通信行业专题报告：硅光模块大有可为

【国信通信 ∙ 专题报告】硅光模块大有可为证券分析师：马成龙E-MAIL：machenglong@guosen.com.cn证券投资咨询执业资格证书编码：S09805181000022020年9月21日证券分析师：程成E-MAIL：chengcheng@guosen.com.cn证券投资咨询执业资格证书编码：S0980513040001证券研究报告摘要 硅基光子技术在成本方面相对于传统InP材料光子集成具有较大优势，是光通信技术进一步发展的方向，也是下一代计算机技术的组成之一 光模块市场前景广阔，当前处于高成长赛道。硅光技术有望凭借其成本、传输速率优势在光模块领域规模应用。当前5G和400G系统大型数据中心正处于规模建设初期，硅光模块有望逐步被引入，预计到2024年占到高速光模块市场的60%。 硅光模块产业链的核心在于硅光芯片的商业化和量产，其它环节均有成熟配套，目前该领域以Intel、Luxtera为代表的欧美企业为主导，国产化率极低，中国厂商更多以封装厂的身份参与到产业中。 上市公司中，博创科技通过与芯片厂商Sicoya的合作，在华为的支持下优先规模扩产硅光模块，走在各大传统光模块厂商前列，在电信领域有一定突破性，具备 了一定的先发优势。同时公司产品未来也不排除大举进军数通领域，可重点关注。qRoNpRyRrQrRpQnOqPqMoP6MaOaQsQqQtRpPeRmMzQjMmOmN8OoMoMuOnMtPuOtOnR一、硅基光集成技术简述二、硅光模块应用前景三、硅光模块产业链梳理四、上市公司及投资机会梳理目录一、硅基光集成技术简述电子集成技术简述 电子集成技术，也就是我们熟悉的集成电路技术（IC），是指采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。 集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。 当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。硅和锗都具有良好的单向导电性，是重要的半导体基底材料。但因为英特尔公司力推硅芯片，奠定了硅作为主要材料的半导体格局。 由于受到RC（电阻电容）延迟经典物理效应的限制，电子技术难以突破纳秒的门槛，制约了超高速信息传输的发展，光子成为新的信息传输的载体，光子和电子的结合成为业界研究的重点。图1：分离电路VS集成电路资料来源：电子发烧友，国信证券经济研究所表1：半导体材料资料来源：电子发烧友，国信证券经济研究所分类材料电导率导体铝、金、钨、铜等半导体硅、锗、砷化镓、磷化铟等绝缘体SiO2、SiON、Si3N4等105S.𝑐𝑚−110−9~102S.𝑐𝑚−110−22~10−14S.𝑐𝑚−1光子集成技术简述 光子集成技术，即光子集成电路技术（PIC，Photonic Integrated Circuit），与电子集成技术科类似，只不过集成的是各种不同的光学器件或光电器件，比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。 通过将很多的光学元器件集成在一个单片之中，大规模单片PIC使得系统尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高，同时大大降低了系统成本。随着运营商网络向100G/400G高速系统的不断升级，低成本的集成技术成为必然选择。 现有PIC所采用的基底材料主要包括磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）、铌酸锂（LiNbO3）、Si/SiO2，目前已经商用的大规模单片PIC采用的就是磷化铟材料。图2：光子集成示意图资料来源：讯石光通讯，国信证券经济研究所图3：光子集成发展目标资料来源：讯石光通讯，国信证券经济研究所InP（磷化铟） VS Si（硅）目前大规模光子集成的材料主要是InP，但是其由于价格昂贵，业界在探讨基于硅的解决方案。硅由于本身材料低廉且在半导体工艺中已实现成熟应用，半导体巨头纷纷探索硅光子的可能性。硅材料由于发光效率低等原因，在光通信领域受到了一定的限制。如，目前难以实现单片硅光集成，而是需要以硅为衬底，外接激光器，实现混合集成。硅基光混合集成（OEIC）可以说是过渡方案，但是在目前理论为突破前提下的可落地方案。当前，业界对于硅基激光器的研究已实现了一定突破，未来有望实现单片集成的全光芯片。InP单片光子集成已有多年的发展历史，目前已实现大规模集成的应用突破。硅基光子集成技术研究历史较短，但研究力量和关注度极高，目前已有小批量落地产品。Infinera是大规模InP PIC技术及产业的领导者；Intel、Luxtera等致力于硅基光子集成的研究，对推动产业应用做了大量贡献。硅光子除了在通信电子领域有广阔应用前景，在光伏能源、自动控制、航空航天中均有重要作用。表2：硅 VS InP 材料在光通信领域的应用资料来源：电子发烧友，国信证券经济研究所优点缺点成熟应用场景硅成熟应用于电子集成电路，价格便宜，工艺成熟，适合规模化生产1、激光发射效率很低，硅基激光器非常难以实现，2.需要引入Ge PD进行通讯波段的接收探测，需要特殊工艺；3.硅折射率高导致波导尺寸小，与光纤耦合难度大无源PIC（如AWG）磷化铟能够同时集成有源与无源光器件，可保证工作波长为目前光通信广泛使用的1310nm和1550nm波段；可以大规模生产，节约成本；可同时实现激光发射、探测、光放大以及电光调制磷化铟是稀有材料，价格相对来说十分昂贵；晶圆尺寸为2-3寸无法实现大规模集成（产出低）分立DML、EML、可调光源等图4：光子集成发展历程资料来源：《光电集成技术研究综述》，国信证券经济研究所硅光集成（OEIC）--光模块成为可见的落地应用 硅基光电集成（OEIC），即在硅的衬底上，实现光子的传输。其分为单片集成和混合集成。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。虽然混合集成是过渡方案，但使得硅光技术在光模块领域有了落地的应用。 目前的混合集成方案是在硅基上同时制造出电子器件和光子器件，将电子器件（Si-Ge量子器件、HBT、CMOS、射频器件、隧道二极管等）、光子器件（激光器、探测器、光开关、光调制器等）、光波导回路集成在同一硅片或SOI上。当前，硅基探测器（Ge探测器）、光调制器（Si-Ge调制器）、光开关、光波导等均已实现了突破，激光器是最大瓶颈，但也有了Si基量子级链激光器、硅纳米晶体激光器、硅基III-IV族异质结构混合型激光器、混合型面发射激光器等初步方案。混合集成方案逐步成熟并进入商用阶段。 当然硅光混合集成技术在生物传感、军事、光学仪器、光计算领域也有广泛应用。图5：光电子集成收发模块示意图资料来源：豆丁网，国信证券经济研究所图6：硅基光电子集成电路示意图资料来源：《光电集成技术研究综述》，国信证券经济研究所硅基光电集成技术的未来 硅光芯片，即硅基光混合集成在单芯片上的实现，将推动多技术领域的突破：硅芯片上的光子晶体结构可降低光速，光学数据缓冲存储成为可能全光逻辑控制器件的突破，将帮助实现全光网络交换系统的到来在硅基光子器件中实现单光子探测，将推动量子通信的