一、硅光子技术应用广泛，海外巨头纷纷布局

硅光子技术是利用CMOS工艺制造光器件，下游应用领域广泛

硅光子技术是以硅或者硅基材料（Si, SiO2，SiGe）作为衬底材料，利用与集成电路兼容的CMOS工艺制造对应的光 子器件和光电器件，以实现对光的激发，调制，响应等功能，广泛应用于设备互连、光计算等下游多个领域中。  硅光子技术的发展阶段主要分为技术探索阶段，技术突破阶段，集成应用阶段，以及应用拓展阶段。目前硅光子技术 处在应用拓展阶段，先进的硅光子集成平台有望取得广泛应用。

硅基材料具备兼容CMOS工艺、低成本和低功耗等优势

材料是影响光学器件性能的重要因素之一，不同材料对于光的作用不一样，包括对光的吸收、折射、反射，以及激发 辐射产生光，因此材料的进步在光学器件行业发展中起到关键的推动作用。  硅材料的优点：能够兼容成熟的CMOS工艺，集成度高，封装工艺步骤减少，低成本和低功耗。  硅材料的缺点：间接带隙，直接发光难度高，光源集成难度较高，偏振敏感且耦合损耗较大。

数通光模块在硅光子芯片应用市场中占据主要地位

根据Yole的统计数据，2022年全球硅光子芯片的市场规模为0.68亿美元，数据中心领域占比达94%，其中数据中心用 到的数通光模块占比高达91%。预计2028年全球硅光子芯片市场规模增长至6.13亿美元，CAGR为44%，其中数据中 心市场为5.68亿美元，CAGR为44%，NPO/CPO市场规模为300万美元，CAGR为16%，光互连I/O市场规模为0.14亿 美元，CAGR为21%，光计算市场为0.05亿美元，CAGR为16%。

海外科技巨头争相布局硅光子技术

布局硅光子技术的海外巨头厂商较多，有望在AI浪潮下实现快速发展。随着AI的快速发展，硅光子技术从通信逐步拓 展到算力基础设施及下游应用领域，包括板间芯片光互连、芯片内chiplet光互连、光计算和激光雷达等领域。海外巨 头厂商纷纷布局硅光子技术，有望实现快速发展。

二、硅光模块与传统光模块的比较分析

硅光技术在光通信领域的应用呈现出距离变短、端口变多的趋势

从硅光技术在光通信领域的应用来看，呈现传输距离越来越短，端口数越来越多的趋势。光通信在铜退光进的演进过 程中，也伴随着传输距离的逐步减短。根据英特尔的观点，硅光通信技术早期应用于电信长距离传输网络之中，逐步 往数通领域以及未来的板与板、芯片与芯片互连发展。电信传输中使用到的硅光产品数量较少，随着距离越来越短， 需要连接的终端越来越多，因此硅光产品也将越来越多。

传统分立式光模块的工作原理及结构

光模块全称为光收发模块（Transceiver），由发射端（Transmitter）和接收端（Receiver）组成。数据传输过程如下：  光发射过程：电信号从交换机芯片经由PCB进入光模块，先经过DSP和CDR等进行电信号处理，然后信号经由驱动发给激光 器和调制器，从而发射调制光信号，再通过发射端光引擎耦合到光纤中传输出去。  光接收过程：光信号到达目的交换机端口对应的光模块中，经过光接口接收，由接收端光引擎传至探测器转换成电信号，电信 号经过TIA放大之后再经过CDR和DSP进行处理，最后传输到交换机芯片。

硅光模块与传统光模块的区别——激光器

硅光子技术主要对光模块中光相关的元器件产生影响，包括有源光器件（激光器、探测器和调制器）和无源光器件（隔离器，波分复 用器件，透镜等）。  激光器是光模块内部有源光器件的核心。目前在硅光模块中，存在以下激光器的方案：  英特尔的方案，通过在低温下的氧气环境下，实现III-V族激光器与硅光芯片之间的异质集成。单个通道配置两个DFB激光器，其中一个激光器 为备份，通过MZM光开关来进行切换，该方案能够大幅提升激光器的可靠性；  激光器Flip-chip方案也相对成熟。将激光器组件直接倒装焊到硅光芯片上，组件中可以包括激光器芯片、透镜、隔离器等元器件，能够节省光 学耦合时间，有利于大规模量产。  外置激光器目前被越来越多的硅光子技术公司所采纳。采用外置大功率CW激光器方案，而调制器集成到硅光芯片上，这种方案能够降低激光器 的成本，提升激光器的可靠性，同时模块组装工艺也更简单。

