Визначення лазерного чіпа
Оптичні чіпи є основними компонентами, які реалізують взаємне перетворення носіїв фотоелектричної енергії. Вони широко використовуються в оптичних з'єднувальних продуктах і в основному поділяються на лазерні мікросхеми та фотодетекторні мікросхеми. Серед них лазерний чіп – це активний напівпровідниковий компонент, який перетворює електричну енергію на високо-потужні, високо-монохроматичні світлові промені на основі принципу стимульованого випромінювання.
На передавальному кінці систем оптичного зв’язку лазерні чіпи є ключовим джерелом світла, яке передає інформацію. Вони незамінні і займають центральне місце в галузі оптичних мікросхем. За методом модуляції лазерні мікросхеми можна розділити на пряму модуляцію, інтегровану модуляцію та зовнішню модуляцію. З точки зору матеріальних систем лазерні чіпи в основному поділяються на фосфід індію (InP) і арсенід галію (GaAs). Крім того, за світловипромінювальною-структурою їх можна розділити на поверхневі-випромінювальні та крайові-випромінювальні структури.
Промисловий ланцюжок розподілу лазерних чіпів на ринку оптичного з’єднання
Лазерні мікросхеми знаходяться на початку ланцюга промислового оптичного з’єднання та є важливою ланкою в усьому ланцюжку промисловості з високими технічними бар’єрами та складними процесами. Як «серце» системи оптичного зв’язку продуктивність лазерного чіпа безпосередньо визначає швидкість передачі та енергоефективність оптичних пристроїв, оптичних модулів і навіть усієї системи оптичного зв’язку.
Як основний носій оптичних комунікаційних систем, продукти оптичного з’єднання мають очевидні відмінності в структурі вартості апаратного забезпечення (BOM) залежно від технологічного шляху. Беручи як приклад не-кремнієві оптичні оптичні модулі, структура вартості апаратного забезпечення в основному включає чотири основні сегменти: оптичні чіпи, електричні чіпи, пасивні оптичні пристрої, друковані плати та механічні компоненти. Для кремнієвих фотонних сполучних продуктів структура BOM була структурно реконструйована. Оригінальний дискретний модулятор і велика кількість пасивних оптичних пристроїв інтегровані в кремнієвий фотонний чіп (PIC), тоді як друкована плата та механічні компоненти значно спрощені.
У цей час BOM зосереджується на двох ядрах «кремнієвих фотонних чіпів» і «лазерів». Лазерні чіпи займають важливе місце в ланцюжку створення вартості, оскільки вони безпосередньо впливають на перетворення фотоелектричного сигналу та якість передачі сигналу, незалежно від того, чи використовують-розроблене раніше рішення EML чи новий кремнієвий оптичний тракт.
Основні типи лазерних мікросхем
Будучи основним пристроєм фотоелектричного перетворення, лазерні мікросхеми в основному поділяються на п’ять категорій на основі відмінностей у системах матеріалів, фізичних структурах і методах модуляції, включаючи DFB, EML, CW, VCSEL і FP, кожна з яких має певні технічні переваги та сценарії застосування.
Фон розвитку ринку лазерних чіпів
Значне зростання індустрії лазерних чіпів головним чином зумовлено такими сприятливими факторами, як вибухове зростання ринку оптичних з’єднань, швидке застосування нових технологій, таких як кремнієва фотоніка в оптичних з’єднаннях, і зростаючий попит на високо-продуктивні оптичні з’єднання з боку кінцевих клієнтів. Будучи незамінним основним компонентом рішень для оптичних з’єднань, лазерні чіпи безпосередньо отримують вигоду від цих тенденцій, тим самим прискорюючи свій власний розвиток.
У 2024 році світовий ринок лазерних чіпів сягне 2,6 мільярда доларів США та, як очікується, зросте до 22,9 мільярда доларів США у 2030 році із загальним річним темпом зростання 44,1%. Існують об’єктивні обмеження в розвитку індустрії лазерних чіпів, зокрема тривалі цикли розширення виробничих потужностей, високі технічні бар’єри та зосереджені виробничі потужності-вищого класу, обмежені основні матеріали та обладнання в короткостроковій та середньостроковій перспективі, а також незбалансована модель ланцюжка поставок. Він не може повністю задовольнити стрімко зростаючі потреби нижнього ринку. На ринку в цілому дефіцит. Це особливо очевидно в лазерних чіпах EML і лазерних чіпах CW, які використовуються для високошвидкісних оптичних з’єднань.
