AI時(shí)代對算力提出更高要求，薄膜鈮酸鋰光調制器一騎絕塵已成定局？

隨著(zhù)信息時(shí)代的飛速發(fā)展，我們已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)數字化、智能化、信息化的時(shí)代，當今時(shí)代，云計算、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?，AI 智算時(shí)代的確對算力提出了新要求，除此之外，也對傳輸速率和傳輸容量提出了更高要求。

光通信作為 AI 運算的基石，重要性不言而喻。這是因為光通信具有速率高、頻帶寬、保密性好、損耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以有效提升關(guān)鍵路徑上信息傳輸的的傳輸速率和傳輸容量。再結合先進(jìn)的數字信號處理技術(shù)，光通信技術(shù)可以實(shí)現超高速率、超大容量、超長(cháng)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承載需要傳輸的信息，從而實(shí)現遠距離的數據傳輸，而調制器則是這個(gè)過(guò)程中最核心的部分，他就像一個(gè)「魔術(shù)師」，在需要發(fā)送數據時(shí)，調制器將電信號加載到光載波上，從而讓電信號能以光的形式飛馳前行。

而在當今時(shí)代下，由于人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)迅猛發(fā)展，對數據的傳輸容量和速度的需求日益迫切，研究和開(kāi)發(fā)性能高效的光調制器已成為光通信領(lǐng)域中的重中之重。

光模塊調制器的分類(lèi)及特點(diǎn)

目前市面上主流的電光調制器主要有三種類(lèi)型：硅基調制器、磷化銦調制器以及備受矚目的鈮酸鋰調制器，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)異的電光特性被認為是制備高性能電光調制器的理想選擇，尤其是薄膜鈮酸鋰調制器，可以稱(chēng)之為同類(lèi)產(chǎn)品中的翹楚，說(shuō)他「一枝獨秀，獨領(lǐng)風(fēng)騷」也不為過(guò)。

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

市場(chǎng)分析及科企先進(jìn)進(jìn)展

在大數據和 AI 浪潮的牽引下，全球智能算力需求仍將保持快速增長(cháng)，光模塊作為實(shí)現高速數據傳輸的關(guān)鍵組件，備受關(guān)注。讓我們先縱覽全球及國內市場(chǎng)，再聚焦一些最近的具體的進(jìn)展。

光模塊全球及國內市場(chǎng)數據分析

光模塊位于光通訊的中游行業(yè)，而光調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了光模塊中高達 73% 的巨大比重。據 Yole 數據統計，2022 年全球光模塊的市場(chǎng)規模約 97 億美元，同比增長(cháng) 15.9%，目前全球范圍內的數據量正在呈現不斷上漲的趨勢，這將會(huì )驅動(dòng)光模塊市場(chǎng)容量持續擴大，預測 2025 年全球光模塊行業(yè)市場(chǎng)規模將會(huì )達到 130 億美元。

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

在市場(chǎng)銷(xiāo)量方面，2021 年我國光模塊產(chǎn)品市場(chǎng)銷(xiāo)量達 2.9 億只，2022 年國內市場(chǎng)銷(xiāo)量繼續增加，達到 4.6 億只左右，伴隨著(zhù)人工智能技術(shù)的崛起，預計國內市場(chǎng)銷(xiāo)量會(huì )持續增加。

薄膜鈮酸鋰調制器的市場(chǎng)格局

薄膜鈮酸鋰調制器中最核心的部分肯定是鈮酸鋰晶體，所以我們先來(lái)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(ài)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(xiàn)性光學(xué)晶體生產(chǎn)商，提供各種規格鈮酸鋰晶體，相關(guān)產(chǎn)品已成功推向 Lumentum 等光器件廠(chǎng)商。