硅光模块与传统光模块的区别——探测器

在光模块中，探测器一般具备两个功能：1、在接收端一般用作将电信号转换成光信号。2、在发射端用探测器MPD可 以用来监测激光器的发射功率是否正常。  传统的光模块中，一般采用的是III-V族InP基的光探测器，数通光模块的探测器一般是PIN型，在灵敏度要求较高的电 信光模块产品上一般采用的是APD型。  英特尔的硅光模块中，负责监控激光器和调制器的探测器是采用的硅基III-V族异质集成探测器，而在接收端负责转换光 信号的探测器则是采用的锗硅探测器。

硅光模块与传统光模块的区别——调制器

在带宽迭代周期不断缩短的背景下，调制器逐步成为光模块中非常重要的器件。光调制器基于电光效应、声光效应、磁光效应、 Franz-Keldysh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等对光信号的作用原理，可以制作成不同的调制器产品。在光信号的发射、 传输、接收过程中，光调制器被用于控制光的相位或幅度。  在光模块领域，主要存在以下几种调制器的方案：  传统的高速光模块中，在EML激光器里集成了调制功能。EML激光器里包括DFB激光器和EA调制器，DFB激光器负责发射单模光信号，通过EA调制器来 实现高速率的传输速率。EA调制器主要是利用电吸收的特性，通过施加电压对光信号吸收从而达到调制的目的。  硅光和薄膜铌酸锂调制器中，一般采用马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator)）结构。输入波导拆分为波导干涉仪的两个臂，在其中一个臂上 施加电压，则通过该臂的光信号会产生相移。当两个臂的光信号重新合并时，两个波之间存在相位差，干涉后实现振幅调制。  微环型调制器由环形波导与bus波导构成。当外加电压时，相移器引入一定的相位延迟，导致微环的共振波长发生移动，干涉时光功率幅度产生变化。微 环调制器尺寸小，响应快，但是对加工工艺的精度以及温度比较敏感，要求较高。

硅光模块与传统光模块的区别——光无源器件

传统光模块中包含了诸多光无源器件，包括准直透镜、分光器、波分复用/解复用器件、隔离器和连接器等。  在硅光芯片中，可以集成光波导、波分复用/解复用和分光器等器件。因此一般在硅光模块中，不再需要准直透镜、棱 镜、分光镜、潜望镜和波分复用的镀膜器件等，而隔离器和连接器一般还是需要的。  硅光子技术对无源光器件的影响，主要还是体现在制造工艺步骤的大大简化。在传统的分立式光模块中，需要将激光 器、透镜、波分复用器件等逐一进行耦合、粘贴、烘烤和温循等操作，时间和人力成本较高，工艺步骤繁多带来过程 良率易受到较大影响。硅光芯片能够大幅简化制造工艺过程，降低成本，提升良率。

相比于传统光模块，硅光模块的总成本预计下降10-20%

假设在同样的良率水平下，硅光模块相比较传统光模块的成本有一定的下降，主要体现在：  硅光模块的光源成本相比较传统分立式方案，大幅降低。英特尔的激光器方案采用异质集成方案，成本较低；目前大部分厂商的光源 方案采用大功率CW光源，将传统EML激光器中的EA调制器功能转移到硅光芯片上，成本显著降低。  硅光芯片能够集成部分光无源器件，降低成本。目前硅光芯片主要是用于发射端，因此能够集成发射端的准直镜、波分复用器件等光 器件，有效的降低成本。  通道数越多，硅光方案制造工艺成本越有优势。400G往800G和1.6T升级时，主流方案中的通道数从四通道升级到八通道，传统方案 中制造工艺步骤大幅增加，成本显著增长，而硅光芯片只需要多设计四个通道，工艺上变化较小，成本较低。

