2023年光模块行业发展现状分析：硅光技术开启高速与高集成度传输时代

• 冯少杰 2024年1月4日 来源：互联网 308 12
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光通信是整个通信网络的支柱和底座。相较以太网、无线网络，光通信具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，是当前全球最主流的信息传输方式之一。光通信器件产业链主要分为上游光芯片组件、中游光器件模组以及下游光通信设备、电信、数通设备等应用。

以太网：通过铜线传输数据的一种方式，具有速度快、可靠性高等优点，主要用于局域网内的数据传输；

无线网络：通过无线电波传输数据的一种方式，具有灵活性和可移动性，主要用于移动设备和远程传输的数据传输；

光通信：通过光纤传输数据的一种方式，具有高带宽、低延迟、抗干扰等优点，主要用于中长距离、高速传输的数据传输。

光模块（OpticalModules）是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件，是光通信中的重要组成部分。光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。目前，光模块应用速率正从10G~40G向100G~400G升级，400G~800G技术的研发与商业化应用进程加快，并进一步向更高速的1.6T速率发展。

根据中研普华研究院撰写的《2024-2029年中国光模块行业市场深度调研及投资策略预测报告》显示：

数据中心的迅速发展拉动全球光模块需求。光模块是数据中心内部数据传输和数据中心间互联的核心部件，随着全球范围内数据中心持续建设，其需求不断被拉升：根据Lightcounting预计，全球光模块市场规模在2020年达到81亿美元市场规模，并将在2026年进一步增长至176亿美元（较2020年，+117.3%）。

图表：数据中心发展带动全球光模块市场规模逐年递增

数据来源：Lightcounting

光芯片是光模块等光电子器件的主要组成部分，是现代光通信系统的核心。

电光转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，同时由于一般电子设备仅能识别电信号，需要光芯片进行电光转换，将传输信息系统中的光信号转化为电信号。光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。

首先发射端通过激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端；

接收端通过探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为一般设备能够识别的电信号；

其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性；

当前由于更高速率的光模块往往由多个中低速率光芯片组合实现，随着光模块速率的提升，光芯片在光模块的成本占比亦在不断提升。

（一）成熟的半导体产业在超大规模、高度集成化、极小制造上已有成熟工艺积累

全球半导体制造产业经历超50年、数千亿美元的建设已累积成熟的集成制造工艺，将成熟、发达的半导体集成电路工艺资源应用集成光器件上来，集成光学的工业水平会极大提高，成熟的半导体产业已为硅光结合提供坚实基础。

（二）高速增长的新需求呼唤更高速、更大带宽的光通信技术

随着5G（蜂窝5G）、F5G（固网5G）的持续发展，4K/8K超高清视频的普及，现网中的数据流量正以每年30%~40%的速度增长，业务流量增长速度大于当前光通信带宽增长的速度。同时，新兴AIGC应用的高速发展，自2012年以来每3-4个月人工智能的算力需求将翻一倍，带动带宽需求不断增加，光通信带宽也必须紧密跟进、不断提升速率，向高速的时代迈进。

“芯片出光”是硅光技术核心理念，硅光技术利用成熟半导体CMOS工艺将光和电器件的开发与集成到同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合到一块芯片上，真正实现“光互连”。硅光技术将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进，是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一，并可应用于生医感测、量子运算、激光雷达等新兴的外延应用领域。

硅光器件与产品主要可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。

硅光器件：包括光源、调制器、探测器、波导等，是实现各种功能的基本单元；

硅光芯片：将光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等若干基本器件进行单片集成；

硅光模块：进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等，是系统级的硅光产品形态。

将微电子集成电路技术的超大规模、超高精度特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势相结合，硅光技术较传统分立器件方案具更多优势：

数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高速率：传统铜电路已接近物理瓶颈，继续提高带宽越来越困难。云计算产业对芯片间数据交换能力提出更高要求，单颗芯片性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍，25Gb/s已接近传输速率的瓶颈。而硅光技术能突破这一瓶颈，大大提高带宽，相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度；

硅光芯片具高度集成化：以半导体制造工艺将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光路。相较InP等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA、TOSA封装，因而硅光器件器件体积与数量更小、集成度更高；

集成电路产业对硅基CMOS生产技术和工艺有成熟积累：硅光技术利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势；

功耗更低：相比传统的光学技术，硅光结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联密度以及更多的嵌入式功能，功耗更低、可靠性更高；

