(xiàn)高速增長的態(tài)勢。AI對于帶寬的需求快速升級，網(wǎng)絡(luò)較高的性價比使1.6T光模塊有望加速到來。圖表25：英偉達超高帶寬NVLink的GH200產(chǎn)品性能示意圖圖表26：Marvell的數(shù)通光模塊DSP產(chǎn)品路線圖資料：英偉達，Marvell，中信建投3.2.1

英特爾引領(lǐng)100G硅光數(shù)通光模塊大規(guī)模商用

100G數(shù)通光模塊時代，硅光子技術(shù)表現(xiàn)亮眼。隨著數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，對于光模塊的需求爆發(fā)式增長，多家廠商開始大力研發(fā)用于數(shù)據(jù)中心的硅光模塊。初期是40G硅光數(shù)通光模塊小規(guī)模應(yīng)用，而后英特爾和Luxtera（后被思科收購）等公司的100G硅光模塊實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，其中100G

PSM4和100G

CWDM4硅光模塊是主要形態(tài)。根據(jù)英特爾的報告，截至2022年，英特爾共出貨了超800萬只硅光模塊。圖表27：英特爾100G硅光模塊產(chǎn)品示意圖圖表28：英特爾硅光子技術(shù)發(fā)展歷史示意圖資料：英特爾，中信建投3.2.2200G和400G硅光模塊發(fā)展遲緩，800G迎來量產(chǎn)機遇

從100G往200G和400G升級，單通道的速率需要提升兩倍或四倍，調(diào)制模式從NRZ轉(zhuǎn)變?yōu)镻AM4，對硅光調(diào)制器的設(shè)計和工藝提出了較高的要求。過去的幾年來看，硅光模塊在200G和400G均沒有實現(xiàn)批量出貨。

從800G光模塊目前在光口的主流方案是8x100G，相比較400G來說，也就說多了四個通道。對于硅光芯片來說，在設(shè)計上比較容易。因此在4-5年400G硅光模塊的研發(fā)基礎(chǔ)之上，800G硅光模塊量產(chǎn)有望迎來突破。圖表29：NRZ和PAM4調(diào)制信號示意圖圖表30：英特爾400GDR4硅光光模塊示意圖資料：，英特爾，中信建投3.2.31.6T加速到來，硅光及薄膜鈮酸鋰優(yōu)勢凸顯

1.6T光模塊有望在2024年下半年批量出貨，比預(yù)期提早一年左右。硅光和薄膜鈮酸鋰集成化方案在400G及800G時代的市場份額尚不高，但在多通道封裝方案中仍具一定優(yōu)勢，且相較于EML，硅光調(diào)制器和薄膜鈮酸鋰調(diào)制器在帶寬不斷提升的背景下優(yōu)勢凸顯。1.6T光模塊的光口單通道速率是200G，預(yù)計是未來的主流選擇，故硅光和薄膜鈮酸鋰或在1.6T時代有所突破。圖表31：OSFPMSA光口和電口不同方案示意圖資料：OSFP

MSA，中信建投3.3.1

近年來硅光子技術(shù)也在電信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高速發(fā)展

硅光技術(shù)在電信領(lǐng)域的應(yīng)用，近年來也實現(xiàn)了高速發(fā)展。從一開始的平面光波導(dǎo)（PLC）和波分復(fù)用的波導(dǎo)陣列光柵（AWG）產(chǎn)品技術(shù)，到密集波分復(fù)用（DWDM）器件和ROADM產(chǎn)品，再到相干光模塊領(lǐng)域，硅光技術(shù)快速進步，單根光纖的傳輸速率實現(xiàn)了大幅增長。圖表32：硅光技術(shù)各種器件的發(fā)展歷程圖表33：硅光技術(shù)在電信領(lǐng)域中的發(fā)展資料：英特爾，Acacia，中國光學(xué)期刊網(wǎng)，中信建投3.3.2

