2025年硅光模块行业深度报告：AI驱动高成长，从物理结构和产业链视角拆解硅光投资机会

硅光技术概况、产业节奏及发展趋势

什么是硅光技术？

CMOS工艺：CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺的本质是n沟道MOS管和p沟道MOS管组合一 起使用，并且彼此称为对方的负载电阻，从而在工作时实现省电的目的。它是当今集成电路制造的主流技术，大部分IC芯片，包括大多数数字、模 拟和混合信号IC，都是使用 CMOS技术制造的。CMOS工艺技术自1963年由Wanlass和Sah提出以来，已发展成为半导体制造的主流工艺技术。随 着硅的局部氧化工艺、离子注入技术、光刻技术等关键技术的不断发展和改进，CMOS工艺得以广泛应用，并遵循摩尔定律，持续缩小特征尺寸， 提高集成度。 硅光集成技术：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。

传统光模块发展瓶颈

空间与集成度限制：在高密度部署场景下，传统光模块的尺寸限制了其在数据中心的扩展能力。例如，QSFP+等紧凑型封装在高带宽需求下难 以满足空间要求，限制了单机架交换容量的提升。 带宽瓶颈及“功耗墙”痛点：随着数据速率从400G向800G、1.6T迈进，传统光模块需要并行的激光器和探测器数量增加，导致功耗和体积线 性增长。电互联的损耗和串扰也变得越来越严重，形成带宽瓶颈和“功耗墙”。 成本与制造复杂性：传统光模块的制造涉及多个分立器件的组装与测试，工艺复杂且成本较高。随着速率的提升，传统方案的制造成本难以有 效控制，限制了其在大规模部署中的应用。 供应链瓶颈：传统光模块光芯片等核心器件依赖进口，国产化率较低，导致供应不稳定，影响量产。

硅光方案优势：高效能、低成本，有望成为高速光模块发展方向

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。同时，硅光技术通过片上集成波导和光耦合结构，简化了多通道数据传输 的物理架构，适用于数据中心短距传输和高密度部署场景。 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：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（集成度高，需使用的CW光源数量小于EML数量）。 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。

未来趋势：更高速率、更高集成度、先进封装及更广阔的应用领域

我们认为速率、功耗、成本仍将驱动光模块行业迭代发展，未来硅光技术主要有四大发展趋势： 1）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。 2）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。 3）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。 4）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、 航空及工业领域传感应用的理想选择。

主流光子集成材料：SOI、InP、SiN、LNOI

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。虽然硅本身发光效率低，但其在调制和探测 等功能的集成上具备优势。硅光子学常与 III-V族材料结合，用于混合或异质集成光源。常用的衬底为SOI（绝缘体上硅），一般分衬底硅、氧 化硅和顶层硅三层；氮化硅以及氧化硅也是常见的波导材料：氮化硅有更宽的光学带隙（通过改变N/Si比例，带隙在2.7-5eV），其传输波长 在400nm-中红外，且具有低损耗波导特性，常用于传感、量子计算及其他光学损耗敏感的特殊应用。在部分混合设计中，氮化硅亦可与硅光 子学共同集成；氧化硅工作在可见光-中红外波段，常用于制备低损耗的波导器件，其与光纤耦合损耗也较低。

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。它允许在单一芯片上单片集成激光 器、调制器和探测器等元件，减少复杂组装工序。基于磷化铟的PICs因长波长（1.3至1.55微米）操作下的高效性能，广泛应用于电信和高性 能数据通信领域。

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。LNOI作为一种新型平台，通过将铌酸锂置于绝缘基底上，实现 了性能优于硅调制器的紧凑型高速调制器。该材料正在高级数据通信和微波光子学领域探索应用。

