通信行業(yè)之硅光產(chǎn)業(yè)鏈深度研究：“超越摩爾”新路徑

  01 后摩爾時代，硅光技術(shù)“曙光初現(xiàn)”

  后摩爾時代，硅光技術(shù)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?shù)木嚯x在逐漸減小。基于成本上的考慮人們還在盡量延續(xù)電信號傳輸?shù)膲勖?，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(dǎo)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(shù)成為降低IO功耗、提升帶寬的必要措施。

  海外硅光領(lǐng)域并購整合頻發(fā)，瞄準未來賽道和核心科技

  硅光子是確定性技術(shù)發(fā)展趨勢，海外硅光并購整合頻發(fā)，瞄準未來賽道和核心科技：目前硅光領(lǐng)域并購集中在通信領(lǐng)域，硅光transceiver 公司大都被通信設(shè)備商收購，例如思科, Huawei, Nokia等，另外上游設(shè)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(shù)路線在收斂確認中(EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，產(chǎn)業(yè)重點投入方向逐漸清晰，投資風(fēng)險降低。

  02 什么是硅光?

  硅光原理：硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)

  硅光技術(shù)是一種基于硅光子學(xué)的低成本、高速的光通信技術(shù)，利用基于硅材料的CMOS微電子工藝實現(xiàn)光子器件的集成制備， 該技術(shù)結(jié)合了CMOS技術(shù)的超大規(guī)模邏輯、超高精度制造的特性和光子技術(shù)超高速率、超低功耗的優(yōu)勢。

  硅光核心元器件：光源、光波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器

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

  硅光優(yōu)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(shù)量顯著縮小，密集度有所提升;硅光有機結(jié)合了成熟微電子技術(shù)和寬帶光電子技術(shù)，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(dǎo)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(dǎo)，硅光等)。

  單片集成原理

  單片集成是經(jīng)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(shù)，實現(xiàn)起來有較大技術(shù)難度， 但具有結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、功耗低、可靠性強等優(yōu)勢，是PIC的發(fā)展方向。利用硅光集成技術(shù)發(fā)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(lǐng)域技術(shù) 人員已經(jīng)在硅光平臺上實現(xiàn)了高速率的硅光調(diào)制器，高速率檢測器，低損耗傳輸波導(dǎo)和波分復(fù)用等硅光器件。

  03 硅光替代分立光器件核心驅(qū)動：流量&技術(shù)進步&邊際成本

  數(shù)據(jù)流量高速增長是硅光技術(shù)需求的原生動力

  數(shù)據(jù)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(yè)做出變革，提高光通信產(chǎn)品的適應(yīng)性和技術(shù)性。數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)交換機芯片處理高速率流量需求不斷提高： 云數(shù)據(jù)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(qū)動了光模塊工作速率不斷升級。

  光器件發(fā)展趨勢：高度集成、小型化、高速率

  葉脊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進一步增加光模塊需求：傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)IDC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有利于解決南北向數(shù)據(jù)傳輸問題(IDC內(nèi)部與外部之間)，然而伴隨著虛擬 化、云計算、超融合系統(tǒng)等應(yīng)用，使得東西向數(shù)據(jù)流成為主要流量，為了數(shù)據(jù)中心利用率以及效用最大化，越來越多的數(shù)據(jù)中心采用了葉脊 類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以葉脊架構(gòu)為例，光模塊總量是機柜數(shù)的46倍(傳統(tǒng)傳統(tǒng)三層架構(gòu)光模塊總量是機柜數(shù)的9倍)。

  光通信提升帶寬傳統(tǒng)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(fù)雜的調(diào)制解調(diào)方式(如PAM4、QPSK， QAM16，QAM64等 )。

  分離器件光模塊技術(shù)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(wěn)定性強和硅材料能耗低的特性，較傳統(tǒng)光模塊具有一定優(yōu)勢，因此硅光方案被相當一部分數(shù)據(jù)中心所采 用，硅光產(chǎn)業(yè)隨即得到發(fā)展。

