通信行業之硅光產業鏈深度研究：“超越摩爾”新路徑

  01 后摩爾時代，硅光技術“曙光初現”

  后摩爾時代，硅光技術成為降低IO功耗、提升帶寬的必要措施

  隨著信號速率每隔3～4年提升一倍，電信號能夠傳輸的距離在逐漸減小?；诔杀旧系目紤]人們還在盡量延續電信號傳輸的壽命，但由于芯片封裝和工藝制 程能力不可能無限提升，IO速率不斷提升導致的功耗增加最終會觸碰到芯片封裝的 功率墻。因此，硅光技術成為降低IO功耗、提升帶寬的必要措施。

  海外硅光領域并購整合頻發，瞄準未來賽道和核心科技

  硅光子是確定性技術發展趨勢，海外硅光并購整合頻發，瞄準未來賽道和核心科技：目前硅光領域并購集中在通信領域，硅光transceiver 公司大都被通信設備商收購，例如思科, Huawei, Nokia等，另外上游設計工具軟件也是并購重點方向。收并購情況看，硅光子具體技術路線在收斂確認中(EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，產業重點投入方向逐漸清晰，投資風險降低。

  02 什么是硅光?

  硅光原理：硅光子學的低成本、高速的光通信技術

  硅光技術是一種基于硅光子學的低成本、高速的光通信技術，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現光子器件的集成制備， 該技術結合了CMOS技術的超大規模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢。

  硅光核心元器件：光源、光波導、調制器、探測器

  硅光子核心器件主要包括以硅半導體材料的光有源及無源器件，包括硅基激光器(負責將電信號轉化成光信號)、硅基光 探測器(負責將光信號轉化成電信號)、硅基光調制器(負責將光信號帶寬提升)、平面波導(負責光信號在硅基材料上 傳輸)、光柵耦合器(負責與對外連接的光纖對準降低插損)等。

  硅光優勢：小尺寸、低功耗、低成本

  硅光集成將核心部件和配件集成在一個晶片上，器件數量顯著縮小，密集度有所提升;硅光有機結合了成熟微電子技術和寬帶光電子技術，硅光方案既降低了硅光模塊、芯片等成本，又提高了可靠性。

  混合集成原理

  混合集成是將使用不同材料、不同制作工藝制造出來的元器件組合安裝在同一襯底上，比如說基于 硅基的集成(平面光波導混合集成，硅光等)，基于磷化銦的集成等，典型的混合集成是將有源光器 件(激光器，探測器等)集成到具有光路連接或者其他一些無源功能(分合波器等)的基板上(平面光波 導，硅光等)。

  單片集成原理

  單片集成是經過相同制作工藝，將不同元器件集成在同一襯底上的一體化技術，實現起來有較大技術難度， 但具有結構緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優勢，是PIC的發展方向。利用硅光集成技術發展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模塊是當前研究者主要目標。目前，本領域技術 人員已經在硅光平臺上實現了高速率的硅光調制器，高速率檢測器，低損耗傳輸波導和波分復用等硅光器件。

  03 硅光替代分立光器件核心驅動：流量&技術進步&邊際成本

  數據流量高速增長是硅光技術需求的原生動力

  數據時代流量迅速增長對光通信性能提出更高要求，要求光通信行業做出變革，提高光通信產品的適應性和技術性。數據中心以太網交換機芯片處理高速率流量需求不斷提高： 云數據中心的大型化將極大提升光模塊的使用量，同時對光模塊的傳輸距離有了 更高的要求，同時驅動了光模塊工作速率不斷升級。

  光器件發展趨勢：高度集成、小型化、高速率

  葉脊網絡架構進一步增加光模塊需求：傳統三層結構IDC網絡架構有利于解決南北向數據傳輸問題(IDC內部與外部之間)，然而伴隨著虛擬 化、云計算、超融合系統等應用，使得東西向數據流成為主要流量，為了數據中心利用率以及效用最大化，越來越多的數據中心采用了葉脊 類型的網絡架構，以葉脊架構為例，光模塊總量是機柜數的46倍(傳統傳統三層架構光模塊總量是機柜數的9倍)。

  光通信提升帶寬傳統模式逼近極限

  提高每個通道的比特速率，提升比特速率有兩個方法:1、直接提升波特率;2、保持波特率不變，使用復雜的調制解調方式(如PAM4、QPSK， QAM16，QAM64等 )。

  分離器件光模塊技術演進瓶頸，硅光性價比提升

  硅光模塊在高速率下，仍具有器件小、穩定性強和硅材料能耗低的特性，較傳統光模塊具有一定優勢，因此硅光方案被相當一部分數據中心所采 用，硅光產業隨即得到發展。

  高階調制模式無法匹配信噪比，DSP成本高度提升

  高階復雜調制，如PAM4、QPSK，QAM16，QAM64等，以提高比特率;以及更高的符號速率等。

  1)高階復雜調制，無法匹配光源信噪比，傳輸損耗增大：進一步提高系統容量可以采用高階調制格式如8QAM(8-level quadratureamplitude modulation)或16QAM，但是高階調制需要更高的OSNR(Optical-Signalto-Noise Ratio 光信噪比)。對于同樣的符號速率， 16QAM所需的OSNR比QPSK高近7dB，這意味著在同樣的光纖、光放大器和跨段距離的條件下，采用16QAM雖然可以把容量提高一倍，但 無電中繼的傳輸距離會降低5倍。有許多技術可以提高16QAM的傳輸距離，如采用拉曼光放大器、低損耗和低非線性光纖、編碼調制技術、 非線性補償技術等等。