硅光原理及结构拆解（物理结构视角）

硅光器件与产品主要可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片和硅光模块

硅光器件与产品主要可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片和硅光模块。1）硅光器件：包括激光器（负责将电信号转化成光信号）、调制器（负 责将光信号带宽提升）、探测器（负责将光信号转化成电信号）、波导（负责光信号在硅基材料上传输）、光栅耦合器（负责与对外连接的光纤 对准降低插损）等，是实现各种功能的基本单元；2）硅光芯片：将光发送集成芯片、光接收集成芯片、光收发集成芯片、相同功能器件阵列化集 成芯片（探测器阵列芯片、调制器阵列芯片等）等若干基本器件进行单片集成；3）硅光模块：进一步将光源、硅光器件/芯片、外部驱动电路等 集成到一个模块，包括光发送模块、光接收模块和光收发一体模块等，是系统级的硅光产品形态。 传统光模块和硅光模块比较：基于CMOS制造工艺进行硅光模块芯片集成是硅光模块最大的特点。传统光模块通常由光发射器件（TOSA，含激 光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成，采用分立式结构，制造过程中需要依次封装电芯片、光芯 片、透镜、对准组件、光纤端面等器件，部件物料较多。硅光模块所使用的硅光子技术是利用CMOS工艺进行光器件的开发和集成，基于CMOS 制造工艺进行硅光模块芯片集成便是硅光模块最大的特点。硅光模块芯片通过硅晶圆技术，在硅基底上利用蚀刻工艺加上外延生长等加工工艺制 备调制器、接收器等关键器件，以实现调制器、接收器以及无源光学器件的高度集成。硅光子器件不再需要ROSA和TOSA封装，由于其高度集成 的特性，硅光模块将核心价值都集中在了硅光芯片上，外围变得极其简单，只剩下一个光纤阵列（FAU），用于将光纤与硅光芯片连接起来。

硅光器件一览：激光器、调制器、探测器

硅基激光器：硅基激光器指集成在以硅为衬底的光芯片上的激光器。常用的硅基激光器按照结构可分为VCSEL芯片、分布式布拉格反射激光器 （DBR）芯片、分布式反馈激光器（DFB）芯片和电吸收调制激光器（EML）芯片，制作材料主要以III-V族半导体材料为主。对于III-V族激光器 与硅光芯片的耦合，主流设计方案主要有片上倒装焊集成、异质键合集成和直接外延生长集成。异质键合集成和直接外延生长集成是未来实现 硅光大规模生产的可行方案。 硅光调制器：硅光调制器指集成在硅光芯片上的调制器。硅光调制器集成度高、消光比较高、损耗低、驱动电压小，但线性度差，因此目前业 界多使用混合集成调制器。通过异质键合、外延等技术，将成熟的铌酸锂调制器、lnP调制器等集成到硅基上，可实现微米级大小。 硅基光探测器：光电探测器将接收的光信号转变为电信号。由于硅对1.1μm以上的光波透明，单体硅无法制作探测器。目前集成在硅基片上的高 频探测器主要有混合集成III-V族和硅锗混合探测器。前者耦合效率高、灵敏度高、响应快；后者性能优越，器件制备技术与CMOS工艺兼容， 更适合大规模集成。 就硅光技术在通信设备中的具体应用而言，目前除了激光器外，光模块中大部分器件的制造都已实现，典型的如光波导、外调制器件、雪崩光电二 极管（APD）接收器等。

硅光光模块产业链分环节分析（产业链分工视角）

产业链分工：海外主导研发及流片，国内引领封装环节

上游：核心物料（PIC、CW光源、DSP等） 。硅光芯片：设计、代工分离。芯片设计：由北美厂商主导，第三方（如Sicoya、Acacia）和光模块厂商（如中际旭 创）自研。 衬底与外延：提供制造芯片的基础材料，如SOI晶圆等。材料质量直接决定硅光模块性 能，高纯度、低缺陷是材料关键。

晶圆代工环节：在晶圆上通过光刻、刻蚀、沉积等工艺将设计版图转化为实体芯片 （先流片、再小批量、再放量，流片是验证芯片设计功能可行性的关键步骤），该环 节对工艺精度要求高、技术壁垒高，由Tower、GF、台积电主导，国内自主性较差。 CW光源（IDM形式，设计、代工一体）：CW光源主要材料为InP，InP供应商主要为 住友电工和AXT，国内CW光源厂商主要为源杰科技、仕佳光子；同时部分EML厂商亦 有所布局，如海信（纳真科技）、索尔思光电（东山精密）。 DSP：主要由博通、Marvell负责设计，台积电代工。

中游：封装。封装和测试：将硅光芯片、电芯片、光纤、PCB等组件集成，并进行功能和性能测试。 封装难度较大，需高精度光学对准，代表企业如中际旭创。 硅光设备：为芯片制造和封装提供工具和仪器，对精度和准确性要求高。

下游：系统集成商或终端客户。系统设备商：光模块配套交换机、服务器等主设备整体化解决方案交付，如Mellonox、 思科。 终端厂商：如谷歌、亚马逊等云大厂直接向光模块公司采购。

报告节选：

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