硅光子技術(shù)應(yīng)用從無源拓展到有源

硅光無源器件包括光分路器、硅光光柵I/O耦合器、AWG產(chǎn)品和DWDM器件等，這些硅光無源器件成為電信器件中的重要基礎(chǔ)元件，能夠有效降低產(chǎn)品的成本及尺寸。

硅光有源器件方面，Luxtera和英特爾在硅光調(diào)制器的突破，衍生出探測器、光開關(guān)和VOA等產(chǎn)品，真正打開了硅光技術(shù)在電信領(lǐng)域的應(yīng)用。圖表34：電信領(lǐng)域中的硅光無源器件圖表35：電信領(lǐng)域中的硅光有源器件資料：飛速，Light-on，Researchgate，中信建投3.3.3

相干下沉至DCI市場，市場空間廣闊

目前硅光技術(shù)在電信領(lǐng)域的有源器件的應(yīng)用主要分為兩部分：硅光相干光模塊，主要玩家包括Acacia、Marvell等；LCoS方案的WSS器件，主要玩家包括II-VI等。

相干光模塊主要應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)等長距離傳輸系統(tǒng)中，能夠覆蓋百公里及以上距離的數(shù)據(jù)傳輸。近年來，在云計算和AI的驅(qū)動下，數(shù)據(jù)中心建設(shè)如火如荼，而數(shù)據(jù)中心之間的連接需求也日益強勁。因此相干下沉至DCI市場，有望進一步提升相干光模塊的需求。圖表36：Acacia硅光相干光模塊演進示意圖圖表37：LCoS方案WSS器件結(jié)構(gòu)示意圖資料：Acacia，Jasperdisplay，中信建投3.3.4

硅光方案的相干光模塊集成度高，競爭力較強

硅光技術(shù)在相干光模塊存在三個應(yīng)用：硅基ITLA光源、硅光器件IC-TROSA以及包括DSP在內(nèi)的共封裝硅光器件。得益于硅光子技術(shù)的高集成度和低成本，有望在相干光模塊實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

相干光模塊領(lǐng)域，龍頭廠商Acacia采用的是硅光方案，產(chǎn)品在功耗、尺寸等方面具備較強的競爭力。近年來Acacia也在拓展數(shù)通光模塊市場，有望將相干光模塊中的硅光技術(shù)優(yōu)勢帶到數(shù)通領(lǐng)域。圖表38：SiFotonics硅光相干光模塊結(jié)構(gòu)示意圖圖表39：Marvell硅光系列產(chǎn)品示意圖資料：SiFotonics，Marvell，中信建投3.4.1

硅光產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，量產(chǎn)條件充分

硅光子技術(shù)下游需求旺盛，上游設(shè)計方案百花齊放，代工廠積極布局。硅光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈的上游包括光芯片設(shè)計、SOI襯底、外延片和代工廠，中游為光模塊廠商，下游分為數(shù)通領(lǐng)域和電信領(lǐng)域。

一體化布局的廠商優(yōu)勢比較明顯。英特爾、旭創(chuàng)、Coherent、思科和Marvell等廠商同時具備PIC設(shè)計和模塊集成能力，且與下游云廠商和AI等巨頭客戶保持緊密合作，優(yōu)勢顯著，在供應(yīng)鏈中的引領(lǐng)作用較為明顯。圖表40：硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)示意圖資料：Yole，中信建投3.4.2

思科和英特爾份額領(lǐng)先，光模塊廠商有望顛覆格局

從硅光模塊的格局來看，思科和英特爾的市場份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于其他廠商。2022年的光模塊市場來看，電信領(lǐng)域市場規(guī)模為12億美金，思科份額為49%，Lumentum份額為30%；數(shù)通領(lǐng)域市場規(guī)模為5.1億美金，英特爾占比61%，思科占比20%。