硅光芯片工艺需要攻克大量know-how问题

硅光与CMOS工艺兼容性高，但也需要解决很多know-how问题，并且可能会影响最终硅光模块是否能大批量生产。  光无源硅光芯片的外延层包括下包层、硅光波导层和上包层，刻蚀时需要保证侧壁粗糙度满足需求以保证传输损耗相对较低，整体来 看工艺相对比较成熟，能够批量化生产包括PLC分路器、AWG等多种光无源硅光芯片。  光有源硅光芯片结构相对更复杂一些，比如调制器的结构，在保证无源硅光工艺稳定性的基础之上，还需要增加离子掺杂、金属电极 等相关工艺，以使得带宽和功耗等性能满足要求。  硅光和III-V族材料的异质集成工艺难度很高，需要长时间的工艺积累以攻克较多的know-how问题。异质集成工艺中，材料外延难度 较高，片上光源耦合及老化问题是绕不开的难题，在量产阶段对良率的影响较大。

硅光芯片—光引擎—硅光模块制备过程

硅光芯片制备完成后，经过前道测试和贴装，再到后道与电芯片和其他无源器件进行集成，完成从芯片到光引擎器件 到光模块的整个制备过程。

三、AI带来数通800G硅光量产机遇，电信市场相干下沉值得期待

AI网络架构大幅提升光模块数量需求

传统的三层树形网络拓扑中，带宽一般是逐层收敛的。上层树根处的网络总带宽要小于各叶子处交换机所有带宽的总 和，因此在数据量爆发的时候，容易出现网络阻塞的问题。  在胖树网络架构中，交换机与光模块数量均大幅上升。英伟达的AI数据中心采用胖树架构，即使用大量相同带宽的交 换机，构建出大规模的无阻塞网络，对于任意的通信需求，总有路径让他们的通信带宽达到网卡带宽，架构中用到的 所有交换机都是相同的。

AI网络加速硬件带宽升级周期

在AI数据中心中，越来越多的客户倾向于加快网络带宽的升级迭代节奏，包括光模块和交换机，因为带宽越大，单位 bit传输的成本更低、功耗更低以及尺寸更小。  1.6T光模块有望在2024年下半年开始批量化出货，比预期提早一年左右。800G光模块的高增速反映出AI对于带宽迫切 的需求，其在2022年底开始小批量，2023年和2024年的出货量或将呈现高速增长的态势。AI对于带宽的需求快速升级 ，网络较高的性价比使1.6T光模块有望加速到来。

英特尔引领100G硅光数通光模块大规模商用

100G数通光模块时代，硅光子技术表现亮眼。随着数据中心的快速发展，对于光模块的需求爆发式增长，多家厂商开 始大力研发用于数据中心的硅光模块。初期是40G硅光数通光模块小规模应用，而后英特尔和Luxtera（后被思科收购 ）等公司的100G硅光模块实现大规模应用，其中100G PSM4和100G CWDM4硅光模块是主要形态。根据英特尔的报 告，截至2022年，英特尔共出货了超800万只硅光模块。

200G和400G硅光模块发展迟缓，800G迎来量产机遇

从100G往200G和400G升级，单通道的速率需要提升两倍或四倍，调制模式从NRZ转变为PAM4，对硅光调制器的设 计和工艺提出了较高的要求。过去的几年来看，硅光模块在200G和400G均没有实现批量出货。  从800G光模块目前在光口的主流方案是8x100G，相比较400G来说，也就说多了四个通道。对于硅光芯片来说，在设 计上比较容易。因此在4-5年400G硅光模块的研发基础之上，800G硅光模块量产有望迎来突破。

1.6T加速到来，硅光及薄膜铌酸锂优势凸显

1.6T光模块有望在2024年下半年批量出货，比预期提早一年左右。硅光和薄膜铌酸锂集成化方案在400G及800G时代 的市场份额尚不高，但在多通道封装方案中仍具一定优势，且相较于EML，硅光调制器和薄膜铌酸锂调制器在带宽不 断提升的背景下优势凸显。1.6T光模块的光口单通道速率是200G，预计是未来的主流选择，故硅光和薄膜铌酸锂或在 1.6T时代有所突破。