  高階調(diào)制模式無法匹配信噪比，DSP成本高度提升

  高階復(fù)雜調(diào)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(fù)雜調(diào)制，無法匹配光源信噪比，傳輸損耗增大：進一步提高系統(tǒng)容量可以采用高階調(diào)制格式如8QAM(8-level quadratureamplitude modulation)或16QAM，但是高階調(diào)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(shù)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(diào)制技術(shù)、 非線性補償技術(shù)等等。

  2)DSP成本高度提升，商用化難度提升：光通信系統(tǒng)速率越高，電芯片成本在系統(tǒng)中的比例就越高，其中DSP芯片成本制約占主。DSP的復(fù) 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(guān)廠商有Macom、semtech，sillconlabs，Maxim等，商業(yè)化程度較高;而 400G時代電芯片則主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom，供應(yīng)商較少，規(guī)模效應(yīng)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(zhuǎn)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(xiàn)對光芯片工作 的配套支撐，如 LD(激光驅(qū)動器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)，一方面實現(xiàn)電信號的功率調(diào)節(jié)，如MA(主放)，另一方面實現(xiàn)一些復(fù)雜的DSP(數(shù)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(tǒng)光模塊行業(yè)鏈影響

  由于傳統(tǒng)光模塊制造過程中封裝工序較為復(fù)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(shù)的光電共封裝(CPO)技術(shù)預(yù)計將會 成為主流模式，傳統(tǒng)光模塊生產(chǎn)制造企業(yè)將會勉勵較大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

  04 典型廠商硅光產(chǎn)品布局匯總

  歐美先發(fā)領(lǐng)先，中國初步發(fā)展

  硅光技術(shù)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(xué)芭芭拉分校在硅光領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了完成十多年的產(chǎn)研合作，在很多關(guān) 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(shù)的深度與廣度，目前已經(jīng)取得一定成效。

  Acacia(思科收購)——布局獨到的技術(shù)創(chuàng)新型公司

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

  Intel——商用規(guī)模和先進技術(shù)兼具的行業(yè)領(lǐng)頭者

  Intel布局硅光領(lǐng)域多年，在很多關(guān)鍵性技術(shù)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(tǒng)業(yè)務(wù)下滑的狀況實現(xiàn)增長，部分是依賴于硅光產(chǎn)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(dǎo)體晶圓代工廠生產(chǎn)光電收發(fā)器產(chǎn)品的硅光公司，其產(chǎn)品的方向主要是以數(shù)據(jù)中心，部分參與5G基礎(chǔ)設(shè)施。 該公司規(guī)模出貨量業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，在硅器件規(guī)?；a(chǎn)研發(fā)方面經(jīng)驗深厚，與晶圓制造加工廠商有著長久的技術(shù)合作關(guān)系，生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供商。其硅光產(chǎn)品既可以支持名為InfiniBand的高速網(wǎng)絡(luò)連接標準，也可以支持以太網(wǎng)連 接標準，硅光收發(fā)器產(chǎn)品覆蓋1Gb/s到200Gb/s速率。100Gb/s收發(fā)器物理介質(zhì)分層覆蓋SR4到LR4，而200Gb/s僅支持短距離(100m以下) 應(yīng)用，均可進行批量生產(chǎn);與此同時，400G QSFP-DD DR4 500m 收發(fā)器也在2019年進行了展出。

  Sicoya(蘇州熹聯(lián)光芯) ——單片集成的先驅(qū)

  Sicoya是一家德國的硅光創(chuàng)業(yè)公司，2017年以100G硅光子收發(fā)器進入市場，該收發(fā)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(xué)技術(shù)，目標指向QSFP-DD，OSFP和COBO封裝的400G數(shù)據(jù)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(fā)器和光引擎的組裝和測試。(報告來源：未來智庫)

  05 硅光技術(shù)當前技術(shù)評估

  硅光發(fā)展技術(shù)難點

  目前，已量產(chǎn)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(dǎo)體，以InP為主)、調(diào) 制器(鈮酸鋰LiNbO3，具有優(yōu)異的電光效應(yīng))、光探測器(Si中摻 Ge)、硅波導(dǎo)(Si對于1.31μm/1.55μm通信波段透明)、波分復(fù)用及 解復(fù)用器、耦合器等。

