数据中心互联技术专题三：AI变革推动硅光模块快速发展

行业研究·行业专题 通信 投资评级：优于大市（维持评级） 证券分析师：詹浏洋010-88005307zhanliuyang@guosen.com.cnS0980524060001 证券分析师：袁文翀021-60375411yuanwenchong@guosen.com.cnS0980523110003 硅光模块是基于硅光子技术的新一代光通信模块，低成本、低功耗、高集成度是其优势。（1）硅光模块以硅光技术为核心，将激光器、调制器、探测器、耦合器、光波导、复用/解复用器件等光子芯片都集成在硅光芯片上，再与DSP/TIA/DRIVER等电芯片一起封装，组成硅光模块。硅基材料的高集成度及兼容CMOS工艺赋予了硅光模块更低成本、更高集成度、更低功耗的特性。（2）硅光模块应用场景主要包括数据中心通信和电信网络通信，与传统光模块场景相似。近两年AIGC变革驱动数据中心互联对光通信提出更高性价比方案，硅光模块受益发展。未来硅光技术在数通领域将逐步演进向光电共封装（CPO/OIO）、光交换（OCS）等领域发展。根据Yole预测，硅光模块2029年市场规模将达到103亿美元，过去5年CAGR达45%；对应硅光模块销量近1800万只。 硅是理想的光电子集成平台，硅基材料与化合物材料结合(如Photonics-SOI绝缘体上硅材料平台)有望充分发挥产品性能与平衡成本。（1）Ⅲ-Ⅴ族材料如磷化铟InP是高性能激光器的核心材料，因为这类材料是直接带隙材料，具备高发光效率。（2）锗Ge是光电探测器的首选材料，具备优异的光吸收特性，同时在硅基底上外延生长技术成熟。(3)铌酸锂调制器电光效应强(3dB带宽达108GHz)，优于传统的基于InP/GeSi的电吸收调制；薄膜铌酸锂体积更小，结合MRM微环调制更小的结构，适合集成在硅光平台SOI上，有望应用在3.2T速率时代。（4）氮化硅SiN适用于光波导、耦合器、分光器、复用/解复用器等，材料主要优势是超低的波导损耗和高功率耐受性。（5）未来硅光芯片异质集成可充分发挥硅基材料成熟的工艺及化合物材料优异的光学特性，远期硅光芯片PIC和电芯片EIC有望封装在一起。（6）硅光模块在性价比优势下渗透率有望提升，相关CW光源、薄膜铌酸锂调制器、硅光模块厂商有望受益行业发展。硅光模块使用CW光源替代传统光模块的EML等激光器、节省了温控器件TEC、优化了光模块结构件/PCB用料等，成本节省约20%，功耗优化近40%。 硅光模块上游产业链包括芯片设计与代工、器件供应、模块制造等。硅光芯片方面Intel、Acacia、Luxtera、Coherent、Lumentum等是行业领军者，代工主要由GlobalFoundries、TowerSemiconductor等完成。我国也在硅光模块全产业链布局，芯片方面国产替代空间大。 投资建议：近两年AIGC变革驱动AI基础设施景气度提升，同时对数据中心内外互联提出更高性价比要求，硅光模块在短期可以解决传统光模块缺芯问题；长期看来，其低成本、低功耗、高集成度优势有望显现，规模化效应凸显，渗透率逐步提升。推荐关注硅光模块产业链相关企业，模块【中际旭创】、【新易盛】、【光迅科技】、【华工科技】、【德科立】等，光器件/光芯片【天孚通信】、【源杰科技】、【仕佳光子】、【长光华芯】、【光库科技】等。 风险提示：AI发展及投资不及预期，行业竞争加剧，全球地缘政治风险，新技术发展引起产业链变迁。 目录 AI浪潮下硅光模块产业化进程加速01详解硅光模块，硅基材料与化合物结合的亮点02硅光模块产业链分析，国产替代的机遇03投资建议04 一、AI浪潮下硅光模块产业化进程加速 硅光模块：下一代高集成光传输模块（从分立器件向硅光技术发展） 硅光模块是基于硅光子技术的新一代光通信器件，其应用场景跟传统光模块类似，高集成度及兼容CMOS工艺成为其核心优势。