隨著AI模型持續迭代，算力資源仍然趨緊，AI模型推理需求或將持續上升，蓬勃算力需求正推動矽光芯片時代來臨(lin) 。

01

矽光技術何許人也？

光模塊（Optical Modules）是實現光信號傳(chuan) 輸過程中光電轉換和電光轉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(chan) 業(ye) 發展趨勢正向著“高速率、低成本、低功耗”發展。

矽光技術則將光通信的傳(chuan) 輸速率、集成度向更高水平推進，是滿足不斷發展的大數據、人工智能、未來移動通信等產(chan) 業(ye) 對高速通信需求的核心技術選擇之一，並可應用於(yu) 生醫感測、量子運算、激光雷達等新興(xing) 的外延應用領域。

“芯片出光”是矽光技術核心理念，矽光技術利用成熟半導體(ti) CMOS工藝將光和電器件的開發與(yu) 集成到同一個(ge) 矽基襯底上，使光與(yu) 電的處理深度融合到一塊芯片上，真正實現“光互連”。與(yu) 傳(chuan) 統光電子相比，矽光具備集成度高、成本低、功耗低等顯著優(you) 勢。

矽光單片集成

資料來源:《矽基光電異質的集成與(yu) 思考》

首先，矽光模塊的光源成本相比較傳(chuan) 統分立式方案能夠大幅降低。其中英特爾的激光器方案采用異質集成方案，成本就比較低；目前大部分廠商的光源方案采用大功率CW光源，將傳(chuan) 統EML激光器中的EA調製器功能轉移到矽光芯片上，成本顯著降低。

同時，矽光芯片能夠集成發射端的準直鏡、波分複用器件等光器件，從(cong) 而實現成本降低。

並且通道數越多，矽光方案製造工藝成本越有優(you) 勢。400G往800G和1.6T升級時，主流方案中的通道數從(cong) 四通道升級到八通道，傳(chuan) 統方案中製造工藝步驟大幅增加，成本顯著增長，而矽光芯片隻需要多設計四個(ge) 通道，工藝上變化較小，成本較低。

傳(chuan) 統和矽光模塊的成本拆分對比

資料來源：CW-WDMMSA

同時，矽光芯片還使得電子元件與(yu) 光學元件能夠在同一芯片上集成，提高了集成度和係統性能。矽的折射率高達3.42，與(yu) 二氧化矽可形成較大的折射率差，確保矽波導具有較小的波導彎曲半徑，從(cong) 而減小器件尺寸並提高集成度。此外，矽對於(yu) 波長為(wei) 1.1~1.6微米的光波近乎無損透明，因此完全與(yu) 光通信器件的1.3~1.6微米工作波段兼容。

此外，矽光技術有較高的帶寬，能夠在極小的波長範圍內(nei) 傳(chuan) 輸大量數據，相比傳(chuan) 統的電傳(chuan) 輸技術，光傳(chuan) 輸能提供更高的數據傳(chuan) 輸速率和帶寬，極大提升通信效率，這也意味著在數據中心和高性能計算中，使用矽光技術可以實現更低的傳(chuan) 輸延遲。

02

契機已至

2023之後開啟量產(chan)

其實矽光技術並沒有那麽(me) “新”。

早在1969年，貝爾實驗室提出矽光子技術。1985年，矽基光子集成電路（PIC）問世。1991年至1992年，在厚絕緣體(ti) 上矽（SOI）工藝中實現了低損耗波導。在這個(ge) 階段，矽光子技術主要處於(yu) 理論和實驗研究階段，探索矽材料在光子學領域的應用可能性。相較於(yu) 集成電路的成熟發展和規模化應用，矽光技術在誕生之後的30多年裏發展一直相對緩慢，產(chan) 業(ye) 生態係統尚不成熟。

2000年至2009年，為(wei) 矽光技術的技術突破階段。矽光子技術開始取得一係列重要的技術突破，PIC的組件數量開始增長，低損耗波導和多種光學器件的研發成功，為(wei) 矽光子技術的進一步發展奠定了基礎。2010年，英特爾開發出首個(ge) 50Gb/s超短距矽基集成光收發芯片，標誌著矽光芯片開始進入產(chan) 業(ye) 化階段，之後十餘(yu) 年間矽光技術進入集成應用時期。

2023年後，矽光迎來產(chan) 業(ye) 爆發契機。3月份，OpenAI正式發布GPT-4，參數量達到萬(wan) 億(yi) 級別。在全球大模型熱潮下，算力需求正呈指數級增長態勢，驅動矽光需求不斷上升。同時，海內(nei) 外巨頭公司瞄準矽光賽道收並購頻發，科技巨頭公司高度重視矽光技術。目前投入研發的公司不僅(jin) 包括Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago等光通信公司，Intel、IBM、思科、Imec等半導體(ti) 廠商和華為(wei) 等設備商也加入了這一領域的競爭(zheng) 。10月，Intel宣布將矽光子業(ye) 務的可插拔模塊部分出售給Jabil，專(zhuan) 注於(yu) 更高價(jia) 值的組件業(ye) 務和光學I/O解決(jue) 方案。