我們知道，薄膜鈮酸鋰光調制器是 1.6T 光模塊的剛需品，只有薄膜鈮酸鋰電光調制器才能滿(mǎn)足高算力標準，具備低損耗，小尺寸，高帶寬的特點(diǎn)。但是薄膜鈮酸鋰調制器的研發(fā)制造并非易事，其工藝復雜程度極高，對技術(shù)和生產(chǎn)能力的要求嚴苛，全球僅有三家供應商可以批量供貨：日本富士通、日本住友、光庫科技，其中富士通占據 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(chēng)光庫科技），光庫科技于 2019 年收購美國 Lumentum 鈮酸鋰調制器生產(chǎn)線(xiàn)，于 2023 年美國光纖通訊博覽會(huì )上展示鈮酸鋰調制器，并于 2023 年 10 月份增資，在意大利米蘭設置薄膜鈮酸鋰調制器芯片生產(chǎn)基地。作為作為國內唯一能夠實(shí)現鈮酸鋰調制器量產(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)是英偉達供應鏈上的一員，光庫科技當之無(wú)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(zhuān)注于從事薄膜鈮酸鋰調制器芯片及器件的研發(fā)、設計、制造的企業(yè)，致力于打造全球一流的高速調制器光電子芯片。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 系列數通產(chǎn)品均已處于送樣或小批量階段，未來(lái)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)穩定性以及首次公開(kāi)的可靠性數據，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(guān)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)或認真考慮利用薄膜鈮酸鋰作為相干發(fā)射機。這一趨勢表明，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光通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，隨著(zhù)薄膜鈮酸鋰技術(shù)的不斷成熟和應用場(chǎng)景的拓寬，相信未來(lái)還會(huì )涌現更多的后起之秀，這將推動(dòng)光通訊行業(yè)的持續創(chuàng )新與發(fā)展。

1.6T 光模塊進(jìn)展或超市場(chǎng)預期

基于薄膜鈮酸鋰的光調制器具有高性能、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爭力的解決方案。薄膜鈮酸鋰光模塊的結構與硅光類(lèi)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 光模塊作為一項高速傳輸技術(shù)，數據傳輸速率高達 1.6 太比特每秒，能夠滿(mǎn)足人工智能應用的高網(wǎng)絡(luò )帶寬需求，確保高效的數據傳輸和模型部署。

在在人工智能算法的訓練和應用過(guò)程中，大量的數據需要傳輸和處理，而高速、穩定的數據傳輸是保證算法模型能夠正確訓練和快速部署的重要保障，因此近期各大 AI 巨頭對 1.6T 需求較為迫切，早在 2023 年底，就傳出英偉達已在催單，這是因為英偉達即將發(fā)布的超強性能的 B100 對應服務(wù)器網(wǎng)卡升級至 800G，交換機側光模塊升級至 1.6T 且 GPU：1.6T 光模塊配置比例約為 1：2.5。據悉，英偉達的 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)，因此英偉達對 1.6T 光模塊一直有著(zhù)大量需求。同時(shí)，隨著(zhù)谷歌震撼發(fā)布 Gemini 大模型并推出配套系統 TPU v5p，在需求高增長(cháng)的推動(dòng)下，谷歌對 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。

總結與展望

薄膜鈮酸鋰光調制器作為 1.6T 光模塊的核心，說(shuō)它是 1.6T 光模塊最強增量環(huán)節也不為過(guò)。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(méi)有薄膜鈮酸鋰晶體的替代品，所以正如題目所言，薄膜鈮酸鋰光調制器一騎絕塵，為高速光通信奠定了堅實(shí)的基礎。那難道薄膜鈮酸鋰調制器就完美無(wú)缺，沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)嗎？答案當然是否定的。

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

筆者認為，薄膜鈮酸鋰未來(lái)的研發(fā)重心應該是當其應用于更大規模片上系統時(shí)，能同時(shí)提供高速電光控制、低損耗傳輸和可擴展性。此外，基于薄膜鈮酸鋰晶體的大規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)為突破大規模光纖網(wǎng)絡(luò )的通信容量瓶頸以及實(shí)現大規模光電融合提供了有效途徑。

近期，華東師范大學(xué)、上海光機所在薄膜鈮酸鋰襯底上實(shí)現了 4×4 可編程線(xiàn)性光子運算器。該器件在損耗、功耗和運算速度方面顯示出巨大優(yōu)勢。相信在不久的將來(lái)，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。