硅光技术产业深度研究：芯片出光硅光技术开启高速与高集成度传输时代.pdf

201硅光技术硅光技术利用半导体工艺、利用半导体工艺、集合光子与电子技术的优点，集合光子与电子技术的优点，开启光通信更高速率、更高集成度时代开启光通信更高速率、更高集成度时代硅光技术核心理念是“芯片出光”：借助成熟半导体CMOS工艺将光和电器件的开发与集成到同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合。硅光技术将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进，是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一。相较于传统分立元器件，采用硅光技术的集成元器件更具高速率、高集成化、低功耗、低成本等优势，满足技术快速变革对高速数据传输的需求，是光通信产业最有潜力新风口之一。020305数据中心及电信网络建设和升级是硅光需求“基本盘”，数据中心及电信网络建设和升级是硅光需求“基本盘”，AIGCAIGC产业加速发展催生硅光芯片增量新需求产业加速发展催生硅光芯片增量新需求大数据、云服务背景下的数据中心、超算中心建设热潮，电信网络基础设施建设促进全球数据中心流量以每年32%的速度飞速增长。同时AIGC引发爆发式的算力需求每3.5个月将翻一倍，大量数据需要被存储、传输和处理催生海量的服务器需求，加速服务器集群建设。两条主线共同引发400G/800G的高速率光芯片/光模块需求，而国内数据中心目前以50G、100G、200G光模块技术为主，未来高速模块更新需求紧迫、替换空间巨大。面对行业所面临日益严峻的带宽与功耗痛点，具有高带宽、小尺寸、低能耗和低成本等优势的硅光方案是高速率光通信方向上可靠且最具性价比的发展方向，未来全球数通市场与AIGC市场高速增长是构成硅光产业巨大快速发展的两大支撑力。国产替代存在时代机遇，新兴光互联市场有望成为硅光芯片又一增长极国产替代存在时代机遇，新兴光互联市场有望成为硅光芯片又一增长极目前全球硅光领域国外大厂占主导地位，高速芯片领域存在巨大国产化空间。当前我国25G及以上光模块国产化率较低，未来需求更大、用于200/400G高速光模块的50G及以上光芯片国产化率不超过5%。中美科技竞争与我国科技自主可控政策加快前沿技术进口替代进程，给我国硅光芯片企业带来增长机遇。同时在数通市场之外，硅光光传感应用领域的不断拓展，硅光在消费电子领域用于医学检测的可穿戴设备、智能驾驶领域的车载激光雷达、量子通信等具有广阔应用空间，为硅光芯片带来更多的市场需求。但中国硅光产业要完成国产替代仍需解决国内在硅光特殊工艺制造环节上暂时落后所带来硅光芯片在量产、封装以及良率、成本、工艺标准化等层面的限制因素。风险提示风险提示（1）硅光市场整体发展不及预期风险；（2）硅光技术发展不及预期风险；（3）市场竞争加剧的风险。04全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大由于仍属前沿技术，当前全球范围内专注且有出货硅光产品的企业不多，包括Mellanox、思科、Luxtera、意法半导体、Acacia与Molex等，绝大多数为在光通信和硅光领域有较长时间积累的海外巨头。在国内，越来越多的信息技术产业龙头公司正关注并布局硅光技术，其中华为十分积极活跃。同时近年不少中国硅光早期项目公司如熹联光芯、赛丽科技、芯速联光电等亦在快速崛起，以实现高速领域国产化硅光产品研发突破，并多能提供全系的高速光互联解决方案，中国硅光产业实力增长潜力巨大。rQzQtRnOmNnNtPxPsOqMqR9P8Q8OpNmMoMnOlOnNvNfQmOvMaQoPnRNZrNsOuOoNrQ3目录/CONTENTS高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一01数据中心与数据中心与AIAI带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期02国产替代时代机遇与硅光外延应用拓展将成为产业长期增长助力国产替代时代机遇与硅光外延应用拓展将成为产业长期增长助力03风险提示风险提示05全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大全球硅光产业国外厂商占主导，国内起步较晚但潜力巨大04 40101高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一高速率、高集成化、低功耗、低成本，硅光是光通信产业最有潜力新风口之一光通信是整个通信网络的支柱和底座，光芯片是光通信系统的核心1.1/硅光集合光子与电子技术的优点，具高速率、高集成化、低成本等优势1.2/硅光器件依然处于发展的初级阶段，单片集成与CPO是未来趋势1.3/501数据来源：国泰君安证券研究 61.1 光通信是整个通信网络的支柱和底座光通信是整个通信网络的支柱和底座。