Основні сценарії застосування лазерних мікросхем
Лазерні мікросхеми в основному використовуються в продуктах оптичного з’єднання, а сценарії застосування терміналів дуже схожі на сценарії застосування рішень для оптичних з’єднань, які вони підтримують. Відповідно до різних сценаріїв застосування терміналів, ринок лазерних чіпів можна розділити на ринок лазерних чіпів для центрів обробки даних і ринок лазерних чіпів для телекомунікацій. Серед них ринок лазерних мікросхем центрів обробки даних займає абсолютну ринкову позицію. Розмір ринку досягне 1,6 мільярда доларів США у 2024 році та, як очікується, зросте до 21,1 мільярда доларів США у 2030 році із загальним річним темпом зростання 53,4%.
Ринки лазерних чіпів для центрів обробки даних і телекомунікаційних лазерних чіпів представляють диференційований технологічний ландшафт. Ринок лазерних чіпів центрів обробки даних характеризується дво{1}}привідною технологією лазерних чіпів EML і CW: лазерні чіпи EML, як рішення ранньої розробки, широко використовуються в продуктах оптичного з’єднання 400G і вище. В останні роки кремнієві фотонні рішення з перевагами високої інтеграції та низької вартості стали високошвидкісним-напрямком еволюції, що потребує високо-потужних лазерних чіпів CW.
У телекомунікаціях лазерні чіпи-з крайнім випромінюванням продовжують домінувати, головним чином завдяки їхній здатності відповідати суворим вимогам до продуктивності. Зокрема, лазерні чіпи DFB широко використовуються на коротких- і середніх-відстанях, таких як 5G передній доступ і оптоволоконний доступ. Навпаки, лазерні чіпи EML долають дисперсійні обмеження через низький чирп і високий коефіцієнт затухання, таким чином займаючи домінуючу позицію в-високо-швидкісних вузлах на великій відстані, таких як магістральні мережі та високо-швидкісний доступ до оптоволокна.
Лазерні мікросхеми EML і лазерні мікросхеми CW домінують на ринку, і їх значення продовжує зростати
У 2024 році загальний розмір ринку лазерних мікросхем EML і лазерних мікросхем CW досягне 970 мільйонів доларів США, що становитиме приблизно 38,1% ринку. Очікується, що в майбутньому дохід від цих продуктів зберігатиме високі темпи зростання, а частка ринку продовжить збільшуватися. Очікується, що до 2030 року загальний дохід досягне 20,80 мільярдів доларів США із загальним річним темпом зростання 66,6% і часткою ринку 90,9%.
Лазерний чіп EML
Лазерні мікросхеми EML в основному включають 50G/100G/200G та інші специфікації відповідно до швидкості передачі даних від низької до високої, а ядро адаптується до продуктів оптичного з’єднання від 100G до 1,6T. Наразі лазерні мікросхеми 100G EML є основними продуктами та широко використовуються в основних високошвидкісних продуктах для оптичних з’єднань, таких як оптичні модулі 400G і 800G. Оскільки 1,6T і вище-швидкісні оптичні з’єднувальні продукти послідовно вводяться в експлуатацію, лазерні мікросхеми 200G EML, як відповідний вибір лазерних мікросхем, започаткують швидке зростання.
CW лазерний чіп
Розробка лазерних чіпів CW в основному виграє від застосування технології кремнієвої фотоніки. У кремнієвих фотонних рішеннях лазерні чіпи CW служать зовнішніми/гетерогенними інтегрованими джерелами світла та використовуються в поєднанні з кремнієвими фотонними модуляторами для реалізації функцій перетворення фотоелектричного сигналу та модуляції кремнієвих фотонних сполучних продуктів. Серед високошвидкісних-оптичних з’єднувальних продуктів широко використовуються кремнієві фотонні рішення та лазерні мікросхеми CW завдяки їхнім чудовим перевагам-економічної ефективності.
