硅光技术产业深度研究：芯片出光，硅光技术开启高速与高集成度传输时代

硅光技术利用半导体工艺、集合光子与电子技术的优点，开启光通信更高速率、更高集成度时代 01 硅光技术核心理念是“芯片出光”：借助成熟半导体CMOS工艺将光和电器件的开发与集成到同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合。硅光技术将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进，是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一。相较于传统分立元器件，采用硅光技术的集成元器件更具高速率、高集成化、低功耗、低成本等优势，满足技术快速变革对高速数据传输的需求，是光通信产业最有潜力新风口之一。 数据中心及电信网络建设和升级是硅光需求“基本盘”，AIGC产业加速发展催生硅光芯片增量新需求 02 大数据、云服务背景下的数据中心、超算中心建设热潮，电信网络基础设施建设促进全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。同时AIGC引发爆发式的算力需求每3.5个月将翻一倍，大量数据需要被存储、传输和处理催生海量的服务器需求，加速服务器集群建设。两条主线共同引发400G/800G的高速率光芯片/光模块需求，而国内数据中心目前以50G、100G、200G光模块技术为主，未来高速模块更新需求紧迫、替换空间巨大。面对行业所面临日益严峻的带宽与功耗痛点，具有高带宽、小尺寸、低能耗和低成本等优势的硅光方案是高速率光通信方向上可靠且最具性价比的发展方向，未来全球数通市场与AIGC市场高速增长是构成硅光产业巨大快速发展的两大支撑力。 03 国产替代存在时代机遇，新兴光互联市场有望成为硅光芯片又一增长极 目前全球硅光领域国外大厂占主导地位，高速芯片领域存在巨大国产化空间。当前我国25G及以上光模块国产化率较低，未来需求更大、用于200/400G高速光模块的50G及以上光芯片国产化率不超过5%。中美科技竞争与我国科技自主可控政策加快前沿技术进口替代进程，给我国硅光芯片企业带来增长机遇。同时在数通市场之外，硅光光传感应用领域的不断拓展，硅光在消费电子领域用于医学检测的可穿戴设备、智能驾驶领域的车载激光雷达、量子通信等具有广阔应用空间，为硅光芯片带来更多的市场需求。但中国硅光产业要完成国产替代仍需解决国内在硅光特殊工艺制造环节上暂时落后所带来硅光芯片在量产、封装以及良率、成本、工艺标准化等层面的限制因素。 04 全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大 由于仍属前沿技术，当前全球范围内专注且有出货硅光产品的企业不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体、Acacia与Molex等，绝大多数为在光通信和硅光领域有较长时间积累的海外巨头。在国内，越来越多的信息技术产业龙头公司正关注并布局硅光技术，其中华为十分积极活跃。同时近年不少中国硅光早期项目公司如熹联光芯、赛丽科技、芯速联光电等亦在快速崛起，以实现高速领域国产化硅光产品研发突破，并多能提供全系的高速光互联解决方案，中国硅光产业实力增长潜力巨大。 风险提示 05 （1）硅光市场整体发展不及预期风险；（2）硅光技术发展不及预期风险；（3）市场竞争加剧的风险。 2 目录/CONTENTS 01高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一 02数据中心与AI带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期 03国产替代时代机遇与硅光外延应用拓展将成为产业长期增长助力 04全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大 05风险提示 3 01高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一 1.1/光通信是整个通信网络的支柱和底座，光芯片是光通信系统的核心 1.2/硅光集合光子与电子技术的优点，具高速率、高集成化、低成本等优势 1.3/硅光器件依然处于发展的初级阶段，单片集成与CPO是未来趋势 4        01 5    数据来源：国泰君安证券研究 1.1 光通信是整个通信网络的支柱和底座。相较以太网、无线网络，光通信具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，是当前全球最 主流的信息传输方式之一。光通信器件产业链主要分为上游光芯片组件、中游光器件模组以及下游光通信设备、电信、数通设备等应用。 以太网：通过铜线传输数据的一种方式，具有速度快、可靠性高等优点，主要用于局域网内的数据传输； 无线网络：通过无线电波传输数据的一种方式，具有灵活性和可移动性，主要用于移动设备和远程传输的数据传输； 光通信：通过光纤传输数据的一种方式，具有高带宽、低延迟、抗干扰等优点，主要用于中长距离、高速传输的数据传输。 技术 光通信 以太网 无线网络 传输介质 光纤 铜线 无线电波 带宽 高 中 低 延迟 低 中 高 抗干扰能力 强 中 弱 适用场景 长距离、高速传输 局域网内 移动设备和远程传输 可靠性 高 高 中 灵活性 低 高 高 光通信传输距离长、经济节能，能一次性传输海量信息，通信速度快 6 数据来源：国泰君安证券研究 1.1 光模块（OpticalModules）是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件，是光通信中的重要组成部分。光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗”发展。目前，光模块应用速率正从10G~40G向100G~400G升级，400G~800G技术的研发与商业化应用进程加快，并进一步向更高速的1.6T速率发展。 数据中心的迅速发展拉动全球光模块需求。光模块是数据中心内部数据传输和数据中心间互联的核心部件，随着全球范围内数据中心持续建设，其需求 不断被拉升：根据Lightcounting预计，全球光模块市场规模在2020年达到81亿美元市场规模，并将在2026年进一步增长至176亿美元（较2020年， +117.3%）。 20241000 7 数据来源：SynergyResearchGroup数据来源：Lightcounting，国泰君安证券研究 8 1.1 光芯片是光模块等光电子器件的主要组成部分，是现代光通信系统的核心。 