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AI时代对算力提出更高要求，薄膜铌酸锂光调制器一骑绝尘已成定局？

陈智超 半导体产业纵横
2024-09-06
随着信息时代的飞速发展，我们已经进入到一个数字化、智能化、信息化的时代，当今时代，云计算、人工智能、视频会议、短视频和各种社交媒体等行业蓬勃兴起，而ChatGPT-OpenAI的一次又一次的版本更新和迭代更是将我们带入了AI时代的新纪元。在2023年底的华为全联接大会上，孟晚舟就曾在演讲中表示:“算力是人工智能发展的核心驱动力，算力的稀缺和昂贵，已经成为制约AI发展的核心因素。”正如孟晚舟所言，AI智算时代的确对算力提出了新要求，除此之外，也对传输速率和传输容量提出了更高要求。
光通信作为AI运算的基石，重要性不言而喻。这是因为光通信具有速率高、频带宽、保密性好、损耗小等诸多优点，可以有效提升关键路径上信息传输的的传输速率和传输容量。再结合先进的数字信号处理技术，光通信技术可以实现超高速率、超大容量、超长距离、超灵活的维度的高效传输。
我们知道，光通信主要是利用光信号承载需要传输的信息，从而实现远距离的数据传输，而调制器则是这个过程中最核心的部分，他就像一个“魔术师”，在需要发送数据时，调制器将电信号加载到光载波上，从而让电信号能以光的形式飞驰前行。
而在当今时代下，由于人工智能、云计算、物联网等行业迅猛发展，对数据的传输容量和速度的需求日益迫切，研究和开发性能高效的光调制器已成为光通信领域中的重中之重。
 01光模块调制器的分类及特点
目前市面上主流的电光调制器主要有三种类型：硅基调制器、磷化铟调制器以及备受瞩目的铌酸锂调制器，他们各自的优缺点、适用场景及速率如下表所示。
值得注意的是，铌酸锂材料以其优异的电光特性被认为是制备高性能电光调制器的理想选择，尤其是薄膜铌酸锂调制器，可以称之为同类产品中的翘楚，说他“一枝独秀，独领风骚”也不为过。
这是因为与硅基调制器和磷化铟调制器等采用非线性调制方法的器件不同，铌酸锂调制器的工作机制与载流子的移动无关。它利用线性电光效应将电调制信号加载到光载波上，调制速率主要由微波电极的性能决定，因此可以实现更高的调制速度和线性度以及更低的功耗。通过巧妙设计行波电极，薄膜铌酸锂器件可以很容易实现100 GHz以上的3 dB带宽，这对于高速光通信、光互联和片上光计算等都将产生重大影响。