相较以太网、无线网络，光通信具有通信容量大、传输距离远、信号串扰小、抗电磁干扰等优点，是当前全球最主流的信息传输方式之一。光通信器件产业链主要分为上游光芯片组件、中游光器件模组以及下游光通信设备、电信、数通设备等应用。以太网：以太网：通过铜线传输数据的一种方式，具有速度快、可靠性高等优点，主要用于局域网内的数据传输；无线网络：无线网络：通过无线电波传输数据的一种方式，具有灵活性和可移动性，主要用于移动设备和远程传输的数据传输；光通信：光通信：通过光纤传输数据的一种方式，具有高带宽、低延迟、抗干扰高带宽、低延迟、抗干扰等优点，主要用于中长距离、高速传输的数据传输。数据来源：国泰君安证券研究技术光通信以太网无线网络传输介质光纤铜线无线电波带宽高中低延迟低中高抗干扰能力强中弱适用场景长距离、高速传输局域网内移动设备和远程传输可靠性高高中灵活性低高高光通信传输距离长、经济节能，能一次性传输海量信息，通信速度快 71.1 光模块（光模块（Optical Optical ModulesModules）是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能光电转换和电光转换功能的光电子器件，是光通信中的重要组成部分。光模块的产业发展趋势正向着“高速率、低成本、低功耗高速率、低成本、低功耗”发展。目前，光模块应用速率正从10G40G向100G400G升级，400G800G技术的研发与商业化应用进程加快，并进一步向更高速的1.6T速率发展。数据中心的迅速发展拉动数据中心的迅速发展拉动全球全球光模块需求。光模块需求。光模块是数据中心内部数据传输和数据中心间互联的核心部件，随着全球范围内数据中心持续建设，其需求不断被拉升：根据Lightcounting 预计，全球光模块市场规模在2020 年达到 81 亿美元市场规模，并将在2026 年进一步增长至176亿美元（较2020年，+117.3%）。20241000数据来源：Lightcounting，国泰君安证券研究数据来源：Synergy Research Group 81.1 光芯片是光模块等光电子器件的光芯片是光模块等光电子器件的主要主要组成部分，是现代光通信系统的核心组成部分，是现代光通信系统的核心。电光电光转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。转换由光芯片实现，决定了信息传输速度和可靠性。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，同时由于一般电子设备仅能识别电信号，需要光芯片进行电光转换，将传输信息系统中的光信号转化为电信号。光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。首先发射端通过激光器内的光芯片激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端；接收端通过探测器内的光芯片探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为一般设备能够识别的电信号；其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性；当前由于更高速率的光模块往往由多个中低速率光芯片组合实现，随着光模块速率的提升，光芯片在光模块的成本占比亦在不断提升。数据来源：5G承载光模块白皮书，飞畅科技202629.97数据来源：中国光芯片市场运营现状调研与发展战略研究报告（2023-2030年），观研报告网，国泰君安证券研究 91.2（一）（一）成熟的成熟的半导体产业在超大规模、高度集成化、极小制造上已有成熟工艺积累半导体产业在超大规模、高度集成化、极小制造上已有成熟工艺积累 全球半导体制造产业经历超50年、数千亿美元的建设已累积成熟的集成制造工艺，将成熟、发达的半导体集成电路工艺资源应用到集成光器件上来，集成光学的工业水平会极大提高，成熟的半导体产业已为硅光结合提供坚实基础成熟的半导体产业已为硅光结合提供坚实基础。（二）高速增长的新需求呼唤更高速、更大带宽的光通信技术（二）高速增长的新需求呼唤更高速、更大带宽的光通信技术 随着5G（蜂窝5G）、F5G（固网5G）的持续发展，4K/8K超高清视频的普及，现网中的数据流量正以每年30%40%的速度增长，业务流量增长速度大于当前光通信带宽增长的速度。