  2)DSP成本高度提升，商用化難度提升：光通信系統速率越高，電芯片成本在系統中的比例就越高，其中DSP芯片成本制約占主。DSP的復 雜程度直接影響了光模塊的成本與功耗。在100G時代，電芯片相關廠商有Macom、semtech，sillconlabs，Maxim等，商業化程度較高;而 400G時代電芯片則主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom，供應商較少，規模效應未顯。

  400G以上的速率受限于激光器芯片速率及成本

  光通信中主要涉及到的芯片包含光芯片和電芯片。光芯片是光模塊中完成光電信號轉換的直接芯片，又分為激光器芯片和探測器芯片;電芯片一方面實現對光芯片工作 的配套支撐，如 LD(激光驅動器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(時鐘和數據恢復電路)，一方面實現電信號的功率調節，如MA(主放)，另一方面實現一些復雜的DSP(數字信號 處理)。光芯片的成本占比通常在40%-60%，電芯片的成本占比通常在10%-30%之間。

  硅光對傳統光模塊行業鏈影響

  由于傳統光模塊制造過程中封裝工序較為復雜，需要投入較多人工成本，而硅光 芯片高度集成，組件與人工成本也相對減少，對于下游封裝廠或制造商的要求在 降低，尤其是2024 年后，采用硅光集成技術的光電共封裝(CPO)技術預計將會 成為主流模式，傳統光模塊生產制造企業將會勉勵較大的技術挑戰。

  04 典型廠商硅光產品布局匯總

  歐美先發領先，中國初步發展

  硅光技術自世紀初以來就在英美國家中受到重視。如英特爾和加州大學芭芭拉分校在硅光領域已經實現了完成十多年的產研合作，在很多關 鍵性的問題取得重大突破，歐洲也開展了一系列項目來拓展硅光技術的深度與廣度，目前已經取得一定成效。

  Acacia(思科收購)——布局獨到的技術創新型公司

  Acacia是一家美國的硅光模塊生產廠商。該公司產品的特點是高性能;低能耗(AC1200 Flex目前實現了業界600G的最低功耗);配套軟件 合理;內置的DSP芯片開發水平高，計算能力出色;器件體型小。其兩款產品(AC1200 Flex、可插拔模塊CFP2-DCO)被權威評測機構 Lightwave`s innovation review評為滿分產品。

  Intel——商用規模和先進技術兼具的行業領頭者

  Intel布局硅光領域多年，在很多關鍵性技術上取得了重大的突破，也為公司取得了不菲的收入。2018年公司年報中披露，當年公司的收入能 夠在傳統業務下滑的狀況實現增長，部分是依賴于硅光產品銷售取得的突破。

  Luxtera (思科收購)——走在商用化前端的硅光公司

  Luxtera是一家專注于使用標準半導體晶圓代工廠生產光電收發器產品的硅光公司，其產品的方向主要是以數據中心，部分參與5G基礎設施。 該公司規模出貨量業內領先，在硅器件規?；a研發方面經驗深厚，與晶圓制造加工廠商有著長久的技術合作關系，生產良率高，成本低。

  Mellanox(英偉達收購)—混合集成，特色耦合

  Mellanox是一家以色列的端到端的智能網絡設備提供商。其硅光產品既可以支持名為InfiniBand的高速網絡連接標準，也可以支持以太網連 接標準，硅光收發器產品覆蓋1Gb/s到200Gb/s速率。100Gb/s收發器物理介質分層覆蓋SR4到LR4，而200Gb/s僅支持短距離(100m以下) 應用，均可進行批量生產;與此同時，400G QSFP-DD DR4 500m 收發器也在2019年進行了展出。

  Sicoya(蘇州熹聯光芯) ——單片集成的先驅

  Sicoya是一家德國的硅光創業公司，2017年以100G硅光子收發器進入市場，該收發器使用130nm的硅鍺(SiGe)BiCMOS工藝制造，并聲稱 獲得客戶訂單。2019年，展示其EPIC光電集成的400G硅光子學技術，目標指向QSFP-DD，OSFP和COBO封裝的400G數據中心市場。與此 同時，Sicoya宣布在中國天津宣布建立新工廠，專注于光收發器和光引擎的組裝和測試。(報告來源：未來智庫)

  05 硅光技術當前技術評估

  硅光發展技術難點

  目前，已量產的硅光模塊，基于硅襯底的混合集成是主要方式。主要器 件包括：在硅襯底表面集成激光器(III-V族半導體，以InP為主)、調 制器(鈮酸鋰LiNbO3，具有優異的電光效應)、光探測器(Si中摻 Ge)、硅波導(Si對于1.31μm/1.55μm通信波段透明)、波分復用及 解復用器、耦合器等。

