一、硅光技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域 1、硅光技術(shù)是什么 硅光技術(shù)是以硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過互補(bǔ)金屬...

一、硅光技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

1、硅光技術(shù)是什么

硅光技術(shù)是以硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學(xué)介質(zhì)，通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應(yīng)的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調(diào)制器、探測器、光波導(dǎo)器件等），并利用這些器件對(duì)光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實(shí)現(xiàn)其在光通信、光傳感、光計(jì)算等領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

2、硅光子技術(shù)發(fā)展歷程  

硅光技術(shù)的發(fā)展整體可分為四個(gè)階段：

第一階段，通過硅基材料制造光通信的底層器件，逐步取代光分立器件；

第二階段，集成技術(shù)從 混合集成逐漸向單片集成發(fā)展，將各類器件通過不同組合實(shí)現(xiàn)不同功能的單片集成，這也是目前硅光子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；

未來第三階段，預(yù)計(jì)將通過光電一體技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)光電全集成融合；

第四階段，器件分解為多個(gè)硅單元排列組合，矩陣化表征類，通過編程自定義全功能，實(shí)現(xiàn)可編程芯片。

3、硅光子集成度不斷提升

小規(guī)模硅光子集成時(shí)代：PIC上有1到10個(gè)組件，其中包括高速pn結(jié)調(diào)制器和光電探測器（PD），以及III-V激光器與硅PIC的異質(zhì)集成；

中等規(guī)模集成時(shí)代：Mach-Zehnder調(diào)制器（MZM）成功用在數(shù)據(jù)中心內(nèi)的收發(fā)器中——PIC上有10到500個(gè)組件，包括單波長和多波長，基于微環(huán)調(diào)制器的收發(fā)器也體現(xiàn)了PIC技術(shù)的多路復(fù)用和能效優(yōu)勢。硅光子/電子平臺(tái)中的相干收發(fā)器證明，該技術(shù)可以在性能上與LiNbO3光子和III-V族電子媲美。除了通信，硅光子還有更多新的應(yīng)用，如生物傳感器。

大規(guī)模集成時(shí)代：在同一芯片上實(shí)現(xiàn)500到10000個(gè)組件，應(yīng)用包括激光雷達(dá)、圖像投影、光子開關(guān)、光子計(jì)算、可編程電路和多路復(fù)用生物傳感器；甚至超大規(guī)模集成電路（>10000個(gè)元件）的原型現(xiàn)在也已出現(xiàn)。

4、硅光應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大

市場研究機(jī)構(gòu)Yole數(shù)據(jù)顯示，2022年硅光芯片市場價(jià)值為6800萬美元，預(yù)計(jì)到2028年將超過6億美元，2022年-2028年的復(fù)合年均增長率為44%。推動(dòng)這一增長的主要因素是用于高速數(shù)據(jù)中心互聯(lián)和對(duì)更高吞吐量及更低延遲需求的機(jī)器學(xué)習(xí)的800G可插拔光模塊，數(shù)通光模塊的應(yīng)用占硅光芯片市場的93%，復(fù)合增長44%。

此外在電信領(lǐng)域、光學(xué)激光雷達(dá)、量子計(jì)算、光計(jì)算以及在醫(yī)療保健領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。

5、CPO光電共封裝

光電共封裝（CPO）指的是交換 ASIC 芯片和硅光引擎（光學(xué)器件） 在同一高速主板上協(xié)同封裝，從而降低信號(hào)衰減、降低系統(tǒng)功耗、降低成本和實(shí)現(xiàn)高度集成。

CPO的發(fā)展才剛起步，并且其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成預(yù)計(jì)還要一定時(shí)間，但CPO的成熟應(yīng)用或許會(huì)帶來光模塊產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的重大變化。

硅光技術(shù)既可以用在傳統(tǒng)可插拔光模塊中，也可以用在CPO方案中。800G傳輸速率下硅光封裝滲透率會(huì)有提升，而CPO方案則更多的是技術(shù)探索。但是從1.6T開始，傳統(tǒng)可插拔速率升級(jí)或達(dá)到極限，后續(xù)光互聯(lián)升級(jí)可能轉(zhuǎn)向CPO和相干方案。

二、硅光份額市場不斷擴(kuò)大，國內(nèi)廠商積極布局

1、硅光模塊與傳統(tǒng)光模塊區(qū)別

硅光即硅基光電子，是以硅和硅基為襯底材料（如SiGe/Si、SOI等），并利用CMOS工藝對(duì)光電子器件進(jìn)行開發(fā)和集成的新技術(shù)。

普通光模塊是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的裝置，其在功能上需對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和接收。普通光模塊在制造上需要經(jīng)過封裝電芯片、光芯片、透鏡、對(duì)準(zhǔn)組件、光纖端面等器件，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器以及無源光學(xué)器件等的高度集成。各器件主要通過封裝技術(shù)進(jìn)行集成。