同时，新兴AIGC应用的高速发展，自2012年以来每3-4个月人工智能的算力需求将翻一倍，带动带宽需求不断增加，光光通信带宽也必须紧密跟进通信带宽也必须紧密跟进、不断提升速率，不断提升速率，向高速的时代迈进向高速的时代迈进。数据来源：英特尔数据来源：通信百科 101.2“芯片出光芯片出光”是硅光技术核心理念是硅光技术核心理念，硅光技术利用成熟半导体硅光技术利用成熟半导体CMOSCMOS工艺将光和电器件的开发与集成工艺将光和电器件的开发与集成到到同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合到一块芯片同一个硅基衬底上，使光与电的处理深度融合到一块芯片上，真正实现“光互连”上，真正实现“光互连”。硅光技术将光通信的传输速率、集成度向更高水平推进，是满足不断发展的大数据、人工智能、未来移动通信等产业对高速通信需求的核心技术选择之一，并可应用于生医感测、量子运算、激光雷达等新兴的外延应用领域。硅光硅光器件与产品器件与产品主要主要可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。可分为三个层次：硅光器件、硅光芯片、硅光模块。硅光器件硅光器件：包括光源、调制器、探测器、波导光源、调制器、探测器、波导等，是实现各种功能的基本单元；硅光芯片：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；硅光模块硅光模块：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。数据来源：英特尔数据来源：21世纪电源网 111.2 将微电子集成电路技术的超大规模、超高精度集成电路技术的超大规模、超高精度特性和光子技术超高速率、超低功耗光子技术超高速率、超低功耗的优势相结合，硅光技术较传统分立器件方案具更多优势：数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高数据传输能力上，光信号拥有电信号不可比拟的高速率速率：传统铜电路已接近物理瓶颈，继续提高带宽越来越困难。云计算产业对芯片间数据交换能力提出更高要求，单颗芯片性能越强、互联的芯片数量越多，较低的互联带宽就越容易成为性能提升的障碍，25Gb/s已接近传输速率的瓶颈。而硅光技术能突破这一瓶颈，大大提高带宽，相对电传输，采用高速光纤的光传输架构，可以通过单一链路25Gb/s的标准达到100Gb/s的传输速度；硅光芯片具高度集成化硅光芯片具高度集成化：以半导体制造工艺将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光路。相较InP等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA、TOSA封装，因而硅光器件器件体积与数量更小、集成度更高；集成电路产业对硅基集成电路产业对硅基CMOSCMOS生产技术和工艺有成熟积累：生产技术和工艺有成熟积累：硅光技术利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势；数据来源：2017年硅光子行业分析报告数据来源：LightCounting，中商产业研究院，国泰君安证券研究 121.2 功耗更低：功耗更低：相比传统的光学技术，硅光结合了硅技术的低成本、更高的集成度和互联密度以及更多的嵌入式功能，功耗更低、可靠性更高；安全性高安全性高：相较于铜电路的功耗大、易发热，以及电磁波易干扰、易窃听的问题，光信号在安全性上具有显著优势；波导传输性能优异：波导传输性能优异：硅的波导传输特性优异，其对应的光波长为1.1m在1.1-1.6m的通信波段是透明的。同时，硅与二氧化硅形成较大的折射率差，使得硅波导具有较小的波导弯曲半径；硅基材料与更紧密的集成方式降低了材料、制造和封装成本：硅基材料与更紧密的集成方式降低了材料、制造和封装成本：第一第一，相较于传统的分立式器件，硅光模块的集成度更高，封装与人工成本降低。第二第二，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，相较传统三五族材料衬底而言，硅基芯片成本得以大幅降低。第三第三，对光模块进行成本拆分，光器件的成本占比超过70%，而其中TOSA光发射组件的成本占比较大，普通光模块与硅光模块的发射器类型不同，在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中，受限良率成本等问题，硅光模块成本优势不明显，但在400G及以上的高速率的场景中，由于传统DML和EML发射器类型的成本较高，硅光模块成本性价比优势开始显现。