近年来硅光子技术也在电信领域实现高速发展

硅光技术在电信领域的应用，近年来也实现了高速发展。从一开始的平面光波导（PLC）和波分复用的波导阵列光栅 （AWG）产品技术，到密集波分复用（DWDM）器件和ROADM产品，再到相干光模块领域，硅光技术快速进步，单 根光纤的传输速率实现了大幅增长。

硅光子技术应用从无源拓展到有源

硅光无源器件包括光分路器、硅光光栅I/O耦合器、AWG产品和DWDM器件等，这些硅光无源器件成为电信器件中的重 要基础元件，能够有效降低产品的成本及尺寸。  硅光有源器件方面，Luxtera和英特尔在硅光调制器的突破，衍生出探测器、光开关和VOA等产品，真正打开了硅光技 术在电信领域的应用。

相干下沉至DCI市场，市场空间广阔

目前硅光技术在电信领域的有源器件的应用主要分为两部分：硅光相干光模块，主要玩家包括Acacia、Marvell等； LCoS方案的WSS器件，主要玩家包括II-VI等。  相干光模块主要应用于电信网络中的骨干网等长距离传输系统中，能够覆盖百公里及以上距离的数据传输。近年来， 在云计算和AI的驱动下，数据中心建设如火如荼，而数据中心之间的连接需求也日益强劲。因此相干下沉至DCI市场， 有望进一步提升相干光模块的需求。

硅光方案的相干光模块集成度高，竞争力较强

硅光技术在相干光模块存在三个应用：硅基ITLA光源、硅光器件IC-TROSA以及包括DSP在内的共封装硅光器件。得 益于硅光子技术的高集成度和低成本，有望在相干光模块实现广泛应用。  相干光模块领域，龙头厂商Acacia采用的是硅光方案，产品在功耗、尺寸等方面具备较强的竞争力。近年来Acacia也 在拓展数通光模块市场，有望将相干光模块中的硅光技术优势带到数通领域。

硅光产业链日趋成熟，量产条件充分

硅光子技术下游需求旺盛，上游设计方案百花齐放，代工厂积极布局。硅光子技术产业链的上游包括光芯片设计、SOI 衬底、外延片和代工厂，中游为光模块厂商，下游分为数通领域和电信领域。  一体化布局的厂商优势比较明显。英特尔、旭创、Coherent、思科和Marvell等厂商同时具备PIC设计和模块集成能力 ，且与下游云厂商和AI等巨头客户保持紧密合作，优势显著，在供应链中的引领作用较为明显。

思科和英特尔份额领先，光模块厂商有望颠覆格局

从硅光模块的格局来看，思科和英特尔的市场份额远远领先于其他厂商。2022年的光模块市场来看，电信领域市场规 模为12亿美金，思科份额为49%，Lumentum份额为30%；数通领域市场规模为5.1亿美金，英特尔占比61%，思科占 比20%。  随着AI的快速发展，400G及800G等高速光模块的需求大幅提升，光模块头部公司的硅光方案进展处于行业领先地位。 虽然思科和英特尔在当前的硅光市场占比较高，但是AI将带来更广阔的400G和800G硅光模块市场，而中际旭创、 Coherent等公司有望获取大部分份额，颠覆行业竞争格局。

四、泛处理器硅光互连市场空间广阔，CPO及激光雷达突破在即

英伟达将硅光子I/O在GPU间实现交叉互连

随着AI的快速发展，多模态大模型的参数量大幅提升使带宽容量也快速扩张。无论是训练侧还是推理侧，数据传输带宽愈发成为整个 系统的瓶颈。虽然目前电信号传输还具备一定的优势，但是随着带宽的加速增长，电信号传输距离越来越短，在芯片互连领域“光进 铜退”目前看来也是势在必行的行业趋势。  英伟达与Ayar Labs、台积电等多家公司合作硅光子集成项目。在传统的DGX服务器中，服务器内部GPU与NVSwitch之间用电信号 连接，硅光子方案中将GPU和NVSwitch都接入硅光I/O，每个GPU对应2个光引擎，每个NVSwitch对应6个光引擎，双向带宽达到 25.6Tbps。数据收发过程单位bit消耗3.5pJ能量，英伟达仍在努力降低功耗，从而提升该方案的性价比。

