光子集成是一個(gè)不斷發(fā)展的趨勢(shì)，它具有眾多優(yōu)勢(shì)，如微型化、節(jié)能、提高性能、降低成本、可擴(kuò)展性、高速數(shù)據(jù)處理以及新功能平臺(tái)。人工智能數(shù)據(jù)中心面臨著前所未有的需求，推動(dòng)著一個(gè)可擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)施和可持續(xù)解決方案的新時(shí)代的到來(lái)。這一趨勢(shì)為各種光子集成電路（PIC）技術(shù)平臺(tái)帶來(lái)了平等的新機(jī)遇。硅光子集成電路與 CMOS（電子）制造兼容，可利用現(xiàn)有的代工基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行制造。

此外，用于EO調(diào)制器的新型電吸收材料，如鈮酸鋰薄膜、鈦酸鋇和有機(jī)物，可以集成到PIC 中，從而顯著提高帶寬和能效。未來(lái)光子集成電路對(duì)新材料的需求為L(zhǎng)NOI和InP等替代平臺(tái)提供了可能性。由于鈮酸鋰作為單個(gè)平臺(tái)似乎更為高效，而InP也是硅基材料之后出現(xiàn)的殺手級(jí)應(yīng)用，因此預(yù)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)將十分激烈。最近，業(yè)界在PIC方面取得的進(jìn)展，也將為VCSEL和EML等分立器件創(chuàng)造一個(gè)激烈的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

走向主流應(yīng)用：值得關(guān)注的趨勢(shì)

2023年硅PIC（芯片）市場(chǎng)價(jià)值為9500萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2029年將超過(guò)8.63億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為45%（CAGR 2023-2029）。推動(dòng)這一增長(zhǎng)的主要因素，是用于提高光纖網(wǎng)絡(luò)容量的高數(shù)據(jù)速率可插拔模塊。此外，對(duì)快速增長(zhǎng)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集規(guī)模的預(yù)測(cè)表明，數(shù)據(jù)將需要使用光來(lái)擴(kuò)展ML模型，在ML服務(wù)器中使用光I/O。

用于數(shù)據(jù)通信的絕緣體上鈮酸鋰市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2029年達(dá)到近10億美元，期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR 2023-2029）接近100%。目前，行業(yè)正在探索在SOI平臺(tái)上集成TFLN調(diào)制器與LNOI 平臺(tái)，但首選平臺(tái)尚未確定。

無(wú)論如何選擇，PIC的總體成本預(yù)計(jì)將在很大程度上受到TFLN調(diào)制器價(jià)格的影響。如果LNOI 成為首選平臺(tái)，SOI的市場(chǎng)份額很可能會(huì)減少。TFLN或LNOI技術(shù)因其令人印象深刻的低光損耗和高帶寬容量特性而脫穎而出。它在關(guān)鍵性能指標(biāo)和易于集成方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為光學(xué)創(chuàng)新的有力競(jìng)爭(zhēng)者。隨著技術(shù)的成熟和應(yīng)用的擴(kuò)大，生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)有望降低成本，使TFLN 日益成為主流應(yīng)用。

兩條途徑：推動(dòng)更高的車(chē)道速度

到2026-2027年，在下一代人工智能集群和云數(shù)據(jù)中心的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)將過(guò)渡到每通道200G 的速度。這一轉(zhuǎn)變將建立在目前開(kāi)發(fā)的400G/lane激光器和其他組件的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)極高的每端口以太網(wǎng)速度（3.2T甚至更高）開(kāi)辟一條道路。遷移到更高的lambda速度可帶來(lái)多種好處：功耗降低20-30%，降低單位比特成本；激光器的數(shù)量減少一半，從而降低單位比特成本；總體運(yùn)營(yíng)費(fèi)用降低。不過(guò)，預(yù)計(jì)也會(huì)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

400G/channel應(yīng)用需要先進(jìn)的新型環(huán)氧乙烷調(diào)制器材料，從而增加了復(fù)雜性和成本。將SOI 與TFLN、BTO和有機(jī)物等材料深度集成，可實(shí)現(xiàn)高帶寬，但成本過(guò)高，有可能在2032-2033 年達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性。硅加工過(guò)程中存在不利的擴(kuò)散效應(yīng)，異質(zhì)集成工藝在產(chǎn)量方面也面臨挑戰(zhàn)。有一個(gè)龐大的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，在尋求可行的硅光子技術(shù)增強(qiáng)方案。