数据来源：中国发展门户网，“A New Manufacturing Approach to Optical Transceivers”，飞速(FS)公司，Juniper公司，知乎通信产品推荐官，国泰居安证券研究TOSA 131.2 在集成工艺上，在集成工艺上，硅光技术是光通信传输向硅光技术是光通信传输向“高速率、高集成化、低功耗、低成本高速率、高集成化、低功耗、低成本”迈进最有潜力且可靠的方向迈进最有潜力且可靠的方向之一之一。（1）将大功率多波长激光器、硅基高密度光发射模块、硅基高速光接收模块等芯片模块混合集成在同一晶圆上，提高集成光子组件密度，可以有效提升数据传有效提升数据传输密度和效率，降低了功耗和成本。输密度和效率，降低了功耗和成本。光模块器件本身有损耗、模块中各器件间有损耗，硅光技术利用半导体工艺带来的高度集成化优势，使各器件隔得更近，将减少将减少“插入损耗插入损耗”。光子集成产品在尺寸、功耗、成本、可靠性方面比广泛采用的分立元器件更具优势，是未来光器件的主流发展方向，也是能实现超高密度（10Tb/s/cm2）的唯一途径，为低成本和低功耗的芯片到芯片通信铺平了道路，并可能取代目前金属互联；（2）硅光技术和传统InP方案、薄膜铌化锂方案比较：传统InP集成度低、传输速率慢；薄膜铌化锂技术尚待成熟、成本高、更适用于长距离传输，硅光方案是硅光方案是高速率光通信方向可靠且最具性价比的发展方向。高速率光通信方向可靠且最具性价比的发展方向。目前，光波复用/解复用、光波长调谐和变换等器件已可实现单芯片集成，而光模块需要混合集成。已量产的已量产的硅光方案，基于硅衬底的混合集成是主要方式，单片集成是未来技术发展方向。硅光方案，基于硅衬底的混合集成是主要方式，单片集成是未来技术发展方向。数据来源：Soitec数据来源：轻舟资本 141.2 在设计工艺流程上，在设计工艺流程上，CMOSCMOS平台为硅光技术提供了强大的工艺能力。但相较于半导体平台为硅光技术提供了强大的工艺能力。但相较于半导体CMOSCMOS工艺，硅光技术还有以下特殊性：工艺，硅光技术还有以下特殊性：总体路径：总体路径：硅光的发展并非像半导体一样延续尺寸和节点减小的发展路径，对硅光而言更小的工艺节点并非像集成电路等比缩小的重要性那样大；版图特点：版图特点：硅光器件间的尺寸差别大，存在许多不规则结构，与其他半导体的版图区别较大；工艺特殊性工艺特殊性：各硅光器件对尺寸和工艺误差非常敏感，1 nm的工艺误差或将对硅光器件性能带来明显的影响，因而硅光工艺需要严格的尺寸精度控制。除此之外，硅光器件侧壁粗糙度也对波导损耗带来巨大影响，对制备工艺有特殊优化的需要；材料特殊性：材料特殊性：硅由于没有一阶线性电光效应、材料发光较难，硅不是最佳的调制器材料。同时硅对1.1 m以上波长透明，无法作为通信波段光探测器材料，以硅材料为基底引入多材料是硅光的必然选择。硅光芯片在设计流程上仍存在难点。硅光芯片在设计流程上仍存在难点。如何做到与CMOS 工艺的最大限度的兼容，如何进行多层次光电联合仿真，如何与集成电路设计一样基于可重复IP进行复杂芯片的快速设计等问题是硅光芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。CMOS数据来源：硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战CMOS数据来源：基于CMOS平台的硅光子关键器件与平台的硅光子关键器件与工艺研究 151.3 硅光器件的演进趋势可分为三个阶段：分组硅化、硅光集成、光电一体技术融合。硅光技术虽早在1969年便由著名的贝尔实验室提出，但当前世界范围内硅光技术在光开关、光波导、硅基探测器（Ge探测器）、光调制器（SiGe调制器）等已实现了突破情况下，仍处于仍处于从硅光集成到全光电融合从硅光集成到全光电融合简化工艺流程提升效率简化工艺流程提升效率的进化期的进化期。分组硅光分组硅光：用硅基和半导体工艺将光通信底层器件做出来并实现工艺的标准化，即硅基光电器件逐步取代分立元器件；硅光硅光集成集成（当前技术阶段当前技术阶段）：该阶段下集成技术从耦合集成向单片集成演进，使不同器件组合集成为不同的芯片，简化工艺流程提升效率；光电光电一体技术一体技术融合融合（演进中的（演进中的技术阶段技术阶段）：光与电的部分实现全面硅基集成化，且能实现光电合封；根据集成元器件（激光器、调制器、探测器等）是否采用同种材料，光子集成可以分为混合集成混合集成和单片集成单片集成。