▌硅光技術逐步成熟，芯片工藝瓶頸突破，封裝仍待提升
硅光技術已經進入產業化階段，Intel、Luxtera、Acacia、光迅、Rockley等企業先後推出芯片級、模塊級產品，並逐步實現小批量商用出貨。芯片技術需要長時間的迭代試錯，隨著產業鏈多年的研發，硅光技術積累達到質變的水平，硅光技術站上規模商用起跑線。
硅光技術進入商用階段，產業鏈逐步成熟
硅光技術基於1985年左右提出的波導理論，2005-2006年前後開始逐步從理論向產業化發展，Luxtera、Kotura等先行者不斷推動技術和產業鏈的發展，形成了硅光芯片代工廠(GlobalFoundries、意法半導體、AIM等)、激光芯片代工廠(聯亞電子等)、芯片設計和封裝(Luxtera、Kotura等)較為成熟的Fabless產業鏈模式，也有Intel為代表的IDM模式，除激光芯片外，設計、硅基芯片加工、封測均自己完成)。
傳統光模塊採用分立式結構，光芯片通過一系列無源耦合器件，與光纖實現對準耦合，完成光路封裝。整個封裝環節需要較多材料和人工成本，同時封裝和測試工序較為複雜，封裝過程自動化率較低，測試中需要手工將光模塊一個個進行對準耦合測試，時間成本和人工成本均較高。
隨著波導理論的成熟，以及一系列新器件被設計生產出來，產業界提出基於CMOS製造工藝的硅光技術。
硅光利用傳統半導體產業非常成熟的硅晶圓加工工藝，在硅基底上利用蝕刻工藝可以快速加工大規模波導器件，利用外延生長等加工工藝，能夠製備調製器、接收器等關鍵器件，最終實現將調製器、接收器以及無源光學器件等高度集成。
相比傳統分立式器件，傳統工藝需要依次封裝電芯片、光芯片、透鏡、對準組件、光纖端面等器件，硅光體積大幅減小，材料成本、芯片成本、封裝成本均有望進一步優化，同時，硅光技術可以通過晶圓測試等方法進行批量測試，測試效率顯著提升。
硅光技術除激光器外，能夠實現光模塊中各類器件的集成製造
前述硅光技術生產的器件，涵蓋了光模塊內部大部分組件，但不包含激光芯片。由於硅是間接帶隙，導帶最小值(導帶底)和滿帶最大值在k空間中不同位置，電子躍遷需要同時改變勢能和動能，產生激光需要藉助聲子的作用，空穴複合效率很低，發光效率極低。
與之對比，III-V族材料(典型的如磷化銦InP)屬於直接帶隙，電子能量躍遷只需要吸收外加能量即可，發光效率較高。因此目前硅光方案主流仍是硅基混合集成，光芯片仍使用傳統的III-V族材料，採用分立貼裝(光迅、Luxtera等)或晶圓鍵合加工(Intel等)將III-V族的激光器與硅上集成的調製、耦合光路等加工在一起
目前基於硅光工藝已經能夠成熟能夠加工的芯片級器件主要包括光波導、合分波器件、外調制器件、APD接收器等。
但各主流廠商的設計和工藝路線仍然有較大差異，存在多種技術路線，從這個角度也可以看到，硅光技術還處在百家爭鳴的發展初期階段，性價比和技術穩定性最高的方案尚未脫穎而出，硅光技術仍需要一段時間的沉澱和發展，才能向最終勝出的主流技術聚焦，進而更大程度的發揮CMOS工藝的規模效應，成本和良率才能持續優化。
硅光芯片技術較為成熟，但從芯片到光模塊，封裝工藝上仍存在較多技術難點，封裝良率和成本仍有待優化，
▌傳統光通信市場是硅光發展的基礎，新應用領域潛力巨大
從整體發展趨勢看，硅光技術逐步成熟，但由於產業鏈仍處於發展早期階段，下游客戶認證仍需時間，整體產品出貨量仍然較低，無法體現CMOS工藝生產成本的規模效應，也沒有足夠的出貨量支持工藝的優化和良率的持續提升。
硅光技術的大規模應用仍需要一段時間的沉澱和新突破。
光模塊已經形成成熟的應用領域，電信+數通需求穩步增長
1977年光纖首次應用於通信系統直至1990年代光纖網絡被大規模推廣以來，光纖-光模塊-光設備的通信體系持續發展，光模塊作為光設備與光纖連接的核心器件，居於產業鏈的重要環節，眾多廠商和標準化組織不斷推出適用於各種應用場景的光模塊產品和技術標準，光模塊的發展已經非常成熟，產業鏈上下游配套完善。
目前來看，光模塊主要應用於電信、數通以及消費類三大領域，尤其以電信和數通市場為主，消費領域仍處於早期研發和起步階段。
與光纖相適配，光模塊傳輸是採用1310nm和1550nm兩個主要波長，其中1330nm是零色散窗口，適合長距離單波傳輸;1550nm波長有一定色散，適合波分複用系統，能夠抑制四波混頻。
匹配不同應用場景，光模塊發展出不同封裝外形(CFP、SPF、QSFP等)、不同的傳輸距離(短距SR<2km/中距LR2~40km/長距ER>40km)、不同的波長(1310nm、可調諧彩光模塊等)、不同的傳輸速率(從1Mbps到400Gbps)等，技術和工藝相對成熟。
