清華光芯片研究再獲新突破，產業應用潛力如何？ | 研報推薦

硅光模塊的市場份額，中國廠商積極布局。

智能光訓練概念圖 圖片來源：清華大學‍

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

近日，清華大學電子工程系副教授方璐課題組、自動化系戴瓊海院士課題組在智能光芯片領域再次取得重大進展。繼國產高算力光芯片“太極”問世后，“太極-II”的通用光訓練芯速度再提升1個數量級，并且登上國際學生期刊《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網絡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算力未來的重要支撐，國內外參與硅光技術競爭的廠商越來越多。

在近期天風證券發布的《AI算力系列之硅光：未來之光，趨勢已現》一文里，介紹了目前硅光技術的基本情況。

以下為內容節選：

一、硅光技術及應用領域

1、硅光技術是什么

硅光技術是以硅和硅基襯底材料（如SiGe/Si、SOI等）作為光學介質，通過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行發射、傳輸、檢測和處理，以實現其在光通信、光傳感、光計算等領域中的實際應用。

2、硅光子技術發展歷程  

硅光技術的發展整體可分為四個階段：

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，集成技術從 混合集成逐漸向單片集成發展，將各類器件通過不同組合實現不同功能的單片集成，這也是目前硅光子技術的發展現狀；

未來第三階段，預計將通過光電一體技術融合，實現光電全集成融合；

第四階段，器件分解為多個硅單元排列組合，矩陣化表征類，通過編程自定義全功能，實現可編程芯片。

3、硅光子集成度不斷提升

小規模硅光子集成時代：PIC上有1到10個組件，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的異質集成；

中等規模集成時代：Mach-Zehnder調制器（MZM）成功用在數據中心內的收發器中——PIC上有10到500個組件，包括單波長和多波長，基于微環調制器的收發器也體現了PIC技術的多路復用和能效優勢。硅光子/電子平臺中的相干收發器證明，該技術可以在性能上與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。

大規模集成時代：在同一芯片上實現500到10000個組件，應用包括激光雷達、圖像投影、光子開關、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個元件）的原型現在也已出現。

4、硅光應用市場不斷擴大

市場研究機構Yole數據顯示，2022年硅光芯片市場價值為6800萬美元，預計到2028年將超過6億美元，2022年-2028年的復合年均增長率為44%。推動這一增長的主要因素是用于高速數據中心互聯和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的800G可插拔光模塊，數通光模塊的應用占硅光芯片市場的93%，復合增長44%。

此外在電信領域、光學激光雷達、量子計算、光計算以及在醫療保健領域都有廣闊的發展前景。

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（光學器件） 在同一高速主板上協同封裝，從而降低信號衰減、降低系統功耗、降低成本和實現高度集成。

CPO的發展才剛起步，并且其行業標準形成預計還要一定時間，但CPO的成熟應用或許會帶來光模塊產業鏈生態的重大變化。

硅光技術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有提升，而CPO方案則更多的是技術探索。但是從1.6T開始，傳統可插拔速率升級或達到極限，后續光互聯升級可能轉向CPO和相干方案。

二、硅光份額市場不斷擴大，國內廠商積極布局

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行開發和集成的新技術。

普通光模塊是實現光電轉換的裝置，其在功能上需對光信號進行調制和接收。普通光模塊在制造上需要經過封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，最終實現調制器、接收器以及無源光學器件等的高度集成。各器件主要通過封裝技術進行集成。

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

硅光模塊芯片通過硅晶圓技術，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制器、接收器等關鍵器件，以實現調制器、接收器以及無源光學器件的高度集成。

2、硅光模塊的優勢

硅光模塊可突破傳統單通道光芯片的傳輸瓶頸，在未來高速傳輸時代具有較大優勢。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、集成度高的優勢。

目前光集成商業產品技術路線主要分為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工藝實現無源光電子器件和集成電路單片集成，可大規模集成，具有高密度的優勢，其襯底材料每1年可翻一倍。

3、硅光模塊的市場規模

QYResearch調研團隊最新報告《硅光子學光學模塊 - 全球市場洞察和銷售趨勢（2024年）》顯示，預計2029年全球硅光模塊市場規模將達到57.1億美元，未來幾年年復合增長率CAGR為35.2%。

4、硅光全球產業鏈布局

與電芯片相似，硅光芯片的產業鏈上游為晶圓、設備材料、EDA軟件等企業；中游可分為硅光設計、制造、模塊集成三個環節，其中部分公司如Intel、ST等為IDM企業，可實現從硅光芯片設計、制造到模塊集成的全流程；下游則主要包括通信設備市場、電信市場和數通市場（數據中心通信市場）。

隨著硅光市場規模逐漸擴大，傳統光模塊廠商也在通過自研/并購切入硅光設計領域

5、硅光模塊的市場份額，中國廠商積極布局

在數據通信市場，英特爾以61%的市場份額領跑，思科、博通和其他小公司緊隨其后。

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

目前市場競爭中，中國廠商份額較少，但國內的中際旭創、新易盛、光迅科技、博創科技、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1.6T硅光模塊更是采用自研硅光芯片并已處于市場導入期。

三、硅光模塊產業鏈分析

1、硅光模塊-硅光芯片

硅光技術在光開關、光波導、硅基探測器（Ge探測器）及光調制器（SiGe調制器）等已實現了突破。

目前的硅光技術仍主要體現成兩種基本形態，除采用大規模集成電路技術（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。

調制器常用光學結構有馬赫-增德爾干涉儀（MZI）型和微環諧振腔（MRR）型。

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