隨著AI的快速發(fā)展，400G及800G等高速光模塊的需求大幅提升，光模塊頭部公司的硅光方案進展處于行業(yè)領(lǐng)先地位。雖然思科和英特爾在當(dāng)前的硅光市場占比較高，但是AI將帶來更廣闊的400G和800G硅光模塊市場，而中際旭創(chuàng)、Coherent等公司有望獲取大部分份額，顛覆行業(yè)競爭格局。圖表41：2022年數(shù)通及電信光模塊市場份額圖表42：光模塊頭部廠商的硅光模塊布局光模塊廠商中際旭創(chuàng)Coherent新易盛硅光子技術(shù)布局情況采用自研的硅光芯片，用于400G/800G硅光模塊中；預(yù)計明年400G會量產(chǎn)，800G會有一定的出貨。800GDR8硅光模塊在ECOC2022會議上展出；內(nèi)部自研的單通道200G的硅光芯片性能較好。公司2022年收購Alpine公司，布局硅光技術(shù)；在400G和800G硅光模塊產(chǎn)品上采用自研硅光芯片。公司剝離硅光模塊部門給Jabil，保留硅光芯片部門；100G到800G硅光芯片均有布局，與模塊廠商緊密合作。英特爾Mellanox收購Kotura，硅光產(chǎn)品為1550nm器件和100GPSM4；與臺積電合作研發(fā)硅光子技術(shù)，用于GPU/Switch的光互連。英偉達資料：Yole，中際旭創(chuàng)，Coherent，新易盛，英特爾，英偉達，中信建投目錄一、硅光子技術(shù)應(yīng)用廣泛，海外巨頭紛紛布局二、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的比較分析三、AI帶來數(shù)通800G硅光量產(chǎn)機遇，電信市場相干下沉值得期待四、泛處理器硅光互連市場空間廣闊，CPO及激光突破在即五、投資建議六、風(fēng)險提示4.1英偉達將硅光子I/O在GPU間實現(xiàn)交叉互連

隨著AI的快速發(fā)展，多模態(tài)大模型的參數(shù)量大幅提升使帶寬容量也快速擴張。無論是訓(xùn)練側(cè)還是推理側(cè)，數(shù)據(jù)傳輸帶寬愈發(fā)成為整個系統(tǒng)的瓶頸。雖然目前電信號傳輸還具備一定的優(yōu)勢，但是隨著帶寬的加速增長，電信號傳輸距離越來越短，在芯片互連領(lǐng)域“光進銅退”目前看來也是勢在必行的行業(yè)趨勢。

英偉達與Ayar

Labs、臺積電等多家公司合作硅光子集成項目。在傳統(tǒng)的DGX服務(wù)器中，服務(wù)器內(nèi)部GPU與NVSwitch之間用電信號連接，硅光子方案中將GPU和NVSwitch都接入硅光I/O，每個GPU對應(yīng)2個光引擎，每個NVSwitch對應(yīng)6個光引擎，雙向帶寬達到25.6Tbps。數(shù)據(jù)收發(fā)過程單位bit消耗3.5pJ能量，英偉達仍在努力降低功耗，從而提升該方案的性價比。圖表43：英偉達在GPU和NVSwitch之間采用硅光引擎圖表44：英偉達硅光方案中數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎男适疽鈭D資料：英偉達，中信建投4.2英特爾將硅光子I/O帶入泛處理器XPU領(lǐng)域

英特爾在2023年Hot

Chips會議上展示了1TB/s的528線程處理器，該處理器采用了1TB/s硅光互連技術(shù)。該產(chǎn)品是為DARPA專門定制的RISC架構(gòu)處理器，數(shù)據(jù)處理速度比傳統(tǒng)計算架構(gòu)快100倍，功耗也更低。

該處理器包含8個計算核心，每個核心有66個線程。處理器周圍有4個硅光I/O引擎的chiplet，外接32根單模光纖，一半發(fā)射一半接收。每根光纖的帶寬為32GB/s，總帶寬達到1TB/s。圖表45：英特爾硅光方案處理器結(jié)構(gòu)示意圖圖表46：英特爾硅光方案處理器板卡實物圖資料：英特爾，中信建投4.3三星探索Optical

