2023年光模塊行業發展現狀分析：硅光技術開啟高速與高集成度傳輸時代

• 馮少杰 2024年1月4日 來源：互聯網 308 12
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光通信是整個通信網絡的支柱和底座。相較以太網、無線網絡，光通信具有通信容量大、傳輸距離遠、信號串擾小、抗電磁干擾等優點，是當前全球最主流的信息傳輸方式之一。光通信器件產業鏈主要分為上游光芯片組件、中游光器件模組以及下游光通信設備、電信、數通設備等應用。

以太網：通過銅線傳輸數據的一種方式，具有速度快、可靠性高等優點，主要用于局域網內的數據傳輸；

無線網絡：通過無線電波傳輸數據的一種方式，具有靈活性和可移動性，主要用于移動設備和遠程傳輸的數據傳輸；

光通信：通過光纖傳輸數據的一種方式，具有高帶寬、低延遲、抗干擾等優點，主要用于中長距離、高速傳輸的數據傳輸。

光模塊（OpticalModules）是實現光信號傳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。光模塊的產業發展趨勢正向著“高速率、低成本、低功耗”發展。目前，光模塊應用速率正從10G~40G向100G~400G升級，400G~800G技術的研發與商業化應用進程加快，并進一步向更高速的1.6T速率發展。

根據中研普華研究院撰寫的《2024-2029年中國光模塊行業市場深度調研及投資策略預測報告》顯示：

數據中心的迅速發展拉動全球光模塊需求。光模塊是數據中心內部數據傳輸和數據中心間互聯的核心部件，隨著全球范圍內數據中心持續建設，其需求不斷被拉升：根據Lightcounting預計，全球光模塊市場規模在2020年達到81億美元市場規模，并將在2026年進一步增長至176億美元（較2020年，+117.3%）。

圖表：數據中心發展帶動全球光模塊市場規模逐年遞增

數據來源：Lightcounting

光芯片是光模塊等光電子器件的主要組成部分，是現代光通信系統的核心。

電光轉換由光芯片實現，決定了信息傳輸速度和可靠性?，F代光通信系統是以光信號為信息載體，以光纖作為傳輸介質，同時由于一般電子設備僅能識別電信號，需要光芯片進行電光轉換，將傳輸信息系統中的光信號轉化為電信號。光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片。

首先發射端通過激光器內的光芯片進行電光轉換，將電信號轉換為光信號，經過光纖傳輸至接收端；

接收端通過探測器內的光芯片進行光電轉換，將光信號轉換為一般設備能夠識別的電信號；

其中，核心的光電轉換功能由激光器和探測器內的光芯片來實現，光芯片直接決定了信息的傳輸速度和可靠性；

當前由于更高速率的光模塊往往由多個中低速率光芯片組合實現，隨著光模塊速率的提升，光芯片在光模塊的成本占比亦在不斷提升。

（一）成熟的半導體產業在超大規模、高度集成化、極小制造上已有成熟工藝積累

全球半導體制造產業經歷超50年、數千億美元的建設已累積成熟的集成制造工藝，將成熟、發達的半導體集成電路工藝資源應用集成光器件上來，集成光學的工業水平會極大提高，成熟的半導體產業已為硅光結合提供堅實基礎。

（二）高速增長的新需求呼喚更高速、更大帶寬的光通信技術

隨著5G（蜂窩5G）、F5G（固網5G）的持續發展，4K/8K超高清視頻的普及，現網中的數據流量正以每年30%~40%的速度增長，業務流量增長速度大于當前光通信帶寬增長的速度。同時，新興AIGC應用的高速發展，自2012年以來每3-4個月人工智能的算力需求將翻一倍，帶動帶寬需求不斷增加，光通信帶寬也必須緊密跟進、不斷提升速率，向高速的時代邁進。

“芯片出光”是硅光技術核心理念，硅光技術利用成熟半導體CMOS工藝將光和電器件的開發與集成到同一個硅基襯底上，使光與電的處理深度融合到一塊芯片上，真正實現“光互連”。硅光技術將光通信的傳輸速率、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、未來移動通信等產業對高速通信需求的核心技術選擇之一，并可應用于生醫感測、量子運算、激光雷達等新興的外延應用領域。

硅光器件與產品主要可分為三個層次：硅光器件、硅光芯片、硅光模塊。

硅光器件：包括光源、調制器、探測器、波導等，是實現各種功能的基本單元；

硅光芯片：將光發送集成芯片、光接收集成芯片、光收發集成芯片、相同功能器件陣列化集成芯片（探測器陣列芯片、調制器陣列芯片等）等若干基本器件進行單片集成；

硅光模塊：進一步將光源、硅光器件/芯片、外部驅動電路等集成到一個模塊，包括光發送模塊、光接收模塊和光收發一體模塊等，是系統級的硅光產品形態。

將微電子集成電路技術的超大規模、超高精度特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢相結合，硅光技術較傳統分立器件方案具更多優勢：

數據傳輸能力上，光信號擁有電信號不可比擬的高速率：傳統銅電路已接近物理瓶頸，繼續提高帶寬越來越困難。云計算產業對芯片間數據交換能力提出更高要求，單顆芯片性能越強、互聯的芯片數量越多，較低的互聯帶寬就越容易成為性能提升的障礙，25Gb/s已接近傳輸速率的瓶頸。而硅光技術能突破這一瓶頸，大大提高帶寬，相對電傳輸，采用高速光纖的光傳輸架構，可以通過單一鏈路25Gb/s的標準達到100Gb/s的傳輸速度；