电光转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，同时由于一般电子设备仅能识别电信 号，需要光芯片进行电光转换，将传输信息系统中的光信号转化为电信号。光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。 首先发射端通过激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端； 接收端通过探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为一般设备能够识别的电信号； 其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性； 202629.97 当前由于更高速率的光模块往往由多个中低速率光芯片组合实现，随着光模块速率的提升，光芯片在光模块的成本占比亦在不断提升。 数据来源：《中国光芯片市场运营现状调研与发展战略研究报告（2023-2030年）》，观研报告网，国泰君安证券研究数据来源：5G承载光模块白皮书，飞畅科技 1.2 （一）成熟的半导体产业在超大规模、高度集成化、极小制造上已有成熟工艺积累 全球半导体制造产业经历超50年、数千亿美元的建设已累积成熟的集成制造工艺，将成熟、发达的半导体集成电路工艺资源应用到集成光器件上来，集成光学的工业水平会极大提高，成熟的半导体产业已为硅光结合提供坚实基础。 （二）高速增长的新需求呼唤更高速、更大带宽的光通信技术 随着5G（蜂窝5G）、F5G（固网5G）的持续发展，4K/8K超高清视频的普及，现网中的数据流量正以每年30%~40%的速度增长，业务流量增长速度大于当前光通信带宽增长的速度。同时，新兴AIGC应用的高速发展，自2012年以来每3-4个月人工智能的算力需求将翻一倍，带动带宽需求不断增加，光通信带宽也必须紧密跟进、不断提升速率，向高速的时代迈进。 9 数据来源：英特尔数据来源：通信百科 1.2 “芯片出光”是硅光技术核心理念，硅光技术利用成熟半导体CMOS工艺将光和电器件的开发与集成到同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合到一块芯片上，真正实现“光互连”。硅光技术将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进，是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一，并可应用于生医感测、量子运算、激光雷达等新兴的外延应用领域。 硅光器件与产品主要可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。 硅光器件：包括光源、调制器、探测器、波导等，是实现各种功能的基本单元； 硅光芯片：将光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等若干基本器件进行 单片集成； 硅光模块：进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等，是系统级的硅光产品形态。 10 数据来源：英特尔数据来源：21世纪电源网 1.2 将微电子集成电路技术的超大规模、超高精度特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势相结合，硅光技术较传统分立器件方案具更多优势： 数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高速率：传统铜电路已接近物理瓶颈，继续提高带宽越来越困难。云计算产业对芯片间数据交换能力提出更高要求，单颗芯片性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍，25Gb/s已接近传输速率的瓶颈。而硅光技术能突破这一瓶颈，大大提高带宽，相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度； 硅光芯片具高度集成化：以半导体制造工艺将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光路。相较 InP等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA、TOSA封装，因而硅光器件器件体积与数量更小、集成度更高； 集成电路产业对硅基CMOS生产技术和工艺有成熟积累：硅光技术利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势； 11 数据来源：LightCounting，中商产业研究院，国泰君安证券研究数据来源：《2017年硅光子行业分析报告》 1.2 功耗更低：相比传统的光学技术，硅光结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联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：相较于铜电路的功耗大、易发热，以及电磁波易干扰、易窃听的问题，光信号在安全性上具有显著优势； 波导传输性能优异：硅的波导传输特性优异，其对应的光波长为1.1μm在1.1-1.6μm的通信波段是透明的。同时，硅与二氧化硅形成较大的折射率差，使得硅波导具有较小的波导弯曲半径； 硅基材料与更紧密的集成方式降低了材料、制造和封装成本：第一，相较于传统的分立式器件，硅光模块的集成度更高，封装与人工成本降低。第二，硅基材 TOSA 料成本较低且可以大尺寸制造，相较传统三五族材料衬底而言，硅基芯片成本得以大幅降低。第三，对光模块进行成本拆分，光器件的成本占比超过70%，而其中TOSA光发射组件的成本占比较大，普通光模块与硅光模块的发射器类型不同，在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中，受限良率成本等问题，硅光模块成本优势不明显，但在400G及以上的高速率的场景中，由于传统DML和EML发射器类型的成本较高，硅光模块成本性价比优势开始显现。 12 数据来源：中国发展门户网，“ANewManufacturingApproachtoOpticalTransceivers”，飞速(FS)公司，Juniper公司，知乎@通信产品推荐官，国泰居安证券研究 1.2 在集成工艺上，硅光技术是光通信传输向“高速率、高集成化、低功耗、低成本”迈进最有潜力且可靠的方向之一。 （1）将大功