 02市场分析及科企先进进展
在大数据和AI浪潮的牵引下，全球智能算力需求仍将保持快速增长，光模块作为实现高速数据传输的关键组件，备受关注。让我们先纵览全球及国内市场，再聚焦一些最近的具体的进展。
光模块全球及国内市场数据分析
光模块位于光通讯的中游行业，而光调制器作为光器件在光模块中所占的比例从下图可以清晰的看到，光通讯器件几乎占据了光模块中高达73%的巨大比重。据Yole数据统计，2022年全球光模块的市场规模约97亿美元，同比增长15.9%，目前全球范围内的数据量正在呈现不断上涨的趋势，这将会驱动光模块市场容量持续扩大，预测2025年全球光模块行业市场规模将会达到130亿美元。
再来看国内市场，得益于通信需求的持续增长，光模块等光通信器件的市场产量实现不断上升，2021年我国光模块产品市场产量达3.7亿只左右，同比增长约23.3%，2022年市场产量进一步增加，首次超过4亿只，达到了4.8亿只。
在市场销量方面，2021年我国光模块产品市场销量达2.9亿只，2022年国内市场销量继续增加，达到4.6亿只左右，伴随着人工智能技术的崛起，预计国内市场销量会持续增加。
薄膜铌酸锂调制器的市场格局
薄膜铌酸锂调制器中最核心的部分肯定是铌酸锂晶体，所以我们先来看一下铌酸锂的全球市场格局。在全球铌酸锂晶体市场中，爱普科斯（德）、住友金属（日）、KorthKristalle（德）排名前三。我国铌酸锂晶体市场的主要参与者包括：福晶科技、天通股份、德清华莹、南智芯材等。其中福晶科技作为全球最大非线性光学晶体生产商，提供各种规格铌酸锂晶体，相关产品已成功推向Lumentum等光器件厂商。
我们知道，薄膜铌酸锂光调制器是1.6T光模块的刚需品，只有薄膜铌酸锂电光调制器才能满足高算力标准，具备低损耗，小尺寸，高带宽的特点。但是薄膜铌酸锂调制器的研发制造并非易事，其工艺复杂程度极高，对技术和生产能力的要求严苛，全球仅有三家供应商可以批量供货：日本富士通、日本住友、光库科技，其中富士通占据70%全球市场份额。
这里还想提一下国产企业珠海光库科技（简称光库科技），光库科技于2019年收购美国Lumentum铌酸锂调制器生产线，于2023年美国光纤通讯博览会上展示铌酸锂调制器，并于2023年10月份增资，在意大利米兰设置薄膜铌酸锂调制器芯片生产基地。作为作为国内唯一能够实现铌酸锂调制器量产的企业，并且成功研发出新一代薄膜铌酸锂技术，同时是英伟达供应链上的一员，光库科技当之无愧是一颗耀眼的新星。
此外，提到薄膜铌酸锂技术，不得不提到另外两家不容忽视的国产企业，分别是铌奥光电和元芯光电。
铌奥光电是一家专注于从事薄膜铌酸锂调制器芯片及器件的研发、设计、制造的企业，致力于打造全球一流的高速调制器光电子芯片。铌奥光电的薄膜铌酸锂技术处于全球领先水平，其800G/1.6T系列数通产品均已处于送样或小批量阶段，未来发展值得关注。
元芯光电拥有出色的薄膜铌酸锂光子集成技术，在刚刚结束的2024年光网络与通信研讨会及博览会上，元芯光电在会上展示了其在薄膜铌酸锂光子集成电路（TFLN PICs）领域的最新研究成果，包括技术领先性、量产稳定性以及首次公开的可靠性数据，引发了与会者的广泛关注。值得一提的是，在本次会议的市场观察小组（Market Watch Panel III）讨论中，多家国际知名企业如富士通、Ciena和Marvell均表示正在研发或认真考虑利用薄膜铌酸锂作为相干发射机。这一趋势表明，薄膜铌酸锂技术正逐渐成为全球光通信行业的主流选择。
铌奥光电和元芯光电为国内光通信产业的发展注入了新的活力，随着薄膜铌酸锂技术的不断成熟和应用场景的拓宽，相信未来还会涌现更多的后起之秀，这将推动光通讯行业的持续创新与发展。
1.6T光模块进展或超市场预期
基于薄膜铌酸锂的光调制器具有高性能、低成本、小尺寸、可批量化生产、且与CMOS工艺兼容等优点，利用薄膜铌酸锂制作光模块是高速光通信中极具竞争力的解决方案。薄膜铌酸锂光模块的结构与硅光类似，需要CW光源、DSP、Driver（看情况加入）、AWG或平行光组件以及薄膜铌酸锂芯片。这其中最重要的核心组件就是薄膜铌酸锂芯片，800G光模块一般需要1颗薄膜铌酸锂芯片、1.6T需要1-2颗薄膜铌酸锂芯片。1.6T光模块作为一项高速传输技术，数据传输速率高达1.6太比特每秒，能够满足人工智能应用的高网络带宽需求，确保高效的数据传输和模型部署。
在在人工智能算法的训练和应用过程中，大量的数据需要传输和处理，而高速、稳定的数据传输是保证算法模型能够正确训练和快速部署的重要保障，因此近期各大AI巨头对1.6T需求较为迫切，早在2023年底，就传出英伟达已在催单，这是因为英伟达即将发布的超强性能的B100对应服务器网卡升级至800G，交换机侧光模块升级至1.6T且GPU：1.6T光模块配置比例约为1：2.5。据悉，英伟达的B100少量早期样品将于2024年第二季度出货，并有望在2024年第三季度量产，因此英伟达对1.6T光模块一直有着大量需求。同时，随着谷歌震撼发布Gemini大模型并推出配套系统TPU v5p，在需求高增长的推动下，谷歌对1.6T光模块也有大量需求。此外，亚马逊今年下半年或明年可能有一大部分产品直接跳到1.6T，或者是800G和1.6T并用。
 03总结与展望
薄膜铌酸锂光调制器作为1.6T光模块的核心，说它是1.6T光模块最强增量环节也不为过。正如之前所提到的，在AI技术快速崛起的时代，具备高效传输能力的1.6T光模块的需求量会日益倍增。而在1.6T光模块里，暂时还没有薄膜铌酸锂晶体的替代品，所以正如题目所言，薄膜铌酸锂光调制器一骑绝尘，为高速光通信奠定了坚实的基础。那难道薄膜铌酸锂调制器就完美无缺，没有任何优点吗？答案当然是否定的。
传输速率提高注定会带来功耗增加、传输损耗增加以及成本增加等重大问题。光模块技术的升级不仅是简单的速率翻倍，更需要解决的是速率提高所带来的功耗高、成本大等问题。
笔者认为，薄膜铌酸锂未来的研发重心应该是当其应用于更大规模片上系统时，能同时提供高速电光控制、低损耗传输和可扩展性。此外，基于薄膜铌酸锂晶体的大规模光子集成也是一个值得关注的方向，光子集成技术为突破大规模光纤网络的通信容量瓶颈以及实现大规模光电融合提供了有效途径。
近期，华东师范大学、上海光机所在薄膜铌酸锂衬底上实现了4×4可编程线性光子运算器。该器件在损耗、功耗和运算速度方面显示出巨大优势。相信在不久的将来，基于铌酸锂晶体的光子集成技术也会进入商用阶段。





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