安全性高：相较于铜电路的功耗大、易发热，以及电磁波易干扰、易窃听的问题，光信号在安全性上具有显著优势；

波导传输性能优异：硅的波导传输特性优异，其对应的光波长为1.1μm在1.1-1.6μm的通信波段是透明的。同时，硅与二氧化硅形成较大的折射率差，使得硅波导具有较小的波导弯曲半径；

硅基材料与更紧密的集成方式降低了材料、制造和封装成本：第一，相较于传统的分立式器件，硅光模块的集成度更高，封装与人工成本降低。第二，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，相较传统三五族材料衬底而言，硅基芯片成本得以大幅降低。第三，对光模块进行成本拆分，光器件的成本占比超过70%，而其中TOSA光发射组件的成本占比较大，普通光模块与硅光模块的发射器类型不同，在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中，受限良率成本等问题，硅光模块成本优势不明显，但在400G及以上的高速率的场景中，由于传统DML和EML发射器类型的成本较高，硅光模块成本性价比优势开始显现。

根据中研普华研究院撰写的《2024-2029年中国光模块行业市场深度调研及投资策略预测报告》显示：

在集成工艺上，硅光技术是光通信传输向“高速率、高集成化、低功耗、低成本”迈进最有潜力且可靠的方向之一。

（1）将大功率多波长激光器、硅基高密度光发射模块、硅基高速光接收模块等芯片模块混合集成在同一晶圆上，提高集成光子组件密度，可以有效提升数据传输密度和效率，降低了功耗和成本。光模块器件本身有损耗、模块中各器件间有损耗，硅光技术利用半导体工艺带来的高度集成化优势，使各器件隔得更近，将减少“插入损耗”。光子集成产品在尺寸、功耗、成本、可靠性方面比广泛采用的分立元器件更具优势，是未来光器件的主流发展方向，也是能实现超高密度（>10Tb/s/cm2）的唯一途径，为低成本和低功耗的芯片到芯片通信铺平了道路，并可能取代目前金属互联；

（2）硅光技术和传统InP方案、薄膜铌化锂方案比较：传统InP集成度低、传输速率慢；薄膜铌化锂技术尚待成熟、成本高、更适用于长距离传输，硅光方案是高速率光通信方向可靠且最具性价比的发展方向。目前，光波复用/解复用、光波长调谐和变换等器件已可实现单芯片集成，而光模块需要混合集成。已量产的硅光方案，基于硅衬底的混合集成是主要方式，单片集成是未来技术发展方向。

在设计工艺流程上，CMOS平台为硅光技术提供了强大的工艺能力。但相较于半导体CMOS工艺，硅光技术还有以下特殊性：

总体路径：硅光的发展并非像半导体一样延续尺寸和节点减小的发展路径，对硅光而言更小的工艺节点并非像集成电路等比缩小的重要性那样大；

版图特点：硅光器件间的尺寸差别大，存在许多不规则结构，与其他半导体的版图区别较大；

工艺特殊性：各硅光器件对尺寸和工艺误差非常敏感，1nm的工艺误差或将对硅光器件性能带来明显的影响，因而硅光工艺需要严格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件侧壁粗糙度也对波导损耗带来巨大影响，对制备工艺有特殊优化的需要；

材料特殊性：硅由于没有一阶线性电光效应、材料发光较难，硅不是最佳的调制器材料。同时硅对1.1μm以上波长透明，无法作为通信波段光探测器材料，以硅材料为基底引入多材料是硅光的必然选择。

硅光芯片在设计流程上仍存在难点。如何做到与CMOS工艺的最大限度的兼容，如何进行多层次光电联合仿真，如何与集成电路设计一样基于可重复IP进行复杂芯片的快速设计等问题是硅光芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。

根据YoleIntelligence，2021年基于硅基光电子技术的产业总体市场规模约为1.51亿美元。到2027年，预计硅基光电子产业市场规模将迅猛增长至9.72亿美元，2021-2027年均复合增长率达到36%，数据中心光模块仍将以22%的CAGR成为产业中规模最大的应用。

市场格局上，全球硅光领域企业不多，且国外大厂占主导地位，中国相关产业开始崛起。由于仍属前沿技术，当前全球范围内专注且有出货硅光产品的企业不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体（ST）、Acacia与Molex等，绝大多数为在光通信和硅光领域有较长时间积累的海外巨头。在国内，越来越多的信息技术产业龙头公司正关注并布局硅光技术，其中华为十分积极活跃，不少中国硅光早期项目公司亦在近年快速崛起。

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