英特尔将硅光子I/O带入泛处理器XPU领域

英特尔在2023年Hot Chips会议上展示了1TB/s的528线程处理器，该处理器采用了1TB/s硅光互连技术。该产品是为 DARPA专门定制的RISC架构处理器，数据处理速度比传统计算架构快100倍，功耗也更低。  该处理器包含8个计算核心，每个核心有66个线程。处理器周围有4个硅光I/O引擎的chiplet，外接32根单模光纤，一半 发射一半接收。每根光纤的带宽为32GB/s，总带宽达到1TB/s。

三星探索Optical I/O在Chiplet之间的互连

HBM目前广泛应用于GPU芯片中，采用3D堆叠的芯片结构，为GPU提供更大容量的内存和更高的互连带宽。多层DRAM芯 片通过TSV和Microbump技术在垂直方面堆叠，再通过interposer中的金属线实现互连。  AI的快速发展对内存的容量和带宽提出了更高的要求。为了发展下一代HBM技术，三星提出了两个基于Optical I/O的方案：  光学I/O作为interposer，HBM芯片和Logic芯片放在interposer上，电信号通过interposer上的电光接口转换成光信号经过光波导传输, 到Logic或HBM所在的位置，再进行光电转换为电信号。  在Logic芯片和多个off-package的HBM芯片之间引入光学连接，电信号通过Optical I/O转换为光信号，通过光纤实现光信号传输。  我们认为，硅光子的光学I/O将是该技术方案中最佳的产品形态之一。

硅光子I/O在FPGA芯片光互连领域已经实现商业化

数据传输带宽的提升，使电信号损耗快速增加，需提升电信号功率才能保持正常传输，导致整体功耗较高。若通过光 信号进行传输，可以提升带宽、降低功耗（光信号传输损耗几乎不随速率提升变化）。  英特尔已经推出了采用光互连技术的FPGA商业化产品Stratix 10。在近期的SC23会议上，英特尔和Ayar labs共同推 出了带有2颗4Tb/s带宽的TeraPHY I/O chiplet的FPGA产品，由两个SuperNova光源支持每个chiplet上8根光纤的64 个光通道的高速光通信。

CPO交换机降低功耗，硅光引擎是最佳产品形态

共封装光学（CPO）是业界公认的未来更高速率光通信的主流产品形态之一，可显著降低交换机的功耗和成本。随着 交换机带宽从最初的640G升级到51.2T，Serdes速率不断升级叠加数量的持续增加，交换机总功耗大幅提升约22倍， 而CPO技术能够有效降低Serdes的功耗，因此在51.2T及以上带宽交换机时代，CPO有望实现突破。  硅光芯片是CPO交换机中光引擎的最佳产品形态，有望在未来得到广泛应用。目前英特尔、博通和Meta等海外巨头厂 商在CPO交换机产品具有布局。

光计算在AI领域快速发展，硅光子应用空间广阔

以Lightmatter和Lightelligence为代表的公司，推出了新型的硅光计算芯片，性能远超目前的AI算力芯片。该光芯片 的计算过程通过光信号进行，功耗较低，只需要光源产生光信号即可。  根据Lightmatter的数据，他们推出的Envise芯片的运行速度比英伟达的A100芯片快1.5到10倍，具体根据任务的不同 有所差异。以运行BERT自然语言模型为例，Envise的速度是英伟达芯片的5倍，功耗仅为后者六分之一。

硅光芯片上的MZI阵列适用于线性计算

AI领域的神经网络计算中，光信号通过硅光芯片上的MZI阵列，能够顺利地实现加乘的线性计算，功耗低，延时低，并 行能力强，且通过改变每个MZI两臂的电压可以适配不同的计算模型。  非线性计算方面，目前来看，光信号还需要转成电信号，计算较为困难。目前光芯片只负责计算方面的任务，存储以 及交互都是通过电芯片完成的，因此距离一颗光芯片实现计算+存储+互连全功能的理想情况还有一定距离。