当前硅光器件处于从从混合混合集成向单片集成集成向单片集成发展的初级阶段，在光通信系统中混合集成使用较多，但单片集成也已经进入量产。从分立器件组合、到混合集成、再到单片集成方案，集成不同材料的难度、低耦合损耗、易封装、小尺寸、低功耗等性能依次提升。光子集成混合集成：光学元器件采用不同衬底材料单片集成：光学元器件采用相同衬底材料激光阵列、探测器阵列、调制器阵列、耦合器阵列、波导光栅阵列激光器+调制器、激光器+电芯片、探测器+电芯片、激光器+调制器+合波器+电芯片、探测器+分合波+电芯片、系统级集成芯片 优点：能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合，灵活度高，顺应光模块小型化趋势，方便使用成熟自动化IC封装工艺，有利于大量生产，前期工艺成本低；缺点：光电芯片之间的键合会引起寄生效应，不同元器件间需要精密的位置调整与固定，加之不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异，都将增加封装的复杂性和成本，并限制集成规模 优点：能够与硅光工艺同步缩小线宽、提高集成度。具有低损耗、易封装、可靠性强等优势；缺点：集成难度大，技术要求高数据来源：半导体行业观察，中国信通院，轻舟资本，国泰君安证券研究 161.3 在封装技术上，在封装技术上，CPOCPO共封装技术使用高级封装技术把硅光模块和共封装技术使用高级封装技术把硅光模块和CMOSCMOS芯片集成到同一个封装内芯片集成到同一个封装内，是是让光学引擎和交换芯片的电连接距离让光学引擎和交换芯片的电连接距离尽可能地尽可能地短短的光的光互连技术。互连技术。CPO技术使光模块不断向交换芯片靠近以缩短两者走线距离，使光模块的功耗、尺寸和成本都进一步下降，有望逐步替代可插拔光模块。可插拔模式（Pluggable）为传统的封装模式，光纤插在光模块上通过SerDes通道送到网络交换芯片（AISC）；近封装光学（NPO，Near packaged optics）是将光引擎与交换芯片分开，装配在同一块PCB基板上；共封装光学（共封装光学（CPOCPO，CoCo-packaged opticspackaged optics）是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个插槽上，形成芯片和模组的共封装。CPOCPO技术传统的光传输和数据传输进行结合，使得传输效率提高，可靠性增强。技术传统的光传输和数据传输进行结合，使得传输效率提高，可靠性增强。CPO技术是基于传统的WDM技术和SDH技术发展而来，它利用WDM技术将不同波长的光信号传输到同一条光纤上，然后在光传输设备中使用SDH技术对光信号进行封装和解封装，使光信号和数据能够混合传输。CPOCPOASIC数据来源：易飞扬通信数据来源：AIOT大数据CPO 171.3 CPOCPO封装技术具有以下优势：封装技术具有以下优势：通过通过减少光器件和电路板之间的连接长度减少光器件和电路板之间的连接长度，CPOCPO技技术能术能降低信号传输降低信号传输中的中的损耗和功耗，提高通信速度损耗和功耗，提高通信速度，提，提升传输升传输质量质量。与传统光模块相比，CPO在相同数据传输速率下可减少约50%功耗。根据Ayar Labs，以32100Gb/s为例，现在所使用的交换机功耗436W，而CPO交换机通过共封装大幅度缩短电连接，功耗仅230W；CPOCPO技术可以有效降低封装成本。技术可以有效降低封装成本。传统封装需要使用多层板、多个BGA等组件，CPO技术仅需一个光电共封装器件，即可完成整个系统封装；CPOCPO技术使得技术使得整体系统集成度大大提升，尺寸整体系统集成度大大提升，尺寸缩小缩小，性能提高性能提高。减小芯片封装面积，能提升硅光技术在数据中心应用场景的普及。CPO数据来源：共封装光学CPO行业标准解读CPO类型具体公司当前现状及未来规划芯片/模块公司Intel2020展示12.8T样机，集成8*1.6T光引擎Rockley2020年OCF，展示25.6T样机Ranovus2020年OCF发布和IBM合作的3.2T硅光平台Odin,支持可插拔和CPO。2021年和2022年OCF对Odin平台进行技术送代。