硅光模块以硅光技术为核心，将激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上，再与DSP/TIA/DRIVER等电芯片组成硅光模块；传统光模块中各器件分立，需要连接与封装。硅光技术以其材料特性以及CMOS工艺的先天优势，能够很好的满足数据中心对更低成本、更高集成、更低功耗、更高互联密度等要求，重要性将愈加凸显。Photonics-SOI（PhotonicsSilicon-On-Insulator）绝缘体上硅材料平台可以让标准CMOS晶圆厂实现了高速光发射器和接收器芯片的大批量生产晶圆，为数据中心内链路提供了高数据速率和高性价比的收发器解决方案。 资料来源：CIOE 2021、Soitec官网，国信证券经济研究所整理 硅光模块以硅光芯片为核心，与电芯片一起封装组成模块 硅光模块：将光源（部分异质集成在硅光芯片上）、硅光芯片，DSP、TIA、CDR、驱动器等电芯片集成到一个PCB板上并通过金属外壳封装。 硅光芯片：将调制器阵列、探测器阵列、耦合器、复用/解复用器件、光波导等细分光芯片集成在单个硅基芯片上。 ➢有源光芯片包括激光器、调制器、探测器等。激光器是将电信号转化为光信号的关键器件，采用III-V族化合物例如InP；调制器将输入的电信号通过物理效应转换为光信号，精确调控光波的强度、相位或频率等参数，以实现信息在光纤中的高效传输；探测器通过光电效应将接收到的光信号转换为电流信号。 ➢无源光芯片包括光波导、耦合器、复用/解复用器件等，分别用于光路由、光信号与硅光芯片的耦合以及波分复用/解复用。 资料来源：intel官网，国信证券经济研究所整理 硅光模块相比传统光模块拥有高集成度、低成本、低功耗优势 相较传统分立光模块，硅光模块具有高集成度、低成本、低功耗等优势。 高集成度：基于硅基CMOS工艺，将激光器、调制器、波导、光电探测器等光电器件单片集成于单一硅芯片，组件数量大幅减少，体积缩小约30%。 低成本：（1）相较于III-IV族材料，硅在自然界中丰度优势显著，成本远低于III-IV族材料；（2）通过集成化设计减少封装工序，组件与人工成本下降；（3）外置激光器方案具有成本优势。整体硅光模块相比传统光模块成本减少约20%。 低功耗：（1）高密度集成减少了分立器件之间连接的损耗；（2）由于不需要TEC来管理温度和性能，功耗降低了近40%。 资料来源：CSDN，国信证券经济研究所整理 资料来源：ITRI官网，国信证券经济研究所整理 硅光技术发展30年，硅基调制器和激光器商业化是发展转折点 2004年，英特尔研制出首个1Gb/s硅光调制器，基于载流子色散效应，采用反向偏置PN结结构。2006年，英特尔与UCSB合作实现硅基混合激光器，通过晶圆键合将InP激光器与硅波导耦合，解决片上光源问题。2008年，英特尔推出“雪崩硅激光探测器”，带宽提升至340 GHz，采用行波电极设计优化射频响应。2010年左右，Intel和IBM相继针对芯片间的光互联进行了研究并分别实现了50Gb/s和160Gb/s的传输速率。2013年Luxtera推出首款商用级100GQSFP28硅光模块，采用CMOS工艺实现单片集成，主要面向数据中心短距互联（如DR4场景）；2016年，Intel推出了100Gbit/sQSFP28硅光模块。 图：SiPh1.0产品成功案例 Luxtera 分布式驱动硅调制器垂直耦合分别加工，良率高自动化贴装及筛选检测 2013年左右成功实现硅光模块商业化的公司都掌握了硅基高速调制器方案，实现了高效耦合和低成本，激光器解决方案包括外置激光器和异质键合。 intel 反向PN结硅调制器片内耦合，异质键合CMOS批量制备工艺开发门槛较高 Acacia 相干光调制器端面耦合，耦合插损低激光器外置，光纤桥接散热好，可靠性高 硅光模块主要应用在数据中心通信和电信网络通信 应用趋势：随着移动互联网和云计算的发展，数据中心的计算能力和数据交换能力呈指数级增长，光通信的应用主体从运营商网络转向数据中心。