I/O在Chiplet之間的互連

HBM目前廣泛應(yīng)用于GPU芯片中，采用3D堆疊的芯片結(jié)構(gòu)，為GPU提供更大容量的內(nèi)存和更高的互連帶寬。多層DRAM芯片通過TSV和Microbump技術(shù)在垂直方面堆疊，再通過interposer中的金屬線實現(xiàn)互連。

AI的快速發(fā)展對內(nèi)存的容量和帶寬提出了更高的要求。為了發(fā)展下一代HBM技術(shù)，三星提出了兩個基于OpticalI/O的方案：

光學(xué)I/O作為interposer，HBM芯片和Logic芯片放在interposer上，電信號通過interposer上的電光接口轉(zhuǎn)換成光信號經(jīng)過光波導(dǎo)傳輸,到Logic或HBM所在的位置，再進行光電轉(zhuǎn)換為電信號。

在Logic芯片和多個off-package的HBM芯片之間引入光學(xué)連接，電信號通過Optical

I/O轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖實現(xiàn)光信號傳輸。

我們認(rèn)為，硅光子的光學(xué)I/O將是該技術(shù)方案中最佳的產(chǎn)品形態(tài)之一。圖表47：HBM通過電信號進行傳輸圖表48：三星考慮在Logic芯片和HBM之間引入光互連的兩種方案資料：三星，中信建投4.4硅光子I/O在FPGA芯片光互連領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化

數(shù)據(jù)傳輸帶寬的提升，使電信號損耗快速增加，需提升電信號功率才能保持正常傳輸，導(dǎo)致整體功耗較高。若通過光信號進行傳輸，可以提升帶寬、降低功耗（光信號傳輸損耗幾乎不隨速率提升變化）。

英特爾已經(jīng)推出了采用光互連技術(shù)的FPGA商業(yè)化產(chǎn)品Stratix

10。在近期的SC23會議上，英特爾和Ayar

labs共同推出了帶有2顆4Tb/s帶寬的TeraPHY

I/O

chiplet的FPGA產(chǎn)品，由兩個SuperNova光源支持每個chiplet上8根光纖的64個光通道的高速光通信。圖表49：帶寬增加，硅光子技術(shù)在光互連領(lǐng)域優(yōu)勢逐步擴大圖表50：Ayar

Labs和英特爾聯(lián)合推出的Stratix

10

FPGA產(chǎn)品資料：Ayar

Labs，英特爾，中信建投4.5CPO交換機降低功耗，硅光引擎是最佳產(chǎn)品形態(tài)

共封裝光學(xué)（CPO）是業(yè)界公認(rèn)的未來更高速率光通信的主流產(chǎn)品形態(tài)之一，可顯著降低交換機的功耗和成本。隨著交換機帶寬從最初的640G升級到51.2T，Serdes速率不斷升級疊加數(shù)量的持續(xù)增加，交換機總功耗大幅提升約22倍，而CPO技術(shù)能夠有效降低Serdes的功耗，因此在51.2T及以上帶寬交換機時代，CPO有望實現(xiàn)突破。

硅光芯片是CPO交換機中光引擎的最佳產(chǎn)品形態(tài)，有望在未來得到廣泛應(yīng)用。目前英特爾、博通和Meta等海外巨頭廠商在CPO交換機產(chǎn)品具有布局。圖表51：英特爾硅光引擎結(jié)構(gòu)示意圖圖表52：博通共封裝光學(xué)技術(shù)示意圖資料：英特爾，博通，中信建投4.6.1

光計算在AI領(lǐng)域快速發(fā)展，硅光子應(yīng)用空間廣闊

以Lightmatter和Lightelligence為代表的公司，推出了新型的硅光計算芯片，性能遠(yuǎn)超目前的AI算力芯片。該光芯片的計算過程通過光信號進行，功耗較低，只需要光源產(chǎn)生光信號即可。

根據(jù)Lightmatter的數(shù)據(jù)，他們推出的Envise芯片的運行速度比英偉達的A100芯片快1.5到10倍，具體根據(jù)任務(wù)的不同有所差異。以運行BERT自然語言模型為例，Envise的速度是英偉達芯片的5倍，功耗僅為后者六分之一。圖表53：Lightmatter光計算芯片模組示意圖資料：Lightmatter，中信建投4.6.2

