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硅光产业前景预测

发布时间:2018-9-29 10:11:48 访问次数:1028


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整体上看,硅光技术成本优势并不显著,在性能、功耗和整体成本多个维度,与传统模块厂商处于同一竞争平台,并未显示颠覆性优势。硅光在无源组件上实现更高的集成度,但由于无源组件成本占比有限,整体成本优势并不明显,psm4有较大成本优势但需使用4根光纤,目前市占率快速萎缩,被cwdm4持续替代。

硅光产业链相比传统产业链仍不成熟,上游供货能力和成本优化有待提升,封装工艺仍有技术难点需要突破,产品良率仍有差距,同时传统工艺成本也在持续优化,因此整体看硅光成本性能和稳定性并不存在明显优势。

硅光技术作为一种新的技术方案,与分立式光模块同台竞技,共同受益于网络流量和速率的持续提升,全球光模块行业10%左右年复合增速,叠加硅光份额逐步提升,为硅光提供发展的市场基础。

硅光技术与传统分立式技术路线相比并未体现颠覆性优势,下游客户考虑到技术稳定性和产品体系的一致性,对切换到硅光路线仍有一定担忧,因此硅光产品的市场份额仍然较低,份额的提升速度预计也将比较平缓。


从设备商和云计算厂商角度看,硅光仍然是一种新技术路线,需要时间来验证其技术稳定性,同时光模块行业处于技术快速迭代的过程,硅光技术还需要紧跟行业升级的进程,从100g向400g不断演进,产业链培育和客户认证都需要一定时间周期。

因此整体看,根据onum和lightcounting的数据测算,硅光路线的光模块市场份额存在一个逐步提升的过程。

光模块市场规模100亿美元左右,硅光在其中只能占据一部分份额,硅光模块中硅光芯片又仅占部分成本,因此在传统的光模块市场上,硅光芯片的市场空间相对有限,距离半导体产业链千亿美元级别的市场规模差距显著,cmos工艺的规模效应无法充分发挥。http://cjj.51dzw.com/

但硅光技术的高度集成特性在对尺寸更加敏感的消费领域存在更大需求,消费电子、智能驾驶、量子通信等领域有很大的发展空间。具体来看:

1)消费电子:

iphone引入结构光面部识别方案,安卓阵营在结构光领域相对保守,而是追求更高屏占比,新的旗舰机不使用“刘海屏”而是使用“美人尖”或“水滴屏”(华为mate20、vivox23、oppor17、锤子r1等),正面只有一个摄像头,无法容纳3d结构光组件。

硅光的高集成度特性非常适合消费电子的需求,在有限的空间集成更多的器件,针对消费电子的硅光应用或有更多应用场景。

2)智能驾驶:

目前车载激光雷达(lidar)已经成为比较成熟的技术路线,飞行时间法全固态lidar是主流技术路线,其中还可分为激光多束发射、可操纵相控阵列和泛光面阵发射等模式。

lidar需要多个激光发射源和接收器,或使用多路信号控制,硅光的高度集成性和电光效应相位调谐能力非常适宜lidar应用,目前有mit、ours等多个团队推出基于硅光的lidar产品,随着无人驾驶、辅助驾驶应用逐步成熟,lidar有望成为硅光重要应用领域。

3)量子通信:

量子通信需要制备纠缠态的光子,并对其进行操控和分析,硅光技术非常适合复杂光路控制和高集成度,北大团队2018年3月在science上发表了基于硅光的量子纠缠芯片的设计。

量子通信在长途干线、金融等机构保密设备、数据中心加密等领域有广泛的应用空间,基于硅光的量子通信芯片有望成为未来重要的技术方案。从光模块和芯片技术的角度看,目前支持面部识别、环境识别、短距离高速互联等的技术均有一定积累和相应的产品方案,但由于智能驾驶、面部识别算法和具体应用、光子计算等下游需求尚未成熟和普及,光模块和芯片在消费领域的应用仍然较少,且需求快速落地的驱动因素不是由光模块产业链决定,而是由下游应用端的厂商决定,需要更切中用户痛点的新设计、新算法和新产品模式,才能打开下游消费需求。

