清華光芯片研究再獲新突破，產(chǎn)業(yè)應用潛力如何？ | 研報推薦

硅光模塊的市場(chǎng)份額，中國廠(chǎng)商積極布局。

智能光訓練概念圖 圖片來(lái)源：清華大學(xué)‍

 注：原文為天風(fēng)證券《AI算力系列之硅光：未來(lái)之光，趨勢已現》，分析師：唐海清、康志毅、王奕紅

近日，清華大學(xué)電子工程系副教授方璐課題組、自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組在智能光芯片領(lǐng)域再次取得重大進(jìn)展。繼國產(chǎn)高算力光芯片“太極”問(wèn)世后，“太極-II”的通用光訓練芯速度再提升1個(gè)數量級，并且登上國際學(xué)生期刊《自然》上。

據介紹，太極-II的面世，填補了智能光計算在大規模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )原位訓練這一核心拼圖的空白，將與太極-I合力，為后摩爾時(shí)代AI大模型的訓練、推理等應用提供算力支撐。 

作為AI算力未來(lái)的重要支撐，國內外參與硅光技術(shù)競爭的廠(chǎng)商越來(lái)越多。

在近期天風(fēng)證券發(fā)布的《AI算力系列之硅光：未來(lái)之光，趨勢已現》一文里，介紹了目前硅光技術(shù)的基本情況。

以下為內容節選：

一、硅光技術(shù)及應用領(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(guò)互補金屬氧化物半導體（CMOS）兼容的集成電路工藝制造相應的光子器件和光電器件（包括硅基發(fā)光器件、調制器、探測器、光波導器件等），并利用這些器件對光子進(jìn)行發(fā)射、傳輸、檢測和處理，以實(shí)現其在光通信、光傳感、光計算等領(lǐng)域中的實(shí)際應用。

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(guò)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(lèi)器件通過(guò)不同組合實(shí)現不同功能的單片集成，這也是目前硅光子技術(shù)的發(fā)展現狀；

未來(lái)第三階段，預計將通過(guò)光電一體技術(shù)融合，實(shí)現光電全集成融合；

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(lèi)，通過(guò)編程自定義全功能，實(shí)現可編程芯片。

3、硅光子集成度不斷提升

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

中等規模集成時(shí)代：Mach-Zehnder調制器（MZM）成功用在數據中心內的收發(fā)器中——PIC上有10到500個(gè)組件，包括單波長(cháng)和多波長(cháng)，基于微環(huán)調制器的收發(fā)器也體現了PIC技術(shù)的多路復用和能效優(yōu)勢。硅光子/電子平臺中的相干收發(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用，如生物傳感器。

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

4、硅光應用市場(chǎng)不斷擴大

市場(chǎng)研究機構Yole數據顯示，2022年硅光芯片市場(chǎng)價(jià)值為6800萬(wàn)美元，預計到2028年將超過(guò)6億美元，2022年-2028年的復合年均增長(cháng)率為44%。推動(dòng)這一增長(cháng)的主要因素是用于高速數據中心互聯(lián)和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學(xué)習的800G可插拔光模塊，數通光模塊的應用占硅光芯片市場(chǎng)的93%，復合增長(cháng)44%。

此外在電信領(lǐng)域、光學(xué)激光雷達、量子計算、光計算以及在醫療保健領(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，從而降低信號衰減、降低系統功耗、降低成本和實(shí)現高度集成。

CPO的發(fā)展才剛起步，并且其行業(yè)標準形成預計還要一定時(shí)間，但CPO的成熟應用或許會(huì )帶來(lái)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(kāi)始，傳統可插拔速率升級或達到極限，后續光互聯(lián)升級可能轉向CPO和相干方案。

二、硅光份額市場(chǎng)不斷擴大，國內廠(chǎng)商積極布局

1、硅光模塊與傳統光模塊區別

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工藝對光電子器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和集成的新技術(shù)。

普通光模塊是實(shí)現光電轉換的裝置，其在功能上需對光信號進(jìn)行調制和接收。普通光模塊在制造上需要經(jīng)過(guò)封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，最終實(shí)現調制器、接收器以及無(wú)源光學(xué)器件等的高度集成。各器件主要通過(guò)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(kāi)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別。

硅光模塊芯片通過(guò)硅晶圓技術(shù)，在硅基底上利用蝕刻工藝加上外延生長(cháng)等加工工藝制備調制器、接收器等關(guān)鍵器件，以實(shí)現調制器、接收器以及無(wú)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單通道光芯片的傳輸瓶頸，在未來(lái)高速傳輸時(shí)代具有較大優(yōu)勢。相較傳統分立光模塊，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(xiàn)主要分為III-V族和Si兩大陣營(yíng)，其中DFB、DML、EML等激光器是InP陣營(yíng)，雖然技術(shù)相對成熟，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)現無(wú)源光電子器件和集成電路單片集成，可大規模集成，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(chǎng)規模

QYResearch調研團隊最新報告《硅光子學(xué)光學(xué)模塊 - 全球市場(chǎng)洞察和銷(xiāo)售趨勢（2024年）》顯示，預計2029年全球硅光模塊市場(chǎng)規模將達到57.1億美元，未來(lái)幾年年復合增長(cháng)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、設備材料、EDA軟件等企業(yè)；中游可分為硅光設計、制造、模塊集成三個(gè)環(huán)節，其中部分公司如Intel、ST等為IDM企業(yè)，可實(shí)現從硅光芯片設計、制造到模塊集成的全流程；下游則主要包括通信設備市場(chǎng)、電信市場(chǎng)和數通市場(chǎng)（數據中心通信市場(chǎng)）。

隨著(zhù)硅光市場(chǎng)規模逐漸擴大，傳統光模塊廠(chǎng)商也在通過(guò)自研/并購切入硅光設計領(lǐng)域

5、硅光模塊的市場(chǎng)份額，中國廠(chǎng)商積極布局

在數據通信市場(chǎng)，英特爾以61%的市場(chǎng)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）占據了近50%的市場(chǎng)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(chǎng)的發(fā)展。

目前市場(chǎng)競爭中，中國廠(chǎng)商份額較少，但國內的中際旭創(chuàng )、新易盛、光迅科技、博創(chuàng )科技、銘普光磁、亨通光電等開(kāi)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(chǎng)導入期。

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(kāi)關(guān)、光波導、硅基探測器（Ge探測器）及光調制器（SiGe調制器）等已實(shí)現了突破。

目前的硅光技術(shù)仍主要體現成兩種基本形態(tài)，除采用大規模集成電路技術(shù)（CMOS）工藝集成單片硅光引擎方案外，市面上更常見(jiàn)的方案為混合集成方案，主要是光芯片仍使用傳統的三五族材料，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(jiàn)的調制方式

電光調制器完成從電信號到光信號的轉換功能，是光互連、光計算和光通訊系統的關(guān)鍵器件之一。在硅基電光調制器中，應用最廣的調

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

調制器常用光學(xué)結構有馬赫-增德?tīng)柛缮鎯x（MZI）型和微環(huán)諧振腔（MRR）型。

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