У поточних основних кремнієвих фотонних високошвидкісних оптичних з’єднувальних продуктах 400G, 800G і навіть 1,6T основні чіпи CW лазерів, що використовуються, включають моделі потужності 50mW, 70mW, 100mW та інші. Крім того, завдяки новим технологіям, таким як NPO та CPO, високо-потужні лазерні мікросхеми CW, включаючи моделі потужністю 150 мВт, 300 мВт і 400 мВт, поступово включаються в комерційну розробку оптичних міжсистемних продуктів наступного-покоління. Очікується, що з 2025 по 2030 рік попит на лазерні чіпи CW потужністю понад 100 мВт різко зросте. Очікується, що до 2030 року обсяг ринку лазерних чіпів CW потужністю понад 100 мВт досягне 6,6 мільярдів доларів США, що становитиме 65,3% ринку.
Рушійні чинники розвитку галузі лазерних мікросхем і майбутні тенденції розвитку
. Попит продовжує зростати та підтримувати швидке зростання. Розвиток навчальних кластерів штучного інтелекту спричинив різке зростання попиту на обчислювальну потужність і високо-швидкісну передачу даних, спричинивши експоненційне зростання попиту на високошвидкісні-продукти оптичного сполучення. Ринковий попит на лазерні чіпи, які є основним компонентом оптичних міжсистемних продуктів, швидко зростає.
. Лазерний чіп EML і двоколісний-лазерний чіп CW. З одного боку, лазерні чіпи EML стали важливим рішенням для досягнення швидкості 100G/200G на одній довжині хвилі через їхню високу пропускну здатність, низьку дисперсію та переваги передачі на великі-відстані, і широко використовуються у високошвидкісних-модулях 400G, 800G і навіть 1,6T. З іншого боку, на шляху нових технологій кремнієвої фотоніки лазерні чіпи CW у поєднанні з кремнієвими фотонними модуляторами поступово стають ключовим пристроєм, що підтримує нове покоління оптичних з’єднувальних продуктів і над{12}}високо{13}}мереж центрів обробки даних завдяки їх високій інтеграції, низькому{14}}потенціалу витрат і ідеальній адаптованості до передових-країв архітектури, такі як CPO.
. Продукти розвиваються в напрямку підвищення продуктивності, а вартість одиничних виробів продовжує зростати. Оскільки продукти оптичного з’єднання продовжують розвиватися в бік вищих швидкостей, а нові технології інтеграції досліджуються та застосовуються, до продуктивності лазерних чіпів пред’являються більш високі вимоги. Беручи як приклад рішення EML, високі швидкості передачі зазвичай вимагають високої продуктивності та кількості лазерних чіпів на одиницю оптичного з’єднувального продукту, що підвищує цінність лазерних чіпів на одиницю оптичного з’єднувального продукту.
Незважаючи на те, що технологія кремнієвого світла зменшує вартість компонента модуляції через процес CMOS, для того, щоб керувати вищою-швидкісною кремнієвою світловою системою та ефективно компенсувати складні втрати оптичного шляху на-чіпі, оптичний модуль має бути оснащено потужнішим-монохроматичним{3}}монохроматичним лазерним чіпом як зовнішнім джерелом непрозорого світла. Крім того, у міру того як галузь розвивається до технологій інтеграції наступного-покоління, таких як NPO та CPO, попит на лазерні чіпи зазнає фундаментальних змін, і очікується, що вартість лазерних чіпів у загальній вартості обладнання ще зросте.
. Диверсифікація ланцюга поставок. Розширення глобальної обчислювальної інфраструктури на основі штучного інтелекту висуває значні вимоги до масштабу, стабільності та своєчасності ланцюжка поставок, створюючи стратегічні можливості для високоякісних виробників лазерних мікросхем. Важливо те, що виробники з розширеними технічними можливостями (зокрема, епітаксійне зростання, високо-точне гратчасте травлення) і перевагами в операційній ефективності та можливостях швидкого реагування можуть краще відповідати суворим вимогам, приєднатися до основного міжнародного ланцюга постачання, побудувати різноманітну глобальну мережу постачання та отримати значну частку міжнародного ринку. Особливо варто відзначити, що все більше і більше виробників лазерних чіпів впроваджують стратегії глобалізації, розташовуючи свої виробничі бази поблизу виробників оптичних з’єднань або кінцевих споживачів, створюючи таким чином більш стійку та диверсифіковану глобальну мережу поставок.