消费领域的客户基数是匹配人口的亿级别的体量,相比光通信领域万-百万级别的出货体量大幅提升,硅光的cmos工艺成本优势将更加凸显,随着技术不断完善,期待硅光在消费领域打开更大市场空间。

硅光技术已经进入产业化阶段,intel、luxtera、acacia、光迅、rockley等企业先后推出芯片级、模块级产品,并逐步实现小批量商用出货。芯片技术需要长时间的迭代试错,随着产业链多年的研发,硅光技术积累达到质变的水平,硅光技术站上规模商用起跑线。硅光技术进入商用阶段,产业链逐步成熟http://zxwdz.51dzw.com/

硅光技术基于1985年左右提出的波导理论,2005-2006年前后开始逐步从理论向产业化发展,luxtera、kotura等先行者不断推动技术和产业链的发展,形成了硅光芯片代工厂(globalfoundries、意法半导体、aim等)、激光芯片代工厂(联亚电子等)、芯片设计和封装(luxtera、kotura等)较为成熟的fabless产业链模式,也有intel为代表的idm模式,除激光芯片外,设计、硅基芯片加工、封测均自己完成)。传统光模块采用分立式结构,光芯片通过一系列无源耦合器件,与光纤实现对准耦合,完成光路封装。整个封装环节需要较多材料和人工成本,同时封装和测试工序较为复杂,封装过程自动化率较低,测试中需要手工将光模块一个个进行对准耦合测试,时间成本和人工成本均较高。

随着波导理论的成熟,以及一系列新器件被设计生产出来,产业界提出基于cmos制造工艺的硅光技术。

硅光利用传统半导体产业非常成熟的硅晶圆加工工艺,在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工大规模波导器件,利用外延生长等加工工艺,能够制备调制器、接收器等关键器件,最终实现将调制器、接收器以及无源光学器件等高度集成。

相比传统分立式器件,传统工艺需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件,硅光体积大幅减小,材料成本、芯片成本、封装成本均有望进一步优化,同时,硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试,测试效率显著提升。


硅光芯片技术较为成熟,但从芯片到光模块,封装工艺上仍存在较多技术难点,封装良率和成本仍有待优化,

传统光通信市场是硅光发展的基础,新应用领域潜力巨大

从整体发展趋势看,硅光技术逐步成熟,但由于产业链仍处于发展早期阶段,下游客户认证仍需时间,整体产品出货量仍然较低,无法体现cmos工艺生产成本的规模效应,也没有足够的出货量支持工艺的优化和良率的持续提升。

硅光技术的大规模应用仍需要一段时间的沉淀和新突破。

光模块已经形成成熟的应用领域,电信+数通需求稳步增长

1977年光纤首次应用于通信系统直至1990年代光纤网络被大规模推广以来,光纤-光模块-光设备的通信体系持续发展,光模块作为光设备与光纤连接的核心器件,居于产业链的重要环节,众多厂商和标准化组织不断推出适用于各种应用场景的光模块产品和技术标准,光模块的发展已经非常成熟,产业链上下游配套完善。

目前来看,光模块主要应用于电信、数通以及消费类三大领域,尤其以电信和数通市场为主,消费领域仍处于早期研发和起步阶段。

与光纤相适配,光模块传输是采用1310nm和1550nm两个主要波长,其中1330nm是零色散窗口,适合长距离单波传输;1550nm波长有一定色散,适合波分复用系统,能够抑制四波混频。

匹配不同应用场景,光模块发展出不同封装外形(cfp、spf、qsfp等)、不同的传输距离(短距sr<2km/中距lr2~40km/长距er>40km)、不同的波长(1310nm、可调谐彩光模块等)、不同的传输速率(从1mbps到400gbps)等,技术和工艺相对成熟。

消费领域对光模块的需求刚刚萌发,目前较常见的包括自动驾驶的激光雷达(lidar)、高速数据传输线(hdmiaoc)、面部识别(vcsel结构光)、板上芯片互联(光子计算机的核心技术之一,还处于概念阶段)。