消費領域對光模塊的需求剛剛萌發，目前較常見的包括自動駕駛的激光雷達(LiDAR)、高速數據傳輸線(HDMIAOC)、面部識別(VCSEL結構光)、板上芯片互聯(光子計算機的核心技術之一，還處於概念階段)。
整體來看，光模塊目前絕大部分應用場景仍侷限在電信和數據中心信息傳輸中，消費領域的應用仍有待技術研發和下游需求的開拓。
根據OVUM統計，全球光模塊/器件(包括光模塊和各類無源器件)市場規模在100億美元左右，年複合增速8.7%，其中光模塊佔比57%左右(OVUM數據2016年光器件/模塊總收入95.54億美元，其中光模塊總收入55億美元)，因此整體光模塊市場規模接近60億美元。
細分來看，電信市場佔60%左右，數通市場佔40%，受益網絡流量持續增長、傳輸速率不斷升級、5G等新需求開始顯現，光模塊行業處於出貨量持續增長、價值量不斷提升的行業景氣通道。
硅光產業鏈相比半導體產業鏈，行業空間差距較大，成本優勢有限
在整個光模塊/器件市場中，硅光主要應用於有源光模塊領域，能夠替代傳統光模塊生產中的無源組件以及除激光器外的有源芯片。
光模塊中光芯片成本佔比約40%，人工和無源組件的成本約佔30%，則每年全球光芯片市場空間約24億美元，假設人工和組件佔比相當，則無源組件的市場空間約18億美元。
隨著傳輸速率不斷提升，芯片級的瓶頸主要在信號處理和時鐘恢復等電芯片環節，高速DSP、新型Serdes、性能更強的CDR等成本將大幅提升，電芯片的成本佔比有望進一步提升，光芯片和組件的成本佔比將進一步下降。
目前硅光技術仍處於起步階段，技術成熟度仍待提升，下游客戶驗證也需要時間，2017年硅光光模塊市場規模不到10億美元，其中硅光芯片的市場規模預計只有3-4億美元左右。
硅光芯片主要替代傳統的無源組件以及除激光器之外的光芯片，參考傳統成本結構，假設人工和組件佔比相當，光芯片中，發射、接收和調製芯片佔比相當，則硅光能夠替代組件+接收+調製芯片，整體成本佔比在30-40%。
與之相對比，全球半導體市場每年的收入規模在千億級別，根據ICInsights統計，2017年全球半導體整體市場規模突破4000億美元，其中IC(集成電路，包括模擬電路、微處理器、存儲器和邏輯電路)達到3400億美元，DOS(分立器件、光電子器件、傳感器)整體規模685億美元。硅光芯片佔半導體整體市場規模的0.08%，佔DOS的0.4%，佔光電子器件的1%。
半導體產業具有顯著的規模效應，晶元尺寸越大、芯片出貨量越大，平均每個晶體管、每個芯片的成本越低。
對於IDM廠商來說，一條8英寸生產線需要8億美元投資，一條12英寸生產線需要12-15億美元的投資，每年的運行保養等成本佔總投資的20%，巨大的折舊和維護成本需要更大的出貨量來攤薄。
對於Fabless企業來說，研發成本和流片成本是剛性投入，更大的出貨量才能攤薄前期的研發投入和流片費用，同時生產階段更大的需求量，代工廠相應會給更低的平均價格。
目前的技術和工藝上看，100G短距離PSM4光模塊中，硅光技術具有一定成本優勢。傳統100GPSM4方案中，使用4個25G激光器分別調製4路信號經4根光纖(MPO高密度連接器)傳輸100G總體速率。
引入硅光技術後，由於調製器和無源光路可以高度集成，因此可以使用1個25G激光器，用集成的調製器和波導，實現4路獨立信號的調製和傳輸，大幅節約芯片成本(光模塊中40%是光芯片成本，其中20%左右的激光器成本節約3/4，則可以降低15%的整體成本，同時降低部分人工和組件成本)。
硅光方案的100GPSM4光模塊傳輸距離相對受限，目前在500米距離上相對成熟。另一種主流方案100GCWDM4中硅光無法解決光芯片數量，只能優化無源器件成本。
PSM4硅光方案光芯片功率被分為4路，同時硅波導有較大模場匹配插損，導致光路功率預算不足，單純增加激光器功率會導致功耗和散熱問題(硅波導對溫度非常敏感)，因此目前在500米短距離相對成熟。
而CWDM4技術採用4路不同波長的25G激光器通過MUX/DeMUX合分波，因此無法使用單一激光器降低成本，成本優勢並不大。
中長距離相干光模塊產品在光源端採用外部光源+放大器，傳統方案和硅光方案是相同的，硅光方案主要體現在相干調製以及合分波器件的高度集成化，成本優勢同樣並不顯著，芯片體積有優勢但需要較完善的溫控設計。
