AI時(shí)代對(duì)算力提出更高要求，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器一騎絕塵已成定局？

隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)數(shù)字化、智能化、信息化的時(shí)代，當(dāng)今時(shí)代，云計(jì)算、人工智能、視頻會(huì)議、短視頻和各種社交媒體等行業(yè)蓬勃興起，而 ChatGPT-OpenAI 的一次又一次的版本更新和迭代更是將我們帶入了 AI 時(shí)代的新紀(jì)元。在 2023 年底的華為全聯(lián)接大會(huì)上，孟晚舟就曾在演講中表示:「算力是人工智能發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，算力的稀缺和昂貴，已經(jīng)成為制約 AI 發(fā)展的核心因素?！拐缑贤碇鬯裕珹I 智算時(shí)代的確對(duì)算力提出了新要求，除此之外，也對(duì)傳輸速率和傳輸容量提出了更高要求。

光通信作為 AI 運(yùn)算的基石，重要性不言而喻。這是因?yàn)楣馔ㄐ啪哂兴俾矢摺㈩l帶寬、保密性好、損耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升關(guān)鍵路徑上信息傳輸?shù)牡膫鬏斔俾屎蛡鬏斎萘俊Ｔ俳Y(jié)合先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高速率、超大容量、超長(zhǎng)距離、超靈活的維度的高效傳輸。

我們知道，光通信主要是利用光信號(hào)承載需要傳輸?shù)男畔?，從而?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，而調(diào)制器則是這個(gè)過程中最核心的部分，他就像一個(gè)「魔術(shù)師」，在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)制器將電信號(hào)加載到光載波上，從而讓電信號(hào)能以光的形式飛馳前行。

而在當(dāng)今時(shí)代下，由于人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸容量和速度的需求日益迫切，研究和開發(fā)性能高效的光調(diào)制器已成為光通信領(lǐng)域中的重中之重。

光模塊調(diào)制器的分類及特點(diǎn)

目前市面上主流的電光調(diào)制器主要有三種類型：硅基調(diào)制器、磷化銦調(diào)制器以及備受矚目的鈮酸鋰調(diào)制器，他們各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用場(chǎng)景及速率如下表所示。

值得注意的是，鈮酸鋰材料以其優(yōu)異的電光特性被認(rèn)為是制備高性能電光調(diào)制器的理想選擇，尤其是薄膜鈮酸鋰調(diào)制器，可以稱之為同類產(chǎn)品中的翹楚，說他「一枝獨(dú)秀，獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷」也不為過。

這是因?yàn)榕c硅基調(diào)制器和磷化銦調(diào)制器等采用非線性調(diào)制方法的器件不同，鈮酸鋰調(diào)制器的工作機(jī)制與載流子的移動(dòng)無關(guān)。它利用線性電光效應(yīng)將電調(diào)制信號(hào)加載到光載波上，調(diào)制速率主要由微波電極的性能決定，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制速度和線性度以及更低的功耗。通過巧妙設(shè)計(jì)行波電極，薄膜鈮酸鋰器件可以很容易實(shí)現(xiàn) 100 GHz 以上的 3 dB 帶寬，這對(duì)于高速光通信、光互聯(lián)和片上光計(jì)算等都將產(chǎn)生重大影響。

市場(chǎng)分析及科企先進(jìn)進(jìn)展

在大數(shù)據(jù)和 AI 浪潮的牽引下，全球智能算力需求仍將保持快速增長(zhǎng)，光模塊作為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件，備受關(guān)注。讓我們先縱覽全球及國內(nèi)市場(chǎng)，再聚焦一些最近的具體的進(jìn)展。

光模塊全球及國內(nèi)市場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

光模塊位于光通訊的中游行業(yè)，而光調(diào)制器作為光器件在光模塊中所占的比例從下圖可以清晰的看到，光通訊器件幾乎占據(jù)了光模塊中高達(dá) 73% 的巨大比重。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2022 年全球光模塊的市場(chǎng)規(guī)模約 97 億美元，同比增長(zhǎng) 15.9%，目前全球范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)量正在呈現(xiàn)不斷上漲的趨勢(shì)，這將會(huì)驅(qū)動(dòng)光模塊市場(chǎng)容量持續(xù)擴(kuò)大，預(yù)測(cè) 2025 年全球光模塊行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)達(dá)到 130 億美元。