硅光模塊所使用的硅光子技術(shù)是利用CMOS工藝進(jìn)行光器件的開發(fā)和集成，基于CMOS制造工藝進(jìn)行硅光模塊芯片集成便是其最大的特點(diǎn)，亦是它與普通光模塊最大的區(qū)別。

硅光模塊芯片通過硅晶圓技術(shù)，在硅基底上利用蝕刻工藝加上外延生長等加工工藝制備調(diào)制器、接收器等關(guān)鍵器件，以實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器以及無源光學(xué)器件的高度集成。

2、硅光模塊的優(yōu)勢

硅光模塊可突破傳統(tǒng)單通道光芯片的傳輸瓶頸，在未來高速傳輸時(shí)代具有較大優(yōu)勢。相較傳統(tǒng)分立光模塊，硅光模塊還擁有成本低、功耗低、兼容CMOS工藝、集成度高的優(yōu)勢。

目前光集成商業(yè)產(chǎn)品技術(shù)路線主要分為III-V族和Si兩大陣營，其中DFB、DML、EML等激光器是InP陣營，雖然技術(shù)相對(duì)成熟，但是成本高，與CMOS工藝(集成電路工藝)不兼容，其襯底材料每2.6年才翻一倍。而Si硅光器件，采用COMS工藝實(shí)現(xiàn)無源光電子器件和集成電路單片集成，可大規(guī)模集成，具有高密度的優(yōu)勢，其襯底材料每1年可翻一倍。

3、硅光模塊的市場規(guī)模

QYResearch調(diào)研團(tuán)隊(duì)最新報(bào)告《硅光子學(xué)光學(xué)模塊 - 全球市場洞察和銷售趨勢（2024年）》顯示，預(yù)計(jì)2029年全球硅光模塊市場規(guī)模將達(dá)到57.1億美元，未來幾年年復(fù)合增長率CAGR為35.2%。

4、硅光全球產(chǎn)業(yè)鏈布局

與電芯片相似，硅光芯片的產(chǎn)業(yè)鏈上游為晶圓、設(shè)備材料、EDA軟件等企業(yè)；中游可分為硅光設(shè)計(jì)、制造、模塊集成三個(gè)環(huán)節(jié)，其中部分公司如Intel、ST等為IDM企業(yè)，可實(shí)現(xiàn)從硅光芯片設(shè)計(jì)、制造到模塊集成的全流程；下游則主要包括通信設(shè)備市場、電信市場和數(shù)通市場（數(shù)據(jù)中心通信市場）。

隨著硅光市場規(guī)模逐漸擴(kuò)大，傳統(tǒng)光模塊廠商也在通過自研/并購切入硅光設(shè)計(jì)領(lǐng)域

5、硅光模塊的市場份額，中國廠商積極布局

在數(shù)據(jù)通信市場，英特爾以61%的市場份額領(lǐng)跑，思科、博通和其他小公司緊隨其后。

在電信領(lǐng)域，思科（Acacia）占據(jù)了近50%的市場份額，Lumentum（Neophotonics）和Marvel（Inphi）緊隨其后，相干可插拔ZR/ZR+模塊推動(dòng)了電信硅光市場的發(fā)展。

目前市場競爭中，中國廠商份額較少，但國內(nèi)的中際旭創(chuàng)、新易盛、光迅科技、博創(chuàng)科技、銘普光磁、亨通光電等開始參與競爭， 推出了400G、800G甚至1.6T的硅光模塊，旭創(chuàng)1.6T硅光模塊更是采用自研硅光芯片并已處于市場導(dǎo)入期。

三、硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈分析

1、硅光模塊-硅光芯片

硅光技術(shù)在光開關(guān)、光波導(dǎo)、硅基探測器（Ge探測器）及光調(diào)制器（SiGe調(diào)制器）等已實(shí)現(xiàn)了突破。

目前的硅光技術(shù)仍主要體現(xiàn)成兩種基本形態(tài)，除采用大規(guī)模集成電路技術(shù)（CMOS）工藝集成單片硅光引擎方案外，市面上更常見的方案為混合集成方案，主要是光芯片仍使用傳統(tǒng)的三五族材料，采用分立貼裝或晶圓鍵合等不同方式將三五族的激光器與硅上集成的調(diào)制 器、耦合光路等加工在一起。

2、硅光模塊-硅光芯片中兩種常見的調(diào)制方式

電光調(diào)制器完成從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換功能，是光互連、光計(jì)算和光通訊系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。在硅基電光調(diào)制器中，應(yīng)用最廣的調(diào)

制機(jī)制是等離子色散效應(yīng)：外加電場作用改變硅波導(dǎo)中的載流子濃度，從而改變波導(dǎo)折射率和吸收系數(shù)。

調(diào)制器常用光學(xué)結(jié)構(gòu)有馬赫-增德爾干涉儀（MZI）型和微環(huán)諧振腔（MRR）型。

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