整体来看,光模块目前绝大部分应用场景仍局限在电信和数据中心信息传输中,消费领域的应用仍有待技术研发和下游需求的开拓。

根据ovum统计,全球光模块/器件(包括光模块和各类无源器件)市场规模在100亿美元左右,年复合增速8.7%,其中光模块占比57%左右(ovum数据2016年光器件/模块总收入95.54亿美元,其中光模块总收入55亿美元),因此整体光模块市场规模接近60亿美元。

细分来看,电信市场占60%左右,数通市场占40%,受益网络流量持续增长、传输速率不断升级、5g等新需求开始显现,光模块行业处于出货量持续增长、价值量不断提升的行业景气通道。

整个光模块/器件市场中,硅光主要应用于有源光模块领域,能够替代传统光模块生产中的无源组件以及除激光器外的有源芯片。

光模块中光芯片成本占比约40%,人工和无源组件的成本约占30%,则每年全球光芯片市场空间约24亿美元,假设人工和组件占比相当,则无源组件的市场空间约18亿美元。

随着传输速率不断提升,芯片级的瓶颈主要在信号处理和时钟恢复等电芯片环节,高速dsp、新型serdes、性能更强的cdr等成本将大幅提升,电芯片的成本占比有望进一步提升,光芯片和组件的成本占比将进一步下降。

目前硅光技术仍处于起步阶段,技术成熟度仍待提升,下游客户验证也需要时间,2017年硅光光模块市场规模不到10亿美元,其中硅光芯片的市场规模预计只有3-4亿美元左右。

硅光芯片主要替代传统的无源组件以及除激光器之外的光芯片,参考传统成本结构,假设人工和组件占比相当,光芯片中,发射、接收和调制芯片占比相当,则硅光能够替代组件+接收+调制芯片,整体成本占比在30-40%。

全球半导体市场每年的收入规模在千亿级别,根据icinsights统计,2017年全球半导体整体市场规模突破4000亿美元,其中ic(集成电路,包括模拟电路、微处理器、存储器和逻辑电路)达到3400亿美元,dos(分立器件、光电子器件、传感器)整体规模685亿美元。硅光芯片占半导体整体市场规模的0.08%,占dos的0.4%,占光电子器件的1%。

半导体产业具有显著的规模效应,晶元尺寸越大、芯片出货量越大,平均每个晶体管、每个芯片的成本越低。

对于idm厂商来说,一条8英寸生产线需要8亿美元投资,一条12英寸生产线需要12-15亿美元的投资,每年的运行保养等成本占总投资的20%,巨大的折旧和维护成本需要更大的出货量来摊薄。

对于fabless企业来说,研发成本和流片成本是刚性投入,更大的出货量才能摊薄前期的研发投入和流片费用,同时生产阶段更大的需求量,代工厂相应会给更低的平均价格。

目前的技术和工艺上看,100g短距离psm4光模块中,硅光技术具有一定成本优势。传统100gpsm4方案中,使用4个25g激光器分别调制4路信号经4根光纤(mpo高密度连接器)传输100g总体速率。

引入硅光技术后,由于调制器和无源光路可以高度集成,因此可以使用1个25g激光器,用集成的调制器和波导,实现4路独立信号的调制和传输,大幅节约芯片成本(光模块中40%是光芯片成本,其中20%左右的激光器成本节约3/4,则可以降低15%的整体成本,同时降低部分人工和组件成本)。

硅光方案的100gpsm4光模块传输距离相对受限,目前在500米距离上相对成熟。另一种主流方案100gcwdm4中硅光无法解决光芯片数量,只能优化无源器件成本。http://msldz.51dzw.com/

psm4硅光方案光芯片功率被分为4路,同时硅波导有较大模场匹配插损,导致光路功率预算不足,单纯增加激光器功率会导致功耗和散热问题(硅波导对温度非常敏感),因此目前在500米短距离相对成熟。

而cwdm4技术采用4路不同波长的25g激光器通过mux/demux合分波,因此无法使用单一激光器降低成本,成本优势并不大。文章出自:乐晴智库



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