硅光模块应用场景与光通信应用场景基本相同。Lightcounting预测，硅光模块在光模块中的整体份额将从2023年的34%提升至2029年的52%。 电信网络的光通信应用：1980年代光纤诞生以来，光通信应用从骨干网到城域网、接入网、基站。目前国内传输网络基本完成光纤化，但数据在进出网络时仍需要进行光电转换；未来向全光网演进。硅光模块在骨干网、城域网等长距离传输场景中发挥重要作用。 数据中心的光通信应用：1990年代开始，光通信应用从中短距离的园区、企业网络延伸到大型数据中心的系统机架间、板卡间、模块间、芯片间应用。近两年AIGC革命拉动新一轮数据中心网络发展，对光模块带宽及速率提出更高要求。硅光模块凭借高集成度、低功耗、低成本等技术优势，已成为数据中心通信领域的核心解决方案，主要应用于数据中心内部服务器间、机柜间及数据中心互联的短距传输场景。 资料来源：Lightcounting，国信证券经济研究所整理 资料来源：光迅科技官网，国信证券经济研究所整理 数通应用—硅光模块受益于AIGC变革 光模块受益这一轮AIGC拉动的光通信发展，硅光模块凭借其高集成度、低功耗、低成本优势同样受益行业发展： 发展催化一：下游需求高景气。AIGC技术迅猛发展，算力需求激增，全球互联网云厂持续加大资本开支。四大北美互联网云厂商2025年规划资本开支合计预计超过3100亿美元，中国四大互联网云厂2025年资本开支合计预计超过5000亿人民币。作为数据中心通信的核心部件，光模块将受益。 发展催化二：网络架构升级，量升。传统数据中心采用三层架构，而AI算力崛起推动服务器间横向通信占比提升，叶脊（Spine-Leaf）架构成为主流。这种架构通过扁平化设计减少通信层级，但需要更多光模块实现全连接，叶脊架构下光模块需求较传统架构增加数十倍。 发展催化三：速率升级，价升。随着AI算力和云计算需求激增，数据中心内部互联速率正从400G向800G、1.6T甚至3.2T演进。硅光模块凭借高集成度和低功耗，成为破解高速率光模块成本难题的关键方案，渗透率将持续提升。 资料来源：MSA官网，国信证券经济研究所整理 资料来源：各公司财报，国信证券经济研究所整理 数通应用—从硅光模块演进到光电共封、光开关/光交换等技术 硅光技术可以用在CPO/OIO（光电共封装）领域。传统的光模块通过铜缆或光纤与其他电子组件相连，在高速信号传输过程中容易产生较大的功耗和信号损耗。CPO（Co-PackagedOptics）主要用在交换机端口，通过将光模块和交换芯片紧邻封装在一起，可以降低功耗、提高信号完整性、减少延迟，并且缩小了其体积。台积电硅光(SiPh)和光电合封(CPO)技术近日成功实现CPO与先进半导体封装技术的集成。 硅光技术还可应用在数据中心的全光交换网络中，比如硅基平台光开关/光交换芯片。下图是基于硅-双层氮化硅混合集成平台的32×32，该芯片基于切换-选择（Switch&Select）型拓扑结构，芯片上总共集成了1984个马赫-曾德尔光开关单元以及超过24万个波导交叉结。采用硅-氮化硅多层波导实现了超低损耗波导交叉结，有效降低了系统插入损耗；采用8块FPGA驱动芯片实现片上所有开关单元的独立控制。该光开关芯片平均插入损耗（光纤到光纤）12dB，切换速度小于400μs，芯片总功耗小于1W。该芯片有望用于数据中心网络中实现全光交换，解决传统电交换面临的功耗、延迟、带宽等瓶颈问题。 资料来源：Optica官网，国信证券经济研究所整理 电信应用—长距离传输和基站前传是主要场景 电信领域硅光模块应用于长距离相干传输，硅光技术早期应用即是在相干光模块中。长距离骨干网/城域网是连接多个区域或地区的高速广域网络，作用范围达几十至数千公里，承担跨城市、跨省乃至跨国的海量数据传输任务，其核心特征包括大容量与高速率、低延时与高可靠。全光网络高速、稳定、低延迟的网络服务满足未来越来越高的网络需求，成为通信网络的发展趋势。在全光网络中，相