未来预计将异质集成量子点激光器改为独立封装芯片，降低成本Broadcom2021年发布基于DSP合封的CPO硅光平台的800GDR8光模块，2022年OCF发布25.6T样机，2021年1月宣布2022年底退出25.6TCPO芯片，2023年推出51.2 T Bailly,2025年推出硅光平台芯片JanssenInphi2020年12月发布400G DR4硅光引擎设备商Cisco2019年收购硅光公司Acacia（传输网）和Luxtera（数据中心）；2021年收购硅光公司Coreoptics和lightwave，发布CPAK硅光模块Arista无自研模块，与Google合作退出400G/800 G OSFP交换机，未来方向是1.6 TOSFP-XD封装，更倾向于可插拔模块设备商Juniper2016年收购Aurrion，可实现片上激光器集成，2019年发布100G/400G硅光模块华为2012年收购光自己成公司CIP和硅光公司Caliopa锐捷美国子公司Ragile在2021年11月的OCP会议上发布25.6T冷板CPO样机，2022年OFC发布51.2T液冷CPO样机Facebook2019年成立CPO连门个，规划3.27光引擎，实现400GDR4和FR4规格。规划2024年部署Gent51.2 TMicrosoft2019年成立CPO联盟，起草相关标准终端用户Google在200G电口/51.2T时代，倾向于可插拔模块腾讯通过传统产品堆叠也可以实现等效于51.2T交换能力，倾向于可插拔模块阿里巴巴2019年发布硅光400GDR4模块，倾向于可插拔模块 181.3 数据中心光模块是核心应用，数据中心光模块是核心应用，CPOCPO的部署将受到数据中心交换速率的推动的部署将受到数据中心交换速率的推动。博通认为，随着数据中心内数据速率不断向更高速度和更复杂的调制技术发展，铜I/O正接近极限。而CPO有望实现CPU、GPU、各种器件的直接连接，从而实现数据中心内资源池化和内存分解。CPO还能减少光器件和电路板间的连接长度，进而降低信号传输损耗和功耗，提高数据传输速度和质量。根据CIR的市场报告，2023年超大型数据中心CPO设备收入将占CPO市场总收入的80%。高性能计算（高性能计算（HPCHPC）和和AIAI给给CPOCPO带来新机会。带来新机会。AI集群所需的网络连接带宽将增加32倍、连接容量增加100倍，当前光模块速率已无法满足这一带宽提升需求。目前可插拔光模块的设计将使整个系统的成本增加一倍，并增加20-25%的功耗，内存访问也是AI集群和HPC的另一个瓶颈。CPO被认为是可以在AI集群和HPC中提供巨大的、高效的连接的唯一途径。同时，下一代计算平台XR对云计算、通信的低延迟、高数据速率亦有较高要求，有望成为拉升CPO需求又一推动力。在在硅光硅光的制造工艺外的制造工艺外，随着上述需求的爆发，随着上述需求的爆发，未来封装技术将为未来封装技术将为硅光提供硅光提供核心技术支撑。核心技术支撑。根据CIR，当前CPO出货将主要于超算中心领域，并预计工业级、数据中心级场景将在2024至2025年加速商用、2027至2028年开始大规模上量，预计2025年全球CPO整体市场收入将突破2亿美元、2028年突破9亿美元。CPOCPO数据来源：国泰君安证券研究数据来源：CIRHPCAICPOCPO应用领域数据中心人工智能云计算5G通信汽车电子量子通信消费电子 190202数据中心与数据中心与AIAI带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期带动需求爆发开启硅光产业黄金发展期需求变化一：数据中心及电信网络建设与升级是硅光芯片的“基本盘”2.1/需求变化二：人工智能（超算中心）带动硅光芯片产业爆发式增长2.2/2002AI需求变化一：数据中心、云计算等高速需求变化一：数据中心、云计算等高速光通信需求快速增长光通信需求快速增长需求变化二：人工智能（超算中心）带动硅光需求变化二：人工智能（超算中心）带动硅光芯片产业爆发式增长芯片产业爆发式增长国内硅光芯片企业享受国产替代的时代机遇和国内硅光芯片企业享受国产替代的时代机遇和稀缺的市场地位稀缺的市场地位生成式AI、大模型AI将成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的算力需求大爆发将使得硅光芯片为未来AI产业助力（1）大数据、人工智能、5G通信网络、云计算等的发展，刺激了全球数据中心建设热潮；10Gb/s及以上的光通信芯片国产化率不超过5%，美日公司占主导时代机遇：硅光芯片将成为光通信产时代机遇：硅光芯片将成为光通信产业的“增长引擎”业的“增长引擎”光传感下游与外延应用领域的拓展，为硅光芯片带来更多的市场需求（2）国内外加快部署建设光网络数据和通信基础设施，光通信激光器芯片成长空间大未来数据通信市场需求是光模块成长的主要驱动，400G/800G高速光模块将成主要增长点高速率光芯片市场增速将远高于中低速率光芯片超算中心的服务器间有高速互联需求，能支持高速光通信的硅光芯片具有巨大发展爆发力国产替代动力足，特别是高速芯片领域已显现国产龙头公司消费电子智能驾驶量子通信光芯片已广泛应用于通信、工业、消费、照明等领域中美科技竞争加快进口替代进程，给我国硅光芯片龙头企业带来增长的时代机遇数据来源：国泰君安证券研究 21AI02 由于高由于高带宽带宽、小尺寸、低能耗和小尺寸、低能耗和低低成本等优势，硅光成本等优势，硅光技术技术在通讯和高速运算领域极具发展潜力，可在通讯和高速运算领域极具发展潜力，可广泛广泛应用于应用于数据中心数据中心、电信、电信、生医感测、量子运算、生医感测、量子运算、消费电子消费电子等领域等领域。