  高速環(huán)境中波分復(fù)用、解復(fù)用器件仍待成熟

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

  光纖耦合、熱管理仍待發(fā)展

  光纖耦合：Si波導(dǎo)和光纖的耦合一直都是硅光技術(shù)的難點。Si波導(dǎo)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(zhuǎn)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(shè)計參數(shù)。整體來看，光纖耦合技術(shù)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(shù)在通信領(lǐng)域進展及市場

  硅光市場：主要應(yīng)用場景數(shù)據(jù)中心未來穩(wěn)步向好

  數(shù)據(jù)中心是指全球協(xié)作的特定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，用來在因特網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上傳遞、加速、展示、計算、存儲數(shù)據(jù)信息。近年來數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)在全球 范圍內(nèi)得到較快的發(fā)展，自2014年以來始終維持著較高的增長率，2018年已經(jīng)實現(xiàn)6253.1億元的市場規(guī)模。

  交換機容量2-3年翻倍，傳統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)的容量12.8T。假 設(shè)兩三年后800G光模塊已經(jīng)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(yè)產(chǎn)業(yè)鏈詳細拆解及產(chǎn)業(yè)特征

  全球硅光產(chǎn)業(yè)鏈全景：海外廠商主導(dǎo)，國內(nèi)廠商跟隨

  硅光產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括PDA設(shè)計軟件、晶圓、外延、制造設(shè)備和原材料供應(yīng)商;中游包括設(shè)計、制造和封裝廠商;下游主要是通信網(wǎng)絡(luò) 設(shè)備及其他相關(guān)設(shè)備廠商。

  PDA設(shè)計軟件：硅光子設(shè)計自動化工具

  硅光子設(shè)計從系統(tǒng)功能需求出發(fā)，基于功能分析和分解 ，設(shè)計出光子鏈路，并仿真獲得其可實現(xiàn)的功能性參數(shù);進一步地，物理仿真與優(yōu)化， 獲得組成光子鏈路的器件結(jié)構(gòu)及布圖設(shè)計;然后基于器件的物理模型，分析鏈路集成中的寄生效應(yīng)并驗證鏈路功能性，最后修正設(shè)計其結(jié)構(gòu)參數(shù)。

  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(dǎo)尺寸可以非常小。

  Foundry：國內(nèi)硅光商業(yè)化流片平臺很弱，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大短板

  硅光子集成制造關(guān)鍵技術(shù)工藝流程包括：外延生長、納米加工、異質(zhì)結(jié)構(gòu)鍵合、混合集成、器件封裝、高頻測試等，雖然相比于傳統(tǒng)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(yè)基礎(chǔ)初步形成，將極大擴展硅光市場應(yīng)用

  目前由于硅光發(fā)展不成熟，硅光子產(chǎn)業(yè)鏈沒有像微電子產(chǎn)業(yè)一樣完全形成Foundry廠與硅光設(shè)計公司分開的產(chǎn)業(yè)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(shè)計。

  硅光Lidar：潛在應(yīng)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(guān)注領(lǐng)域。自動駕駛汽車至少需要5類感應(yīng)器，其中Lidar作為感知的關(guān)鍵環(huán)節(jié)不可或缺。它主要負責(zé) 路上狀況感知，如感知行人、路面等，為智能決策提供數(shù)據(jù)來源。

  光子計算：光子矩陣、 片上互聯(lián)和片間傳輸取得突破性進展，硅光子賦能計算

  據(jù)OpenAI統(tǒng)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(chǔ)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(fā)消費者醫(yī)療可穿戴市場

  光可以照射到組織和血管上以監(jiān)測、檢測和量化生物標記，因此光子學(xué)可以賦能無創(chuàng)醫(yī)療監(jiān)測解決方案，用于低成本、小尺寸的醫(yī)療設(shè)備和面 向消費電子市場的可穿戴設(shè)備。

來源：(報告出品方/作者：華西證券，宋輝、柳玨廷)