絕緣體上的鈮酸鋰，因薄膜幾何形狀而具有更好的模式約束和更低的驅(qū)動(dòng)電壓，從而提高了電光調(diào)制效率，是針對(duì)線(xiàn)性可插拔光學(xué)器件、線(xiàn)性重定時(shí)光學(xué)器件的超高帶寬應(yīng)用的理想之選、 和相干輕型可插拔光學(xué)器件。所有相關(guān)的TFLN調(diào)制器供應(yīng)商，如Hyperlight、Liobate、AFR和Ori-chip，都已開(kāi)發(fā)出TFLN PIC，在相同的應(yīng)用中將明顯與SOI競(jìng)爭(zhēng)。由于成本高、量產(chǎn)受限，這一地位在初期可能會(huì)比較困難，但TFLN顯然是2027/2028年預(yù)期3.2T可插拔模塊的關(guān)鍵使能材料。

硅光子學(xué)2024—聚焦SOI、SiN和LNOI平臺(tái)報(bào)告

磷化銦（InP）的突出特點(diǎn)是能夠?qū)⒓す馄骱头糯笃鞯扔性垂庾釉苯蛹傻叫酒?。這種能力最大限度地減少了對(duì)復(fù)雜裝配的需求，但該技術(shù)目前成本較高，產(chǎn)量仍然較低。盡管該技術(shù)目前成本較高，產(chǎn)量仍然較低。到2029年，InP將成為SOI和LNOI的有力競(jìng)爭(zhēng)者，尤其是在相干光應(yīng)用領(lǐng)域。Infinera、Lumentum、Smart Photonics、Effect Photonics和Bright Photonics是InP PIC技術(shù)的主要支持者。

硅光子學(xué)2024—聚焦SOI、SiN和LNOI平臺(tái)報(bào)告

提高通道速度的趨勢(shì)非常明顯，但工業(yè)界的重要任務(wù)不僅是設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足未來(lái)帶寬和能效要求的新型PIC，還要使其具有商業(yè)可行性。如果業(yè)界無(wú)法證明為超高通道速度支付溢價(jià)是合理的，那么超寬和并行光學(xué)技術(shù)可能會(huì)成為可行的替代方案。成熟的混合集成技術(shù)在 100G/lane方面已經(jīng)具有成本效益，在200G/lane方面也即將實(shí)現(xiàn)，它允許系統(tǒng)根據(jù)需要增加更多通道或光纖，從而實(shí)現(xiàn)高效擴(kuò)展。

此外，光學(xué)中間件還能將多個(gè)光學(xué)和電子元件（如激光器、調(diào)制器和光電探測(cè)器）集成到一個(gè)平臺(tái)上。這些內(nèi)插器集成了波導(dǎo)和對(duì)準(zhǔn)功能，從而簡(jiǎn)化了光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)，降低了裝配復(fù)雜性，提高了產(chǎn)量。利用CMOS制造工藝，與通常需要手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的傳統(tǒng)光子封裝相比，光學(xué)內(nèi)插器可以以更低的成本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

共封裝光學(xué)器件（CPO）：前景與挑戰(zhàn)

CPO因其能夠以較低功耗處理不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)速率而備受關(guān)注。然而，作為一種非IEEE標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，如果性能不符合預(yù)期，就會(huì)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。CPO依賴(lài)于高速每信道（≥200Gbps）、先進(jìn)的調(diào)制方案（如224G PAM4）或相干技術(shù)，這使集成變得復(fù)雜，而大量的發(fā)熱又增加了電源和冷卻方面的挑戰(zhàn)。因此，CPO的高速運(yùn)行引發(fā)了對(duì)性能和可靠性的擔(dān)憂(yōu)，這可能使可插拔解決方案成為某些應(yīng)用的更安全替代方案。

前景展望

數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)對(duì)可擴(kuò)展、高能效和高成本效益的光學(xué)解決方案的需求，為SOI、LNOI和InP 平臺(tái)之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造了條件。每種平臺(tái)都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，塑造了IM-DD或輕型相干可插拔模塊的未來(lái)，并影響著更廣泛的光通信領(lǐng)域。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

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