数据中心：是硅光技术未来最主要的市场之一，核心是服务器与网络，服务器与用户之间的连接便是光通信网络。主要应用场景为光模块；消费电子：可穿戴式设备与医学领域的光学生物传感器是主要应用场景。硅光技术已在光通信尤其是数通短距场景光通信尤其是数通短距场景取得局部商业落地，并逐步光传感、光计算光传感、光计算等新兴应用领域延展。硅光当前发展最成熟的是包含数据中心互连收发器在内的连接领域，涉及数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G基础设施等。后续将逐步扩展到人工智能、激光雷达和其他传感器等新兴应用中。数据中心高性能电脑电信消费电子传感器航空航天量子计算硅光数据来源：Expert Interviews and QYResearch2020-2025数据来源：格芯，Esmchina 22AI2.1 随着大数据、随着大数据、云计算云计算、5G5G等新兴技术的发展，等新兴技术的发展，国际国际数据中心市场规模扩大，数据中心市场规模扩大，全球数据中心流量以每年全球数据中心流量以每年32%32%的速度飞速增长。的速度飞速增长。云业务、云服务的增长刺激数据中心的大规模建设热潮，根据数据中心白皮书，预计2022年全球数据中心市场规模将达到746.5亿美元。根据Yole预测，数通市场、电信市场预计将在2027年分别达到168亿美元和79亿美元的市场规模，CAGR预计分别为19%和8%，直接带动光模块、光芯片需求的快速增长。数据中心发展过程面临带宽与功耗的痛点，大量的数据需要被存储、传输和处理，高带宽传输需求增大。数据中心发展过程面临带宽与功耗的痛点，大量的数据需要被存储、传输和处理，高带宽传输需求增大。随着多核处理器、内存需求和I/O带宽需求的持续增加导致连接和网络传输压力加大，同时带宽的增长也会带动功耗的快速提升。作为下一代互连技术强有力的竞争者，光互连具有宽频带、抗电磁干扰、强保密性、低传输损耗、小功耗等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的代替或补充电互连的方案。光互联在未来数据中心互联中的占比将越来越大，硅光集成技术将充分发挥光互连的带宽优势。数据来源：数据中心白皮书，华经产业研究院，国泰君安证券研究100G200G202540数据来源：Yole 23AI2.1 政策政策支持支持及及通信网络通信网络应用推动流量需求快速增长应用推动流量需求快速增长，光模块市场规模持续扩大，光模块市场规模持续扩大，预计预计20252025年全年全球光模块市场将达到球光模块市场将达到113113亿美元亿美元。5G移动通信网络建设及商用化促进电信侧高端光芯片需求，LightCounting预计2020年至2025年全球FTTx光模块市场出货量将达9208万只、市场规模从4.73亿美元增长至6.31亿美元；国内工信部2021年发布“十四五”信息通信行业发展规划要求全面部署新一代通信网络基础设施，全面推进5G 移动通信网络、千兆光纤网络、骨干网、IPv6、移动物联网、卫星通信网络等的建设或升级，千兆光纤网络升级推动光芯片用量提升。数据来源：工信部，国泰君安证券研究数据来源：LightCounting，国泰君安证券研究58576043 61066218667273738132938810292113180%3%6%9%12%15%18%02,0004,0006,0008,00010,00012,0002016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025全球光模块市场规模及预测（百万美元）增速（%，右轴）FTTx62895595475896063649773269208447352352454059263102004006008001,000020,00040,00060,00080,000100,000202020212022202320242025FTTx光模块用量（千块）FTTx光模块市场规模（百万美元，右轴）类别类别指标指标20202020年年20252025年目标年目标年均增速年均增速/累计变化累计变化总体规模信息通信业收入（万亿元）2.644.310%信息通信基础设施累计投资（万亿元）2.53.71.2基础设施每万人拥有5G基站数（个）5262110G-PON及以上端口数3201200880数据中心算力（每秒百亿亿次浮点运算）9030027%工业互联网标示解析公共服务节点数（个）9615054国际互联网出入口宽带（太比特每秒）7.14840.9应用普及通信网络终端连接数（亿个）32457%5G用户普及率（%）155641千兆宽带用户数（万户）640600056%5G虚拟专网数（个）800500044%24AI2.1 