硅光技术可应用于FMCW激光器和OPA等激光雷达器件

硅光技术在激光雷达领域主要以高集成度的产品形态，应用于固态激光雷达中，未来有望实现大规模应用。固态激光 雷达以其高可靠性和低成本的优势，普遍被认为是未来主流的技术方案。  目前硅光技术主要是应用在FMCW和OPA方案中，还处在研究阶段，预计大规模应用在2025年以后。FMCW方案主要 是利用光信号的相干性，所以对光源的相干性要求比较高，基于硅基的外腔窄线宽调制激光器方案有望被采用。OPA 方案，即相控阵，通过改变相位来控制出射光的方向，从而达到扫描的作用，可以通过硅光集成来实现。

五、投资建议

投资建议方向一：硅光工艺设备

相比较传统光模块，硅光的组装工艺步骤大大简化，但硅光工艺的精度要求较高，主要是由于耦合损耗通常是硅光模块中较高的损耗 组成部分。在400G及以上的光模块中，功耗是很重要的性能参数之一，若耦合损耗较高，则光模块功耗会有明显增加，且耦合损耗 掉的能量主要以热的形式消耗掉，对散热的要求也会有一定的提升。  硅光模块的组装涉及到的高精度工艺主要包括，贴片、耦合和测试。硅光工艺设备中除了包括高精度的硬件，软件和配套的技术支持 也是非常重要的组成部分。同时，在未来CPO光引擎、芯片间光互连等领域，对于硅光组装工艺的要求将会越来越高。  Ficontec是全球光子及半导体自动化封装和测试领域的领先设备制造商之一，在硅光封装设备领域具备较强的竞争力。

投资建议方向二：硅光模块大功率CW光源

外置大功率CW光源是目前硅光模块主要采用的激光器方案之一。相比较传统的EML激光器，大功率CW激光器为硅光模块提供连续的 光信号，光功率保持不变，将调制功能剥离到硅光芯片上的调制器上，这样既可以降低激光器成本，也可以降低光模块的失效比例。 外置大功率CW光源不仅可以用于硅光模块，也可以用在CPO和光互连等产品上。  目前外置大功率CW光源的功率可以分为50mW、70mW和100mW。在实际应用中，大功率CW光源可以通过分路器对多个通道同时 提供连续光信号，因此功率越大，越多的通道可以共享，单通道对应的光源成本和功耗更低。

投资建议方向三：硅光器件/硅光模块厂商

硅光器件和硅光模块是硅光子产业链的主力环节，头部厂商在硅光子技术的深度布局也将影响硅光产品的渗透率。此前硅光子技术推 动者主要是海外巨头厂商，包括英特尔、思科和Lumentum等。随着硅光子技术的不断发展，多家国内外厂商具备了硅光子技术的设 计和封装等能力，有望加速硅光子产品的渗透。  中际旭创是全球领先的光模块头部厂商，在硅光芯片领域深耕多年。公司在400G、800G等产品都有硅光产品的布局，有望在明年能 够实现批量化出货。  天孚通信的光引擎产品，既有传统分立式方案也有硅光方案。在硅光方案中，天孚通信既可以提供配套的FA连接器、MT产品、PM产 品等光无源器件，也可以提供硅光封装工艺，布局较早，具备较强的竞争力。

投资建议方向四：硅光工艺代工厂

硅光工艺代工厂负责硅光芯片的流片，目前大部分硅光器件/模块厂商都会选择自己定制化芯片设计，然后将版图给到代工厂进行流片 。国内外硅光代工厂数量也比较多，目前具备批量化流片经验的厂商包括英特尔、Tower半导体和Global Foundry等公司。  在大批量生产的时候，硅光芯片流片的良率和一致性都是非常重要的参数。因此需要花费较多的时间和金钱去攻克硅光工艺中的 know-how问题，从而保证量产的稳定性。  除了Tower和Global Foundry等代工厂，台积电、AMF和中芯国际等厂商也在积极布局硅光子技术。燕东微在硅光上亦有布局，公司 硅光工艺平台的一款光通信产品已实现工艺贯通，进入样品批试制阶段。

 

编辑：520中国