Silicon Photonics and Photonic Integrated Circuits 2019

硅光子市場(chǎng)：窗口期已過！

在當(dāng)今數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的推動(dòng)下，光子集成電路的大量應(yīng)用涌現(xiàn)！

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，光子集成電路（PIC）涉及的材料眾多，包括硅（Si）、磷化銦（InP）、二氧化硅（SiO2）、鈮酸鋰（LinBo3）、氮化硅（SiN）、聚合物或玻璃，并且需要依托定制的制造工藝平臺(tái)。

PIC旨在利用半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)尤其是晶圓制造業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)為光學(xué)器件所用。與傳統(tǒng)光學(xué)器件相比，PIC的優(yōu)勢(shì)如尺寸更小的光學(xué)芯片、更高的數(shù)據(jù)速率、更低的功耗、更低的比特?cái)?shù)據(jù)成本和更高的可靠性，推動(dòng)了其蓬勃發(fā)展。

為了增加數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和距離，PIC正在逐步取代垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。PIC已用于相干或非相干模式下的高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器（100G及以上）。未來，在需要將電子學(xué)和光子學(xué)緊密結(jié)合時(shí)，PIC的必要性就凸顯出來了。

PIC的最大需求市場(chǎng)來自通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（或稱DCI），以及即將推出的5G無線技術(shù)、汽車或醫(yī)療傳感器等新應(yīng)用。磷化銦（InP）是最常用的材料，但Si增長(zhǎng)更快。如Google（谷歌）、Apple（蘋果）、Facebook（臉書）、Amazon（亞馬遜）和Microsoft（微軟）等國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)巨頭（縮寫GAFAM）是如今硅光子技術(shù)的主要推動(dòng)者。他們目前正在與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的本地?cái)?shù)據(jù)中心建立互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

在投入方面，GAFAM領(lǐng)先于傳統(tǒng)通信公司，已為DCI建立了自有長(zhǎng)途和海底網(wǎng)絡(luò)。直到最近，他們還依靠傳統(tǒng)的通信運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行長(zhǎng)途傳輸。2018年，硅光子進(jìn)入了長(zhǎng)途DCI，而此時(shí)很多巨頭公司對(duì)硅（Si）或磷化銦（InP）技術(shù)卻尚不清楚。

作為PIC家族的一員，硅光子正在利用半導(dǎo)體制造基礎(chǔ)設(shè)施將不同光學(xué)功能整合于同一芯片，盡管激光器仍使用磷化銦（InP）。今天，在光收發(fā)器所用的材料中，硅（Si）有望成為增長(zhǎng)最快的材料。未來，硅光子將與其他PIC材料集成。因?yàn)楣韫庾涌刹捎玫闹圃旃に嚻脚_(tái)成熟，也能使用其它材料，并且性能更佳。如用于激光器的磷化銦（InP）、用于光探測(cè)的鍺（Ge）、用于調(diào)制器的鈮酸鋰（LinBo3）和用于互聯(lián)的玻璃。

近年來，在嵌入式光學(xué)的大量研發(fā)工作使光子芯片與服務(wù)器板上的電子器件越來越接近。如今，用于交換機(jī)的專用集成電路（ASIC）和光學(xué)器件的共封裝技術(shù)開發(fā)預(yù)示著未來的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)和功耗的降低。交換機(jī)ASIC公司將被賦予更高的價(jià)值，并可能在未來參與更多的并購。

硅光子市場(chǎng)前景光明，400G增速將超過100G

基于PIC的收發(fā)器主要材料為硅光子和磷化銦（InP）（詳見《磷化銦晶圓和外延片市場(chǎng)-光子和射頻應(yīng)用》），整體市場(chǎng)規(guī)模將從2018年約40億美元增長(zhǎng)到2024年的190億美元，出貨量從3000萬個(gè)增長(zhǎng)到約1.6億個(gè)。其中，硅光子市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率最高，達(dá)44.5%，將從2018年的約4.55億美元（相當(dāng)于130萬個(gè)）增長(zhǎng)到2024年的約40億美元（相當(dāng)于2350萬個(gè)）。

DCI市場(chǎng)跨越地鐵到長(zhǎng)途/海底通信，其市場(chǎng)規(guī)模最大，相干通信和傳感器只占其中小部分。5G時(shí)代即將到來，未來也出現(xiàn)大量產(chǎn)品。