  高速環境中波分復用、解復用器件仍待成熟

  多路復用技術是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術，常見復用方式有波分復用、偏振復用、模式復用等。極大地拓展了光互連的通 信容量。其中目前主流的復用方式為波分復用，但隨著高速化需求的不斷加強，其他復用方式也會得到推廣。

  光纖耦合、熱管理仍待發展

  光纖耦合：Si波導和光纖的耦合一直都是硅光技術的難點。Si波導尺寸僅有幾百納米，與單模光纖9um的芯徑嚴重不符，直接耦合損耗過大。 耦合目前主要有光柵耦合和端面耦合兩種方式，模斑轉換器的損耗低，帶寬大。而光柵耦合器的對準容差大、耦合位置不受限制，可進行芯 片級的測試，但對不同偏振需要單獨設計參數。整體來看，光纖耦合技術依然有很大突破的空間，依然存在高密度多通道耦合 、通道間不一 致 、高效自動化耦合問題。

  06 硅光技術在通信領域進展及市場

  硅光市場：主要應用場景數據中心未來穩步向好

  數據中心是指全球協作的特定設備網絡，用來在因特網絡基礎設施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數據信息。近年來數據中心產業在全球 范圍內得到較快的發展，自2014年以來始終維持著較高的增長率，2018年已經實現6253.1億元的市場規模。

  交換機容量2-3年翻倍，傳統可插拔光模塊路徑力不從心

  交換機容量2-3年翻倍， 51.2T容量后傳統光模塊路徑大概率走不通：交換機的最高密度是1RU上可插32個400G光模塊，對應的容量12.8T。假 設兩三年后800G光模塊已經成熟并且尺寸功耗夠小，交換機還能變大一倍，2RU下最大也就能提供51.2Tb的容量了，基于當前的可插拔模塊 的路徑是走不通了。

  07 硅光行業產業鏈詳細拆解及產業特征

  全球硅光產業鏈全景：海外廠商主導，國內廠商跟隨

  硅光產業鏈上游主要包括PDA設計軟件、晶圓、外延、制造設備和原材料供應商;中游包括設計、制造和封裝廠商;下游主要是通信網絡 設備及其他相關設備廠商。

  PDA設計軟件：硅光子設計自動化工具

  硅光子設計從系統功能需求出發，基于功能分析和分解 ，設計出光子鏈路，并仿真獲得其可實現的功能性參數;進一步地，物理仿真與優化， 獲得組成光子鏈路的器件結構及布圖設計;然后基于器件的物理模型，分析鏈路集成中的寄生效應并驗證鏈路功能性，最后修正設計其結構參數。

  SOI晶圓：硅光子時代的“隱身”英雄

  制造硅光子芯片和器件最好、最自然的方法是使用絕緣體上硅(SOI) 晶圓: SOI材料相對于SiO2和 銦磷(InP)等材料體系具有更大的折射 率差，波導尺寸可以非常小。

  Foundry：國內硅光商業化流片平臺很弱，成為產業發展的重大短板

  硅光子集成制造關鍵技術工藝流程包括：外延生長、納米加工、異質結構鍵合、混合集成、器件封裝、高頻測試等，雖然相比于傳統CMOS工藝 大大簡化，但是也有眾多不同，至少需要對標準 CMOS 工藝增加 3 個工藝模塊：部分刻蝕、Ge 外延生長和光窗成型。

  08 硅光非通信市場想象空間大

  硅光子Fabless商業基礎初步形成，將極大擴展硅光市場應用

  目前由于硅光發展不成熟，硅光子產業鏈沒有像微電子產業一樣完全形成Foundry廠與硅光設計公司分開的產業格局，且硅光子集成度不高， 硅光器件的IP沒有完全形成與成熟，所以光器件也一般由Fabless自行設計。

  硅光Lidar：潛在應用場景市場價值高

  自動駕駛目前是各大公司和投資者重點關注領域。自動駕駛汽車至少需要5類感應器，其中Lidar作為感知的關鍵環節不可或缺。它主要負責 路上狀況感知，如感知行人、路面等，為智能決策提供數據來源。

  光子計算：光子矩陣、 片上互聯和片間傳輸取得突破性進展，硅光子賦能計算

  據OpenAI統計，自2012年，每3.4個月人工智能的算力需求就翻倍，摩爾定律帶來的算力增長已無法完全滿足需求，硅光芯片更高計算密度 與更低能耗的特性是極致算力的場景下的解決方案。未來5-10年，以硅光芯片為基礎的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。

  硅光子蓄勢待發消費者醫療可穿戴市場

  光可以照射到組織和血管上以監測、檢測和量化生物標記，因此光子學可以賦能無創醫療監測解決方案，用于低成本、小尺寸的醫療設備和面 向消費電子市場的可穿戴設備。

來源：(報告出品方/作者：華西證券，宋輝、柳玨廷)