2024年4月，台積電在2024年北美技術研討會(hui) 上概述了其3D光學引擎路線圖，並製定了為(wei) 全球帶來高達12.8Tbps光學連接的計劃。5月16日，中國光穀·光電子信息產(chan) 業(ye) 創新發展大會(hui) 於(yu) 中國光穀科技會(hui) 展中心隆重開幕，會(hui) 上光迅科技展出了重要技術裏程碑的1.6TOSFP—XD矽光模塊，其采用先進的CMOS技術實現高度集成、簡化封裝和大規模生產(chan) 。這種基於(yu) 矽光的光模塊因其超高的傳(chuan) 輸速率和可靠性，可在數據中心和雲(yun) 計算等領域實現高速互連。

光迅科技1.6T矽光模塊 資料來源：光迅科技公眾(zhong) 號

近日，國家信息光電子創新中心和鵬城實驗室的光電融合聯合團隊完成了2Tb/s矽光互連芯粒的研製和功能驗證，在國內(nei) 首次驗證了3D矽基光電芯粒架構，實現了單片最高達8×256Gb/s的單向互連帶寬。

03

市場空間有多大？

根據Yole官網，2022年全球矽光芯片市場空間為(wei) 6800萬(wan) 美元，預計到2028年將增長到6億(yi) 美元以上，2022-2028年CAGR達44%。這一增長將主要受到800G高數據速率可插拔模塊的推動。此外，快速增長的訓練數據集規模的預測表明，數據將需要在ML服務器中使用光學I/O來縮放ML模型。

而根據Light Counting資料顯示，人工智能集群對光連接的需求激增，扭轉了GaAs VCSEL市場份額下降的趨勢。英偉(wei) 達購買(mai) 了近200萬(wan) 個(ge) 400GSR4和800GSR8光模塊，並計劃今年再購買(mai) 400萬(wan) 個(ge) 。

Light Counting預計基於(yu) GaAs和InP的光模塊的市場份額將逐步下降，而矽光子（SiP）和铌酸鋰薄膜（TFLN）PIC的份額將有所上升。LPO和CPO的采用也將促進SiP甚至TFLN器件的市場份額增長。預計2029年，矽光芯片的銷售額將達到30億(yi) 美元。

04

相關(guan) 企業(ye) 有哪些？

首先在矽光工藝設備方麵，相比較傳(chuan) 統光模塊，矽光的組裝工藝步驟大大簡化，但矽光工藝的精度要求較高，主要是由於(yu) 耦合損耗通常是矽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之一，若耦合損耗較高，則光模塊功耗會(hui) 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(hui) 有一定的提升。

矽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。矽光工藝設備中除了包括高精度的硬件，軟件和配套的技術支持也是非常重要的組成部分。同時，在未來CPO光引擎、芯片間光互連等領域，對於(yu) 矽光組裝工藝的要求將會(hui) 越來越高。

Ficontec是全球光子及半導體(ti) 自動化封裝和測試領域的領先設備製造商之一，在矽光封裝設備領域具備較強的競爭(zheng) 力。羅博特科目前間接持有Ficontec約18.82%的股權，未來或將收購剩餘(yu) 81.18%股權達到全資控股。

在矽光模塊大功率CW光源方麵，由於(yu) 相比較傳(chuan) 統的EML激光器，大功率CW激光器為(wei) 矽光模塊提供連續的光信號，光功率保持不變，將調製功能剝離到矽光芯片上的調製器上，這樣既可以降低激光器成本，也可以降低光模塊的失效比例，因此是矽光模塊主要采用的激光器方案之一。包括源傑科技、仕佳光子等在內(nei) 的國內(nei) 多家光芯片公司都在布局，均推出了各種功率的CW光源產(chan) 品。

矽光器件和矽光模塊是矽光子產(chan) 業(ye) 鏈的主力環節，頭部廠商在矽光子技術的深度布局也將影響矽光產(chan) 品的滲透率。此前矽光子技術推動者主要是海外巨頭廠商，包括英特爾、思科和Lumentum等。隨著矽光子技術的不斷發展，多家國內(nei) 外廠商具備了矽光子技術的設計和封裝等能力，有望加速矽光子產(chan) 品的滲透。

其中中際旭創是全球領先的光模塊頭部廠商，在矽光芯片領域深耕多年，公司在400G、800G等產(chan) 品都有矽光產(chan) 品的布局，有望在2025年能夠實現批量化出貨。

天孚通信的光引擎產(chan) 品，既有傳(chuan) 統分立式方案也有矽光方案。在矽光方案中，天孚通信既可以提供配套的FA連接器、MT產(chan) 品、PM產(chan) 品等光無源器件，也可以提供矽光封裝工藝，具備較強的競爭(zheng) 力。博創科技則與(yu) 海外矽光芯片頭部廠商保持深度合作，高速光模塊具備較強優(you) 勢。

此外還有矽光工藝代工廠，目前大部分矽光器件/模塊廠商都會(hui) 選擇自己定製化芯片設計，然後將版圖給到代工廠進行流片。當前中芯國際等廠商在布局矽光子技術。燕東(dong) 微矽光工藝平台的一款光通信產(chan) 品已實現工藝貫通，進入樣品批試製階段。