目前中長距離相干光模塊領域Acacia技術較為領先，有CFP和CFP2等封裝外形，支持最遠2500km傳輸距離。
國內光迅牽頭的國家信息光電子創新中心也推出了100G相干硅光芯片產品，封裝後的模塊產品已經通過設備商現網測試。
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整體上看，硅光技術成本優勢並不顯著，在性能、功耗和整體成本多個維度，與傳統模塊廠商處於同一競爭平臺，並未顯示顛覆性優勢。硅光在無源組件上實現更高的集成度，但由於無源組件成本佔比有限，整體成本優勢並不明顯，PSM4有較大成本優勢但需使用4根光纖，目前市佔率快速萎縮，被CWDM4持續替代。
硅光產業鏈相比傳統產業鏈仍不成熟，上游供貨能力和成本優化有待提升，封裝工藝仍有技術難點需要突破，產品良率仍有差距，同時傳統工藝成本也在持續優化，因此整體看硅光成本性能和穩定性並不存在明顯優勢。
硅光技術作為一種新的技術方案，與分立式光模塊同臺競技，共同受益於網絡流量和速率的持續提升，全球光模塊行業10%左右年複合增速，疊加硅光份額逐步提升，為硅光提供發展的市場基礎。
硅光下游有更大應用空間，期待消費類需求顯現，打開更廣闊市場
由於硅光技術與傳統分立式技術路線相比並未體現顛覆性優勢，下游客戶考慮到技術穩定性和產品體系的一致性，對切換到硅光路線仍有一定擔憂，因此硅光產品的市場份額仍然較低，份額的提升速度預計也將比較平緩。
從設備商和雲計算廠商角度看，硅光仍然是一種新技術路線，需要時間來驗證其技術穩定性，同時光模塊行業處於技術快速迭代的過程，硅光技術還需要緊跟行業升級的進程，從100G向400G不斷演進，產業鏈培育和客戶認證都需要一定時間週期。
因此整體看，根據ONUM和Lightcounting的數據測算，硅光路線的光模塊市場份額存在一個逐步提升的過程。
光模塊市場規模100億美元左右，硅光在其中只能佔據一部分份額，硅光模塊中硅光芯片又僅佔部分成本，因此在傳統的光模塊市場上，硅光芯片的市場空間相對有限，距離半導體產業鏈千億美元級別的市場規模差距顯著，CMOS工藝的規模效應無法充分發揮。
但硅光技術的高度集成特性在對尺寸更加敏感的消費領域存在更大需求，消費電子、智能駕駛、量子通信等領域有很大的發展空間。具體來看:
1)消費電子:
iPhone引入結構光面部識別方案，安卓陣營在結構光領域相對保守，而是追求更高屏佔比，新的旗艦機不使用“劉海屏”而是使用“美人尖”或“水滴屏”(華為Mate20、VivoX23、OPPOR17、錘子R1等)，正面只有一個攝像頭，無法容納3D結構光組件。
硅光的高集成度特性非常適合消費電子的需求，在有限的空間集成更多的器件，針對消費電子的硅光應用或有更多應用場景。
2)智能駕駛:
目前車載激光雷達(LiDAR)已經成為比較成熟的技術路線，飛行時間法全固態LiDAR是主流技術路線，其中還可分為激光多束髮射、可操縱相控陣列和泛光面陣發射等模式。
LiDAR需要多個激光發射源和接收器，或使用多路信號控制，硅光的高度集成性和電光效應相位調諧能力非常適宜LiDAR應用，目前有MIT、OURS等多個團隊推出基於硅光的LiDAR產品，隨著無人駕駛、輔助駕駛應用逐步成熟，LiDAR有望成為硅光重要應用領域。
3)量子通信:
量子通信需要製備糾纏態的光子，並對其進行操控和分析，硅光技術非常適合複雜光路控制和高集成度，北大團隊2018年3月在Science上發表了基於硅光的量子糾纏芯片的設計。
量子通信在長途幹線、金融等機構保密設備、數據中心加密等領域有廣泛的應用空間，基於硅光的量子通信芯片有望成為未來重要的技術方案。
從光模塊和芯片技術的角度看，目前支持面部識別、環境識別、短距離高速互聯等的技術均有一定積累和相應的產品方案，但由於智能駕駛、面部識別算法和具體應用、光子計算等下游需求尚未成熟和普及，光模塊和芯片在消費領域的應用仍然較少，且需求快速落地的驅動因素不是由光模塊產業鏈決定，而是由下游應用端的廠商決定，需要更切中用戶痛點的新設計、新算法和新產品模式，才能打開下游消費需求。
消費領域的客戶基數是匹配人口的億級別的體量，相比光通信領域萬-百萬級別的出貨體量大幅提升，硅光的CMOS工藝成本優勢將更加凸顯，隨著技術不斷完善，期待硅光在消費領域打開更大市場空間。報告來源：天風證券（唐海清）百度搜索“樂晴智庫”獲得更多行業報告。
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