云计算产业发展，全球及国内数据中心数量大幅增长，云计算产业发展，全球及国内数据中心数量大幅增长，光模块光模块重要性突显重要性突显。公有云与私有云市场的规模扩大带动光芯片需求持续增长。公有云与私有云市场的规模扩大带动光芯片需求持续增长。根据中国信通院2021云计算白皮书，2020年我国公有云市场规模达到1277亿元，同比增长85.2%，私有云市场规模达到814亿元，同比增长26.1%，带动光芯片市场需求的持续增长；高速率光芯片市场的增长速度将远高于中低速率光芯片。高速率光芯片市场的增长速度将远高于中低速率光芯片。根据Omdia的预测，至2025年，高速率光芯片整体市场空间43.40亿美元。硅光技术能大大提高带宽，满足数据中心高速率传输的性能需求，尤其是硅光技术能大大提高带宽，满足数据中心高速率传输的性能需求，尤其是400/800G400/800G光模块的销量增长将带动硅光技术的大规模应用。光模块的销量增长将带动硅光技术的大规模应用。国内目前以50G、100G、200G光模块技术为主，有大量的更新替换空间。随着云计算超大规模数据中心的发展，高速的400G/800G光模块将成为主要增长点，硅光芯片的潜在市场空间规模巨大。数据来源：5G承载与数据中心光模块白皮书400G数据来源：5G承载与数据中心光模块白皮书 25AI2.2 ChatGPTChatGPT带动的带动的生成式生成式AIAI、大模型、大模型AIAI相关技术相关技术将成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的算力需求大爆发将使得硅光芯片为未来将成为新一轮科技产业发展的智能底座，由此引发的算力需求大爆发将使得硅光芯片为未来AIAI产业助力。产业助力。算力将是未来数字科技产业的基础生产资料，算力将是未来数字科技产业的基础生产资料，AIAI算力中心算力中心催生催生海量的服务器需求海量的服务器需求，加速，加速服务器集群服务器集群建设建设。我国对数据中心建设进行国家层面的一体化布局，相继发布“十四五”国家数字经济发展规划、“十四五”国家信息化规划、关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见、新型数据中心 发展三年行动计划（2021-2023年）等政策，加快构建算力、算法、数据、应用资源协同的全国一体化大数据中心体系。2023年4月17日，科技部启动了国家超算互联网工作，旨在以互联网思维运营超算中心，构建一体化超算算力网络和服务平台。按照计划，到2025年底国家超算互联网将形成技术先进、生态完善的总体布局。国家计算力指数与国家计算力指数与GDPGDP的走势呈现出显著的正相关，提高计算力对国家经济发展具重大意义。的走势呈现出显著的正相关，提高计算力对国家经济发展具重大意义。根据2021-2022全球计算力指数评估报告，十五个重点国家的计算力指数平均每提高1点，国家的数字经济和GDP将分别增长3.5和1.8，预计该趋势在2021-2025年将保持。数据来源：UCNN数据来源：IDC2021-2022全球计算力指数评估报告 26AI2.2 AIGCAIGC、超算中心以及远期超算中心以及远期XRXR商业化应用加速落地的背景下，算力基础设施的海量增长和升级换代将成为必然趋势。商业化应用加速落地的背景下，算力基础设施的海量增长和升级换代将成为必然趋势。算力的成倍甚至是指数级增长下，催生高速率、大带宽的网络需求，光模块向更高速率演进，将有力推动硅光的技术升级和产业发展。此外，相干及光电共封装技术（CPO）等具备高成本效益、高能效、低能耗的新技术也将成为高算力场景下合适的解决方案。超算中心超算中心中的中的服务器间有高速互联服务器间有高速互联的紧迫需要的紧迫需要，将引发大量高速光模块需求，能支持高速光通信的硅光芯片具有巨大发展爆发力。，将引发大量高速光模块需求，能支持高速光通信的硅光芯片具有巨大发展爆发力。根据IDC预测，2017-2021年全球超算市场规模复合增长率为12.2%。其中，全球和中国AI服务器市场规模将在2026年分别达到347.1