硅光芯片具高度集成化：以半導體制造工藝將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由調制器、探測器、無源波導器件等組成的集成光路。相較InP等有源材料制作的傳統分立器件，硅光光模塊無需ROSA、TOSA封裝，因而硅光器件器件體積與數量更小、集成度更高；

集成電路產業對硅基CMOS生產技術和工藝有成熟積累：硅光技術利用半導體在超大規模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優勢；

功耗更低：相比傳統的光學技術，硅光結合了硅技術的低成本、更高的集成度和互聯密度以及更多的嵌入式功能，功耗更低、可靠性更高；

安全性高：相較于銅電路的功耗大、易發熱，以及電磁波易干擾、易竊聽的問題，光信號在安全性上具有顯著優勢；

波導傳輸性能優異：硅的波導傳輸特性優異，其對應的光波長為1.1μm在1.1-1.6μm的通信波段是透明的。同時，硅與二氧化硅形成較大的折射率差，使得硅波導具有較小的波導彎曲半徑；

硅基材料與更緊密的集成方式降低了材料、制造和封裝成本：第一，相較于傳統的分立式器件，硅光模塊的集成度更高，封裝與人工成本降低。第二，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，相較傳統三五族材料襯底而言，硅基芯片成本得以大幅降低。第三，對光模塊進行成本拆分，光器件的成本占比超過70%，而其中TOSA光發射組件的成本占比較大，普通光模塊與硅光模塊的發射器類型不同，在100G短距CWDM4和100G中長距相干光模塊中，受限良率成本等問題，硅光模塊成本優勢不明顯，但在400G及以上的高速率的場景中，由于傳統DML和EML發射器類型的成本較高，硅光模塊成本性價比優勢開始顯現。

根據中研普華研究院撰寫的《2024-2029年中國光模塊行業市場深度調研及投資策略預測報告》顯示：

在集成工藝上，硅光技術是光通信傳輸向“高速率、高集成化、低功耗、低成本”邁進最有潛力且可靠的方向之一。

（1）將大功率多波長激光器、硅基高密度光發射模塊、硅基高速光接收模塊等芯片模塊混合集成在同一晶圓上，提高集成光子組件密度，可以有效提升數據傳輸密度和效率，降低了功耗和成本。光模塊器件本身有損耗、模塊中各器件間有損耗，硅光技術利用半導體工藝帶來的高度集成化優勢，使各器件隔得更近，將減少“插入損耗”。光子集成產品在尺寸、功耗、成本、可靠性方面比廣泛采用的分立元器件更具優勢，是未來光器件的主流發展方向，也是能實現超高密度（>10Tb/s/cm2）的唯一途徑，為低成本和低功耗的芯片到芯片通信鋪平了道路，并可能取代目前金屬互聯；

（2）硅光技術和傳統InP方案、薄膜鈮化鋰方案比較：傳統InP集成度低、傳輸速率慢；薄膜鈮化鋰技術尚待成熟、成本高、更適用于長距離傳輸，硅光方案是高速率光通信方向可靠且最具性價比的發展方向。目前，光波復用/解復用、光波長調諧和變換等器件已可實現單芯片集成，而光模塊需要混合集成。已量產的硅光方案，基于硅襯底的混合集成是主要方式，單片集成是未來技術發展方向。

在設計工藝流程上，CMOS平臺為硅光技術提供了強大的工藝能力。但相較于半導體CMOS工藝，硅光技術還有以下特殊性：

總體路徑：硅光的發展并非像半導體一樣延續尺寸和節點減小的發展路徑，對硅光而言更小的工藝節點并非像集成電路等比縮小的重要性那樣大；

版圖特點：硅光器件間的尺寸差別大，存在許多不規則結構，與其他半導體的版圖區別較大；

工藝特殊性：各硅光器件對尺寸和工藝誤差非常敏感，1nm的工藝誤差或將對硅光器件性能帶來明顯的影響，因而硅光工藝需要嚴格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件側壁粗糙度也對波導損耗帶來巨大影響，對制備工藝有特殊優化的需要；

材料特殊性：硅由于沒有一階線性電光效應、材料發光較難，硅不是最佳的調制器材料。同時硅對1.1μm以上波長透明，無法作為通信波段光探測器材料，以硅材料為基底引入多材料是硅光的必然選擇。

硅光芯片在設計流程上仍存在難點。如何做到與CMOS工藝的最大限度的兼容，如何進行多層次光電聯合仿真，如何與集成電路設計一樣基于可重復IP進行復雜芯片的快速設計等問題是硅光芯片從小規模設計走向大規模集成應用的關鍵。

根據YoleIntelligence，2021年基于硅基光電子技術的產業總體市場規模約為1.51億美元。到2027年，預計硅基光電子產業市場規模將迅猛增長至9.72億美元，2021-2027年均復合增長率達到36%，數據中心光模塊仍將以22%的CAGR成為產業中規模最大的應用。

市場格局上，全球硅光領域企業不多，且國外大廠占主導地位，中國相關產業開始崛起。由于仍屬前沿技術，當前全球范圍內專注且有出貨硅光產品的企業不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半導體（ST）、Acacia與Molex等，絕大多數為在光通信和硅光領域有較長時間積累的海外巨頭。在國內，越來越多的信息技術產業龍頭公司正關注并布局硅光技術，其中華為十分積極活躍，不少中國硅光早期項目公司亦在近年快速崛起。

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