除DCI外，其它應(yīng)用的身影也逐漸顯現(xiàn)出來。例如，以下公司計(jì)劃將其PIC平臺(tái)用于激光雷達(dá)：Intel（英特爾）、Rockley Photonics、SiLC、Blackmore，可能還有更多公司。然而，業(yè)界仍有聲音“激光雷達(dá)可能會(huì)被雷達(dá)和攝像頭等其它傳感器組合所取代”，所以市場(chǎng)前景仍不確定；而且自動(dòng)駕駛汽車是否會(huì)取得最終成功還不明朗，汽車制造商受技術(shù)、法規(guī)和戰(zhàn)略變化等因素的影響較大。

自動(dòng)駕駛汽車市場(chǎng)需求是數(shù)千輛的量級(jí)，而不是數(shù)百萬輛，低于數(shù)據(jù)中心的需求量。

硅光子市場(chǎng)的參與者只有少數(shù)幾家：Luxtera/Cisco（思科）、Intel（英特爾）、Acacia和InPhi。Luxtera成立于2001年，被思科收購，作為硅光子產(chǎn)業(yè)的先驅(qū)者，自2009年批量生產(chǎn)以來，其四通道小型可插拔（QSFP）收發(fā)器已售出近200萬個(gè)（參考《MOLEX（Luxtera）硅光子芯片》）。英特爾在2016年推出了一款支持100G通信的硅光子QSFP收發(fā)器（參考《英特爾硅光子技術(shù)100G PSM4 QSFP28光纖收發(fā)器》）?，F(xiàn)在該公司每年向數(shù)據(jù)中心出貨一百萬個(gè)。英特爾的400G產(chǎn)品有望在2019年下半年進(jìn)入量產(chǎn)。Acacia宣布到2022年將為相干光學(xué)出貨10萬多個(gè)400ZR模組。

窗口期已過，但成熟度還不理想！

盡管目前人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)感到興奮，但硅光子技術(shù)還沒有完全成熟。由于掌握這項(xiàng)技術(shù)的早期采用者和GAFAM的要求趨同，雖然達(dá)到了窗口期，但如上文所述，供應(yīng)商仍然很少。

然而，許多新進(jìn)入的初創(chuàng)企業(yè)正在嶄露頭角，更多的來自集成電路和MEMS代工廠。TSMC（臺(tái)積電）等大型集成電路代工廠發(fā)展硅光子的一個(gè)原因可能與未來交換機(jī)的共封裝趨勢(shì)有關(guān)。數(shù)據(jù)中心架構(gòu)正在從可插拔式發(fā)展為將更多的光學(xué)器件共封裝，Microsoft（微軟）和Facebook（臉書）正致力于該項(xiàng)研究，而架頂式交換機(jī)可能會(huì)消失。這意味著交換機(jī)可以在服務(wù)器級(jí)與光學(xué)器件共封裝。在這種情況下，由于交換機(jī)需求量非常高（數(shù)百萬臺(tái)級(jí)），為代工廠提供了擴(kuò)充產(chǎn)能的潛在機(jī)會(huì)。對(duì)于規(guī)模相對(duì)較小的MEMS代工廠，如Silex、APM（亞太優(yōu)勢(shì)）和VTT，采用硅光子工藝則是填充產(chǎn)能的方法，因?yàn)橛行┕に嚪浅Ｏ嗨疲鏑isco/Luxtera的MEMS蓋帽。在北美洲、歐洲和日本，工業(yè)界在全球范圍內(nèi)進(jìn)行了大量研發(fā)工作。所以，我們有理由相信，這個(gè)市場(chǎng)正在走向工業(yè)級(jí)成熟，未來的市場(chǎng)需要量巨大。

本報(bào)告涉及的部分公司：Acacia, Accelink, Almae, Amazon, AOI, apm, at&t, Axalume, AXT, Ayar Labs, Broadcom, Broadex, CeliO, Ciena, Cisco, Effect Photonics, Elenio, Emcore, Ericsson, Facebook, Fiberhome, ficontec, Finisar, Fujitsu, GCS, Gigalight, GlobalFoundries, Google, HHI, Hisense, HPE, Huawei, III-V Labs, II-VI, Infinera, Innolight, InPact, Inphi, Intel, IQE, JDSU, Juniper, Kaiam, Landmark, Ligentec, Lightwave Logic, LioniX, Lumentum, Luxnet, Luxtera, MACOM, Masimo, Microsoft, Nokia, Northrop Grumann, Novati, NTT, NXP, Oclaro, Oepic, OMMIC, Orange Labs, POET, Ranovus, Rockley, Roshmere, Scintil Photonics, Sentea, ShinEtsu, Sicoya, SiLC, Silex, Silterra, Skorpios, Skywater, Smart Photonics, SOITEC, STM, SunEdison, Synopys, TEEM Photonics, Thales, TrueLight, TSMC, Verizon, VLC Photonics, VPEC, VTT, ZTE…

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