再來看國內(nèi)市場(chǎng)，得益于通信需求的持續(xù)增長(zhǎng)，光模塊等光通信器件的市場(chǎng)產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)不斷上升，2021 年我國光模塊產(chǎn)品市場(chǎng)產(chǎn)量達(dá) 3.7 億只左右，同比增長(zhǎng)約 23.3%，2022 年市場(chǎng)產(chǎn)量進(jìn)一步增加，首次超過 4 億只，達(dá)到了 4.8 億只。

在市場(chǎng)銷量方面，2021 年我國光模塊產(chǎn)品市場(chǎng)銷量達(dá) 2.9 億只，2022 年國內(nèi)市場(chǎng)銷量繼續(xù)增加，達(dá)到 4.6 億只左右，伴隨著人工智能技術(shù)的崛起，預(yù)計(jì)國內(nèi)市場(chǎng)銷量會(huì)持續(xù)增加。

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的市場(chǎng)格局

薄膜鈮酸鋰調(diào)制器中最核心的部分肯定是鈮酸鋰晶體，所以我們先來看一下鈮酸鋰的全球市場(chǎng)格局。在全球鈮酸鋰晶體市場(chǎng)中，愛普科斯（德）、住友金屬（日）、KorthKristalle（德）排名前三。我國鈮酸鋰晶體市場(chǎng)的主要參與者包括：福晶科技、天通股份、德清華瑩、南智芯材等。其中福晶科技作為全球最大非線性光學(xué)晶體生產(chǎn)商，提供各種規(guī)格鈮酸鋰晶體，相關(guān)產(chǎn)品已成功推向 Lumentum 等光器件廠商。

我們知道，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器是 1.6T 光模塊的剛需品，只有薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器才能滿足高算力標(biāo)準(zhǔn)，具備低損耗，小尺寸，高帶寬的特點(diǎn)。但是薄膜鈮酸鋰調(diào)制器的研發(fā)制造并非易事，其工藝復(fù)雜程度極高，對(duì)技術(shù)和生產(chǎn)能力的要求嚴(yán)苛，全球僅有三家供應(yīng)商可以批量供貨：日本富士通、日本住友、光庫科技，其中富士通占據(jù) 70% 全球市場(chǎng)份額。

這里還想提一下國產(chǎn)企業(yè)珠海光庫科技（簡(jiǎn)稱光庫科技），光庫科技于 2019 年收購美國 Lumentum 鈮酸鋰調(diào)制器生產(chǎn)線，于 2023 年美國光纖通訊博覽會(huì)上展示鈮酸鋰調(diào)制器，并于 2023 年 10 月份增資，在意大利米蘭設(shè)置薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片生產(chǎn)基地。作為作為國內(nèi)唯一能夠?qū)崿F(xiàn)鈮酸鋰調(diào)制器量產(chǎn)的企業(yè)，并且成功研發(fā)出新一代薄膜鈮酸鋰技術(shù)，同時(shí)是英偉達(dá)供應(yīng)鏈上的一員，光庫科技當(dāng)之無愧是一顆耀眼的新星。

此外，提到薄膜鈮酸鋰技術(shù)，不得不提到另外兩家不容忽視的國產(chǎn)企業(yè)，分別是鈮奧光電和元芯光電。

鈮奧光電是一家專注于從事薄膜鈮酸鋰調(diào)制器芯片及器件的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造的企業(yè)，致力于打造全球一流的高速調(diào)制器光電子芯片。鈮奧光電的薄膜鈮酸鋰技術(shù)處于全球領(lǐng)先水平，其 800G/1.6T 系列數(shù)通產(chǎn)品均已處于送樣或小批量階段，未來發(fā)展值得關(guān)注。

元芯光電擁有出色的薄膜鈮酸鋰光子集成技術(shù)，在剛剛結(jié)束的 2024 年光網(wǎng)絡(luò)與通信研討會(huì)及博覽會(huì)上，元芯光電在會(huì)上展示了其在薄膜鈮酸鋰光子集成電路（TFLN PICs）領(lǐng)域的最新研究成果，包括技術(shù)領(lǐng)先性、量產(chǎn)穩(wěn)定性以及首次公開的可靠性數(shù)據(jù)，引發(fā)了與會(huì)者的廣泛關(guān)注。值得一提的是，在本次會(huì)議的市場(chǎng)觀察小組（Market Watch Panel III）討論中，多家國際知名企業(yè)如富士通、Ciena 和 Marvell 均表示正在研發(fā)或認(rèn)真考慮利用薄膜鈮酸鋰作為相干發(fā)射機(jī)。這一趨勢(shì)表明，薄膜鈮酸鋰技術(shù)正逐漸成為全球光通信行業(yè)的主流選擇。