硅光芯片上的MZI陣列適用于線性計算

AI領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算中，光信號通過硅光芯片上的MZI陣列，能夠順利地實現(xiàn)加乘的線性計算，功耗低，延時低，并行能力強，且通過改變每個MZI兩臂的電壓可以適配不同的計算模型。

非線性計算方面，目前來看，光信號還需要轉(zhuǎn)成電信號，計算較為困難。目前光芯片只負(fù)責(zé)計算方面的任務(wù)，存儲以及交互都是通過電芯片完成的，因此距離一顆光芯片實現(xiàn)計算+存儲+互連全功能的理想情況還有一定距離。圖表54：光計算芯片中MZI陣列示意圖資料：Lightmatter，中信建投4.7硅光技術(shù)可應(yīng)用于FMCW激光器和OPA等激光

器件

硅光技術(shù)在激光領(lǐng)域主要以高集成度的產(chǎn)品形態(tài)，應(yīng)用于固態(tài)激光中，未來有望實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。固態(tài)激光以其高可靠性和低成本的優(yōu)勢，普遍被認(rèn)為是未來主流的技術(shù)方案。

目前硅光技術(shù)主要是應(yīng)用在FMCW和OPA方案中，還處在研究階段，預(yù)計大規(guī)模應(yīng)用在2025年以后。FMCW方案主要是利用光信號的相干性，所以對光源的相干性要求比較高，基于硅基的外腔窄線寬調(diào)制激光器方案有望被采用。OPA方案，即相控陣，通過改變相位來控制出射光的方向，從而達到掃描的作用，可以通過硅光集成來實現(xiàn)。圖表55：FMCW測距原理示意圖圖表56：SiLC的硅光激光產(chǎn)品示意圖資料：Lumentum，SiLC，中信建投目錄一、硅光子技術(shù)應(yīng)用廣泛，海外巨頭紛紛布局二、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊的比較分析三、AI帶來數(shù)通800G硅光量產(chǎn)機遇，電信市場相干下沉值得期待四、泛處理器硅光互連市場空間廣闊，CPO及激光突破在即五、投資建議六、風(fēng)險提示5.1投資建議方向一：硅光工藝設(shè)備

相比較傳統(tǒng)光模塊，硅光的組裝工藝步驟大大簡化，但硅光工藝的精度要求較高，主要是由于耦合損耗通常是硅光模塊中較高的損耗組成部分。在400G及以上的光模塊中，功耗是很重要的性能參數(shù)之一，若耦合損耗較高，則光模塊功耗會有明顯增加，且耦合損耗掉的能量主要以熱的形式消耗掉，對散熱的要求也會有一定的提升。

硅光模塊的組裝涉及到的高精度工藝主要包括，貼片、耦合和測試。硅光工藝設(shè)備中除了包括高精度的硬件，軟件和配套的技術(shù)支持也是非常重要的組成部分。同時，在未來CPO光引擎、芯片間光互連等領(lǐng)域，對于硅光組裝工藝的要求將會越來越高。

Ficontec是全球光子及半導(dǎo)體自動化封裝和測試領(lǐng)域的領(lǐng)先設(shè)備制造商之一，在硅光封裝設(shè)備領(lǐng)域具備較強的競爭力。羅博特科（機械組覆蓋）目前間接持有Ficontec約18.82%的股權(quán)，擬收購剩余81.18%股權(quán)達到全資控股，建議重點關(guān)注。圖表57：硅光耦合設(shè)備示意圖圖表58：CPO光引擎耦合方案對比圖（主動V.S.被動）資料：Ficontec，中信建投5.2投資建議方向二：硅光模塊大功率CW光源

外置大功率CW光源是目前硅光模塊主要采用的激光器方案之一。相比較傳統(tǒng)的EML激光器，大功率CW激光器為硅光模塊提供連續(xù)的光信號，光功率保持不變，將調(diào)制功能剝離到硅光芯片上的調(diào)制器上，這樣既