硅光子学面临激烈竞争

光子集成是一个不断发展的趋势，它具有众多优势，如微型化、节能、提高性能、降低成本、可扩展性、高速数据处理以及新功能平台。人工智能数据中心面临着前所未有的需求，推动着一个可扩展基础设施和可持续解决方案的新时代的到来。这一趋势为各种光子集成电路（PIC）技术平台带来了平等的新机遇。硅光子集成电路与 CMOS（电子）制造兼容，可利用现有的代工基础设施进行制造。

此外，用于EO调制器的新型电吸收材料，如铌酸锂薄膜、钛酸钡和有机物，可以集成到PIC 中，从而显著提高带宽和能效。未来光子集成电路对新材料的需求为LNOI和InP等替代平台提供了可能性。由于铌酸锂作为单个平台似乎更为高效，而InP也是硅基材料之后出现的杀手级应用，因此预计竞争将十分激烈。最近，业界在PIC方面取得的进展，也将为VCSEL和EML等分立器件创造一个激烈的竞争环境。

走向主流应用：值得关注的趋势

2023年硅PIC（芯片）市场价值为9500万美元，预计到2029年将超过8.63亿美元，复合年增长率为45%（CAGR 2023-2029）。推动这一增长的主要因素，是用于提高光纤网络容量的高数据速率可插拔模块。此外，对快速增长的训练数据集规模的预测表明，数据将需要使用光来扩展ML模型，在ML服务器中使用光I/O。

用于数据通信的绝缘体上铌酸锂市场预计将在2029年达到近10亿美元，期间的复合年增长率（CAGR 2023-2029）接近100%。目前，行业正在探索在SOI平台上集成TFLN调制器与LNOI 平台，但首选平台尚未确定。

无论如何选择，PIC的总体成本预计将在很大程度上受到TFLN调制器价格的影响。如果LNOI 成为首选平台，SOI的市场份额很可能会减少。TFLN或LNOI技术因其令人印象深刻的低光损耗和高带宽容量特性而脱颖而出。它在关键性能指标和易于集成方面的优势，使其成为光学创新的有力竞争者。随着技术的成熟和应用的扩大，生产规模经济有望降低成本，使TFLN 日益成为主流应用。

两条途径：推动更高的车道速度

到2026-2027年，在下一代人工智能集群和云数据中心的推动下，预计将过渡到每通道200G 的速度。这一转变将建立在目前开发的400G/lane激光器和其他组件的基础上，为实现极高的每端口以太网速度（3.2T甚至更高）开辟一条道路。迁移到更高的lambda速度可带来多种好处：功耗降低20-30%，降低单位比特成本；激光器的数量减少一半，从而降低单位比特成本；总体运营费用降低。不过，预计也会面临严峻的挑战。

400G/channel应用需要先进的新型环氧乙烷调制器材料，从而增加了复杂性和成本。将SOI 与TFLN、BTO和有机物等材料深度集成，可实现高带宽，但成本过高，有可能在2032-2033 年达到经济可行性。硅加工过程中存在不利的扩散效应，异质集成工艺在产量方面也面临挑战。有一个庞大的工业生态系统，在寻求可行的硅光子技术增强方案。

绝缘体上的铌酸锂，因薄膜几何形状而具有更好的模式约束和更低的驱动电压，从而提高了电光调制效率，是针对线性可插拔光学器件、线性重定时光学器件的超高带宽应用的理想之选、 和相干轻型可插拔光学器件。所有相关的TFLN调制器供应商，如Hyperlight、Liobate、AFR和Ori-chip，都已开发出TFLN PIC，在相同的应用中将明显与SOI竞争。由于成本高、量产受限，这一地位在初期可能会比较困难，但TFLN显然是2027/2028年预期3.2T可插拔模块的关键使能材料。

硅光子学2024—聚焦SOI、SiN和LNOI平台报告

磷化铟（InP）的突出特点是能够将激光器和放大器等有源光子元件直接集成到芯片上。这种能力最大限度地减少了对复杂装配的需求，但该技术目前成本较高，产量仍然较低。尽管该技术目前成本较高，产量仍然较低。到2029年，InP将成为SOI和LNOI的有力竞争者，尤其是在相干光应用领域。Infinera、Lumentum、Smart Photonics、Effect Photonics和Bright Photonics是InP PIC技术的主要支持者。

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提高通道速度的趋势非常明显，但工业界的重要任务不仅是设计出满足未来带宽和能效要求的新型PIC，还要使其具有商业可行性。如果业界无法证明为超高通道速度支付溢价是合理的，那么超宽和并行光学技术可能会成为可行的替代方案。成熟的混合集成技术在 100G/lane方面已经具有成本效益，在200G/lane方面也即将实现，它允许系统根据需要增加更多通道或光纤，从而实现高效扩展。

此外，光学中间件还能将多个光学和电子元件（如激光器、调制器和光电探测器）集成到一个平台上。这些内插器集成了波导和对准功能，从而简化了光学元件的对准，降低了装配复杂性，提高了产量。利用CMOS制造工艺，与通常需要手动对准的传统光子封装相比，光学内插器可以以更低的成本实现量产。

共封装光学器件（CPO）：前景与挑战

CPO因其能够以较低功耗处理不断增长的数据速率而备受关注。然而，作为一种非IEEE标准化解决方案，如果性能不符合预期，就会带来风险。CPO依赖于高速每信道（≥200Gbps）、先进的调制方案（如224G PAM4）或相干技术，这使集成变得复杂，而大量的发热又增加了电源和冷却方面的挑战。因此，CPO的高速运行引发了对性能和可靠性的担忧，这可能使可插拔解决方案成为某些应用的更安全替代方案。

前景展望

数据中心和网络对可扩展、高能效和高成本效益的光学解决方案的需求，为SOI、LNOI和InP 平台之间的激烈竞争创造了条件。每种平台都具有独特的优势和挑战，塑造了IM-DD或轻型相干可插拔模块的未来，并影响着更广泛的光通信领域。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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