鈮奧光電和元芯光電為國內(nèi)光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，隨著薄膜鈮酸鋰技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場(chǎng)景的拓寬，相信未來還會(huì)涌現(xiàn)更多的后起之秀，這將推動(dòng)光通訊行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

1.6T 光模塊進(jìn)展或超市場(chǎng)預(yù)期

基于薄膜鈮酸鋰的光調(diào)制器具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生產(chǎn)、且與 CMOS 工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，利用薄膜鈮酸鋰制作光模塊是高速光通信中極具競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。薄膜鈮酸鋰光模塊的結(jié)構(gòu)與硅光類似，需要 CW 光源、DSP、Driver（看情況加入）、AWG 或平行光組件以及薄膜鈮酸鋰芯片。這其中最重要的核心組件就是薄膜鈮酸鋰芯片，800G 光模塊一般需要 1 顆薄膜鈮酸鋰芯片、1.6T 需要 1-2 顆薄膜鈮酸鋰芯片。1.6T 光模塊作為一項(xiàng)高速傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1.6 太比特每秒，能夠滿足人工智能應(yīng)用的高網(wǎng)絡(luò)帶寬需求，確保高效的數(shù)據(jù)傳輸和模型部署。

在在人工智能算法的訓(xùn)練和應(yīng)用過程中，大量的數(shù)據(jù)需要傳輸和處理，而高速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸是保證算法模型能夠正確訓(xùn)練和快速部署的重要保障，因此近期各大 AI 巨頭對(duì) 1.6T 需求較為迫切，早在 2023 年底，就傳出英偉達(dá)已在催單，這是因?yàn)橛ミ_(dá)即將發(fā)布的超強(qiáng)性能的 B100 對(duì)應(yīng)服務(wù)器網(wǎng)卡升級(jí)至 800G，交換機(jī)側(cè)光模塊升級(jí)至 1.6T 且 GPU：1.6T 光模塊配置比例約為 1：2.5。據(jù)悉，英偉達(dá)的 B100 少量早期樣品將于 2024 年第二季度出貨，并有望在 2024 年第三季度量產(chǎn)，因此英偉達(dá)對(duì) 1.6T 光模塊一直有著大量需求。同時(shí)，隨著谷歌震撼發(fā)布 Gemini 大模型并推出配套系統(tǒng) TPU v5p，在需求高增長(zhǎng)的推動(dòng)下，谷歌對(duì) 1.6T 光模塊也有大量需求。此外，亞馬遜今年下半年或明年可能有一大部分產(chǎn)品直接跳到 1.6T，或者是 800G 和 1.6T 并用。

總結(jié)與展望

薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器作為 1.6T 光模塊的核心，說它是 1.6T 光模塊最強(qiáng)增量環(huán)節(jié)也不為過。正如之前所提到的，在 AI 技術(shù)快速崛起的時(shí)代，具備高效傳輸能力的 1.6T 光模塊的需求量會(huì)日益倍增。而在 1.6T 光模塊里，暫時(shí)還沒有薄膜鈮酸鋰晶體的替代品，所以正如題目所言，薄膜鈮酸鋰光調(diào)制器一騎絕塵，為高速光通信奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。那難道薄膜鈮酸鋰調(diào)制器就完美無缺，沒有任何優(yōu)點(diǎn)嗎？答案當(dāng)然是否定的。

傳輸速率提高注定會(huì)帶來功耗增加、傳輸損耗增加以及成本增加等重大問題。光模塊技術(shù)的升級(jí)不僅是簡(jiǎn)單的速率翻倍，更需要解決的是速率提高所帶來的功耗高、成本大等問題。

筆者認(rèn)為，薄膜鈮酸鋰未來的研發(fā)重心應(yīng)該是當(dāng)其應(yīng)用于更大規(guī)模片上系統(tǒng)時(shí)，能同時(shí)提供高速電光控制、低損耗傳輸和可擴(kuò)展性。此外，基于薄膜鈮酸鋰晶體的大規(guī)模光子集成也是一個(gè)值得關(guān)注的方向，光子集成技術(shù)為突破大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)的通信容量瓶頸以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電融合提供了有效途徑。

近期，華東師范大學(xué)、上海光機(jī)所在薄膜鈮酸鋰襯底上實(shí)現(xiàn)了 4×4 可編程線性光子運(yùn)算器。該器件在損耗、功耗和運(yùn)算速度方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。相信在不久的將來，基于鈮酸鋰晶體的光子集成技術(shù)也會(huì)進(jìn)入商用階段。