Yole：2022-2028年全球硅光子學(xué)市場CAGR達44%

  ICC訊（編譯：Nina）近日，Yole Intelligence發(fā)布了關(guān)于硅光市場的最新報告《Silicon Photonics 2023》。報告指出，除了來自超大規(guī)模企業(yè)(Hyperscaler)對數(shù)通的投資之外，硅光還有許多其他應(yīng)用的投資來自臺積電、英特爾、英偉達、AMD、GlobalFoundries等領(lǐng)先半導(dǎo)體廠商。

  硅光子學(xué)大量潛在的應(yīng)用預(yù)示著其前景廣闊

  自1985年以來，硅光子學(xué)取得了重大進展，從最初的高約束波導(dǎo)發(fā)展到戰(zhàn)略性地結(jié)合CMOS工業(yè)的材料、集成和封裝技術(shù)，最終在收發(fā)器領(lǐng)域確立了主導(dǎo)地位。硅光子學(xué)為需要大容量可擴展性的應(yīng)用提供了一個通用的平臺。它的主要和最直接的應(yīng)用是數(shù)據(jù)中心，英特爾在這個領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。

  第二大應(yīng)用領(lǐng)域是電信，以Acacia為例，它得益于硅制程(Silicon processing)的優(yōu)越性能。光學(xué)激光雷達系統(tǒng)具有很大的潛力，但面臨成本和2D波束掃描的挑戰(zhàn)。3D集成，將兩個芯片安裝在相同的硅襯底上，對于無縫控制至關(guān)重要。光學(xué)陀螺儀需要相當(dāng)大的芯片用于靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器，這得益于硅襯底和SiN波導(dǎo)。

  量子計算在不斷發(fā)展的人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)領(lǐng)域至關(guān)重要。光學(xué)計算是效率導(dǎo)向型任務(wù)的理想選擇，它吸引了業(yè)界的關(guān)注，并有望產(chǎn)生重大影響。先進的光子組件及其用于醫(yī)療用途的集成可以改變醫(yī)療保健，實現(xiàn)更快、更精確的診斷、治療和患者監(jiān)測，盡管臨床采用可能需要克服監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)化方面的挑戰(zhàn)。

  將硅光子學(xué)擴展到可見光譜具有未來發(fā)展的可能性，提供了廣泛的創(chuàng)新應(yīng)用。2022年，硅光子學(xué)市場價值6800萬美元，預(yù)計到2028年將以44%的年復(fù)合增長率(CAGR 2022-2028)增長到6億美元以上。這一增長將主要受到800G高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊的推動。此外，快速增長的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模的預(yù)測表明，數(shù)據(jù)將需要在ML服務(wù)器中使用光學(xué)I/O來縮放ML模型。

  硅光子學(xué)行業(yè)對其未來的解決方案和價值充滿信心

  硅光子產(chǎn)業(yè)格局圍繞著不同的參與者形成，包括：積極參與硅光子產(chǎn)業(yè)的主要垂直集成參與者(英特爾、思科、Marvell、博通、英偉達、IBM等)、初創(chuàng)公司/設(shè)計公司(AyarLabs、OpenLight、Lightmatter、Lightelligence等)、研究機構(gòu)(加州大學(xué)舊金山分校、哥倫比亞大學(xué)、斯坦福工程、麻省理工學(xué)院等)，以及代工廠(GlobalFoundries、Tower Semiconductor、imec、TSMC等)和設(shè)備供應(yīng)商(Applied Materials、ASML、Aixtron等)。

  所有這些參與者都為顯著增長和多樣化做出了貢獻。硅光子學(xué)行業(yè)的特點是不斷的研究和開發(fā)、戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系以及各種參與者之間的合作，以推進技術(shù)。由于硅光子學(xué)代工廠和該領(lǐng)域不斷增長的專業(yè)知識，越來越多的公司也能接觸到硅光子學(xué)。

  該技術(shù)能夠提高數(shù)據(jù)傳輸速度、降低能耗并實現(xiàn)各種應(yīng)用，使其成為一個有前景的行業(yè)。英特爾以61%的市場份額領(lǐng)跑數(shù)據(jù)通信市場，其次是思科、博通和其他較小的公司。在電信領(lǐng)域，思科(Acacia)占據(jù)了近50%的市場份額，其次是Lumentum(NeoPhotonics)和Marvell(Inphi)，電信硅光子市場由相干可插拔ZR/ZR+模塊驅(qū)動。硅光子學(xué)是一項需要高制造技能的先進技術(shù)，而這正是中國所缺乏的。

  中國公司都處于原型或采樣水平，依靠外部合作伙伴關(guān)系大量供應(yīng)硅光子學(xué)收發(fā)器或光學(xué)引擎。Skorpios-Luxshare-Broadex(博創(chuàng))和Sicoya-Broadex是數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域合作的好例子。中國電信企業(yè)華為和中興通常從思科或諾基亞購買PIC。

  硅光子學(xué)的途徑似乎是通過量子點激光器實現(xiàn)單片集成

  盡管硅作為光發(fā)射器有缺點，但最近的突破是引入了在硅上制造有源光學(xué)元件的創(chuàng)新方法，并在短短幾年內(nèi)實現(xiàn)了大規(guī)模生產(chǎn)。值得注意的是，硅的內(nèi)部量子效率相對較低，而直接帶隙III-V材料的效率接近100%。本質(zhì)上，我們需要關(guān)注直接帶隙半導(dǎo)體。

  硅光子學(xué)的途徑似乎是通過量子點激光器(QD)進行單片集成。傳統(tǒng)的InP PIC需要五到六個再生長步驟，這是昂貴的、有問題的并且產(chǎn)量有限。異構(gòu)集成提供了同時結(jié)合多種材料、粘合和加工的優(yōu)勢。然而，襯底的成本并非微不足道，因為III–V襯底遠小于300毫米，這促使人們對單片集成越來越感興趣。因此，片上激光器的單片集成技術(shù)將為實現(xiàn)高密度、大規(guī)模的硅光子集成提供一種很有前途的方法。

  QD激光器的固有參數(shù)已經(jīng)超越了量子阱(QW)器件，提供了更長的使用壽命，對材料缺陷表現(xiàn)出很大的容限，從而允許QD激光器在Si上外延集成，提供了高溫穩(wěn)定性，實現(xiàn)非冷卻操作，并使窄線寬激光器能夠增加帶寬。

  硅光子學(xué)的領(lǐng)域并不局限于單一的襯底或材料。用于光子集成的各種材料平臺，如薄膜LiNbO3(TFLN)、SiN、BTO、GaAs等，已經(jīng)證明了它們的潛力。其中，硅基薄膜TFLN發(fā)展迅速。TFLN具有嚴(yán)格的模式限制，在制造高速調(diào)制器方面已被證明是非常寶貴的。

  當(dāng)將硅光子學(xué)與硅集成電路進行比較時，在尺寸上存在顯著差異，硅集成電路已縮小到幾納米，而當(dāng)前的硅光子術(shù)技術(shù)工作在45納米。

  值得注意的是，硅光子學(xué)不需要3納米光刻技術(shù)。45納米技術(shù)完全適合生產(chǎn)高性能、高質(zhì)量的硅光子器件。這是有利的，因為采用較低光刻水平的舊鑄造廠非常具有成本效益。