硅光技术概况、产业节奏及发展趋势
硅光集成技术是以硅基衬底材料作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件，并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，以实现其在光通信、光计算等领域的实际应用。当前硅光技术处于发集成与应用阶段，更高速率、更高集成度、先进封装及更广阔的应用领域是未来发展趋势。
传统光模块发展瓶颈
传统光模块存在空间与集成度限制、带宽瓶颈及“功耗墙”痛点、成本与制造复杂性、供应链瓶颈等问题。
硅光方案优势
硅光方案相较于传统EML方案，在功耗、集成度和成本上具有显著优势，有望成为高速光模块发展方向。硅光方案优势包括：
- 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。
- 低成本：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；通过集成化设计减少封装工序，组件与人工成本下降；外置激光器方案具有成本优势。
- 低功耗：高密度集成减少了分立器件之间连接的损耗；且不需要TEC来管理温度和性能、降低功耗。
硅光方案作为重点产能供给补充
- 需求侧：AI发展拉动光模块整体需求提升，下游客户因硅光方案综合性价比较优，对其接受度提升。
- 供给侧：
- EML原材料供应短缺。EML的核心是在磷化铟衬底上，通过复杂的外延生长，一次性集成激光器（DFB）和电吸收调制器（EAM）。高纯度、低缺陷的单晶InP锭制备难度极大，供给相对紧缺。
- 国内厂商纷纷推出硅光解决方案。
产业节奏
硅光技术的发展可以分为4个阶段：
- 第1阶段：硅基器件逐步取代分立元器件。
- 第2阶段：集成技术从耦合集成向单片集成演进，实现部分集成，再通过不同器件的组合，把这些器件集成不同的芯片。
- 第3阶段：光电一体技术融合，实现光电全集成化。
- 第4阶段：硅光技术实现可编程芯片。
当前处于第2阶段。
未来趋势
未来硅光技术主要有四大发展趋势：
- 更高速率：当前业内400G方案已基本成熟，800G已批量出货，1.6T已量产，3.2T已有产品问世，未来硅光技术将继续向高速率迭代。
- 更高集成度：当前混合集成为主流方案，未来单片集成有望商用。
- 光电共封装：2025年3月，NV推出全球首个1.6T共封装光学系统，采用新型微环调制器；目前业内对CPO方案认可度较高，未来CPO有望拉动硅光渗透率提高。
- 更广阔的应用领域：除最主要、最直接的数通市场外，硅光有望在光计算、光存储、电信市场发挥重要作用，同时，硅光亦为医疗诊断、汽车、航空航天及工业领域传感应用的理想选择。
主流光子集成材料
- 硅光子学（SiPh）：硅是光子集成中最广泛使用的材料之一，尤其适用于数据中心和电信应用。
- 磷化铟（InP）：磷化铟是制备有源光子器件（尤其是激光器和放大器）的首选材料，因其支持直接发光。
- 绝缘体上铌酸锂（LNOI）：铌酸锂因其优异的电光特性长期用于通信调制器。
硅光集成
从工艺角度来看，硅光可以分成单片集成和混合集成：
- 单片集成：将光子学组件直接集成到同一块硅芯片上，包括光源、光调制器、波导、耦合器等光学元件，从而形成一个紧凑的光学电路。
- 混合集成：将硅芯片与其他材料的光学组件结合在一起，即将电子器件（硅锗、CMOS、射频等）、光子器件（激光/探测器、光开关、调制解调器等）、光波导回路集成在一个硅芯片上。
目前来看，光器件如波分复用器、变换调谐器等已经可以实现单芯片集成，而光模块尚需要混合集成。
硅光应用
- 数通市场：叶脊二层架构下光模块需求量提升，硅光芯片替代潜力强。
- 电信市场：逐渐成为硅光芯片重要应用领域之一。
- 医疗诊断领域：硅光子学凭借快速、精准、易获取的特性，正重塑诊断工具格局。
- 汽车ADAS与机器人车辆领域：应用于激光雷达、数据传输。
- 航空航天与自主系统领域：硅光子学技术革新了光纤陀螺仪（FOGs）。
- 气体传感与电子鼻领域：硅光子学推动了气体传感和电子鼻解决方案的升级。
- 量子计算和量子通信领域：硅光芯片在量子计算和量子通信领域也展现出一定的应用潜力。