Структура собівартості лазерного чіпа
У структурі собівартості лазерних чіпів переважають витрати на виробництво, прямі витрати на оплату праці та витрати на матеріали. Матеріальні витрати в основному включають підкладки, золоті мішені, спеціальні гази та хімікати тощо, залежно від різних продуктів, і зазвичай складають від 10% до 20% від загальної вартості. В даний час матеріалами підкладки лазерних мікросхем є переважно InP і GaAs. Серед них ціни на InP продовжували зростати протягом останніх кількох років через зростання цін на матеріали та інші наслідки. Завдяки відносно простому процесу виробництва GaAs, ціна поступово знизилася з оптимізацією процесу та ітерацією технології.
Бар'єри конкуренції лазерних мікросхем
.Ноу-виробництво. Виробництво лазерних чіпів значною мірою залежить від передових основних процесів, таких як епітаксійне зростання, високо-точне гратчасте травлення та складна конструкція високо-швидкісної модуляції. З огляду на дефіцит ливарних цехів із повно-можливостями технологічного виробництва, більшість постачальників лазерних чіпів повинні працювати за моделлю IDM, яка висуває надзвичайно високі вимоги до абсолютного контролю постачальників над усім виробничим процесом і здатності накопичувати глибокі галузеві ноу-хау. Крім того, швидка ітерація оптичних з’єднувальних продуктів нижнього рівня спонукала до безперервних технологічних інновацій на рівні мікросхем. Таким чином, виробники повинні мати запатентовану технологію для швидкого просування досліджень і розробок до масового виробництва, постійно оптимізувати параметри процесу та підтримувати стабільні та високі показники продуктивності для забезпечення надійності продукції.
.Довіра клієнтів і співпраця. Ринок оптичного з’єднання характеризується надзвичайно суворим і тривалим процесом сертифікації. Високі витрати на комутацію, викликані провідними рішеннями для оптичного з’єднання та постачальниками хмарних послуг, створюють непереборні бар’єри для нових учасників. Однак для постачальників, які успішно вступають на ринок, ці характеристики сприяють міцним відносинам, які рідко змінюються. Встановлюючи довгострокові-надійні партнерства з лідерами галузі, виробники лазерних чіпів можуть глибоко інтегруватися в глобальний ланцюжок поставок і отримати важливу ранню інформацію, оскільки архітектура ШІ та центрів обробки даних продовжує розвиватися.
. Дослідження та розробки. Технологія індустрії оптичних з’єднань швидко розвивається, що вимагає від виробників лазерних чіпів передового плану-перспективного планування та можливостей систематичних досліджень і розробок. Провідні компанії зазвичай планують наперед дослідження та розробку основних технологій, щоб продовжувати задовольняти потреби подальшого оновлення продуктів. Виробники лазерних мікросхем із такими систематичними-орієнтованими на перспективу науково-дослідницькими можливостями можуть не лише підтримувати провідні темпи технологічних ітерацій, але й створювати технічні бар’єри, які важко відтворити в галузі, і продовжувати лідирувати в продуктивності та надійності продукції.
. Можливості управління ланцюгом поставок. Динамічний характер ринку оптичних з’єднань висуває надзвичайно високі вимоги до управління ланцюгом постачання та операційної гнучкості. Виробники повинні мати можливість гнучко розширювати виробництво, оптимізувати розподіл ресурсів і відповідати суворим циклам доставки клієнтів. Зріла та надійна система ланцюга постачання має вирішальне значення для усунення ризиків, пов’язаних із швидкою ітерацією ринку та різкими коливаннями замовлень. Створюючи міцну мережу постачання та підтримуючи стабільність виробничих потужностей, виробники лазерних мікросхем можуть досягти економії за рахунок масштабу виробництва, відповідати суворим вимогам до доставки та підтримувати стійкі переваги у витратах на жорсткій конкуренції на світовому ринку.
Для отримання додаткових галузевих досліджень та аналізу відвідайте офіційний веб-сайт Інституту промислових досліджень Sihan. У той же час Інститут промислових досліджень Сіхана також надає звіти про галузеві дослідження, звіти про техніко-економічне обґрунтування (схвалення та подання проекту, банківські позики, інвестиційні рішення, групові зустрічі), промислове планування, планування парків, бізнес-плани (фінансування акціонерного капіталу, інвестиції та спільні підприємства, прийняття-внутрішніх рішень), спеціальні опитування, архітектурне проектування, звіти про закордонні інвестиції та інші відповідні консультаційні рішення.
