Mercado de fotónica de silicio: tamaño de la industria global, participación, tendencias, oportunidades y pronóstico, 2018-2028, segmentado por componente (láseres, moduladores, PIC, fotodetectores y guías de onda de pérdida ultrabaja), por aplicación (centro de datos, telecomunicaciones, electrónica de consumo, atención médica, automoción y otros), por guía de onda (400-1500 NM, 1310-1550 NM y 90

Se espera que el mercado de la fotónica de silicio crezca durante el período de pronóstico debido a los rápidos desarrollos en la industria 5G, combinados con el aumento de la demanda de servicios basados en la nube, que brindan una gran cantidad de oportunidades a las empresas que ofrecen productos en el mercado de la fotónica de silicio. A lo largo de los años, los principales actores han mostrado interés en la tecnología de fotónica de silicio. Intel Corporation, Cisco Systems, Inc., IBM Corporation y Juniper Networks, Inc., entre otros actores, han invertido mucho para afirmar su dominio en el creciente mercado de la fotónica de silicio. Sin embargo, incluso con un crecimiento tan enorme, el mercado de la fotónica de silicio enfrenta muchos desafíos, incluidos problemas para adoptar diferentes sistemas de comunicación, riesgo de efectos térmicos y falta de comercialización en el sector de las telecomunicaciones.

La tecnología emergente que transmite datos dentro de los chips de computadora a través de rayos ópticos se llama fotónica de silicio. Existe una oportunidad significativa en el futuro con la fotónica de silicio. Debido a esto, se pueden transferir más datos mientras se usa menos energía y sin ninguna pérdida de señal.

Mercado global de fotónica de silicioimpulsores y tendencias

Aumento de la demanda de comunicación 5G

Se espera que la tecnología de fotónica de silicio cambie por completo la industria de las telecomunicaciones. Hasta ahora, los datos se transmitían en forma de señales eléctricas a través de cables de cobre. Sin embargo, la aparición de tecnologías, como la comunicación 5G que permite velocidades de datos más rápidas, y el rendimiento máximo que permite el cobre pueden actuar potencialmente como un cuello de botella en las velocidades de computación. Por lo tanto, con la fotónica de silicio, se utilizará más silicio estampado para transmitir señales láser que transportan datos y tiene el potencial de permitir que se muevan más datos más rápido y al mismo tiempo se consume menos energía. Además, la fotónica de silicio se puede fabricar fácilmente a la misma escala masiva que las tecnologías actuales basadas en silicio. Además, empresas como Intel Corporation están intensificando su cartera de transceptores fotónicos de silicio de 100G para su uso en aplicaciones 5G e IoT.

Las tecnologías fotónicas de silicio se utilizan principalmente en sistemas y redes de comunicación óptica debido a sus características favorables, como el ancho de banda, la inmunidad a los campos electromagnéticos y la compatibilidad con fibra óptica y la flexibilidad. La fabricación de dispositivos fotónicos mediante procesos compatibles con semiconductores complementarios de óxido de metal (CMOS) ha allanado un nuevo camino para circuitos de bajo costo y espacio reducido, lo que hace que las tecnologías ópticas se encuentren en numerosos segmentos de red y nuevas aplicaciones. 5G reconstruye la unidad de banda base (BBU) 4G, la unidad remota de radio (RRU) y la antena en la unidad centralizada (CU). Por otro lado, la unidad distribuida (DU) y la unidad de antena activa (AAU) garantizan que la red incorpore fronthaul, midhaul y backhaul. Estos cambios han aumentado la demanda de transceptores ópticos para satisfacer los altos requisitos de ancho de banda y distancia asociados con los enlaces críticos en la arquitectura de red 5G.

El creciente número de teléfonos inteligentes y otros dispositivos conectados ha aumentado el tráfico de datos, ya que estos dispositivos transfieren una gran cantidad de datos a través de una red en un momento dado, lo que crea aún más la demanda de 5G por parte de los consumidores finales. Según Telefonaktiebolaget LM Ericsson, un proveedor líder de soluciones de red, se espera que el tráfico mensual de datos móviles globales supere los 100 ExaBytes (EB) para fines de 2023. Además, la necesidad de soluciones de red de alta velocidad de los sectores de la atención médica, la electrónica de consumo y la automoción ha creado una inmensa oportunidad para los proveedores de servicios 5G. Por lo tanto, la creciente demanda de infraestructura 5G tendrá un impacto positivo en el crecimiento del mercado de la fotónica de silicio.

Transmisión de datos a alta velocidad mediante fotónica de silicio

La industria de las telecomunicaciones ha adoptado la tecnología de fibra óptica como una solución mejorada para satisfacer la creciente demanda de velocidades más altas y transmisión de datos de gran capacidad a través de cables eléctricos de cobre. En la actualidad, se transmite y recibe una gran cantidad de datos a través de fibras de larga distancia, lo que ha llevado a la sustitución de los conmutadores eléctricos de alto consumo de energía que requieren conversiones óptico-eléctrico-óptico y causan pérdida de señal. Esto ha llevado a la aparición de conmutadores fotónicos para mejorar la calidad de transmisión y vincular una sola transmisión a decenas y, a veces, miles de servidores.

Además, los conmutadores fotónicos basados en silicio utilizan tecnología CMOS avanzada para atraer una gran atracción de los investigadores como una plataforma poderosa debido a su bajo costo y alta capacidad. Además, el cableado de cobre tradicional está sofocando la evolución del centro de datos y la computación de alto rendimiento (HPC) debido a su lenta capacidad de transferencia de datos. Además, se considera inadecuada para aplicaciones de HPC, centros de datos o para gestionar de forma eficiente volúmenes de datos crecientes. Por otro lado, en el caso de la fotónica de silicio, los datos se transmiten entre chips de ordenador mediante rayos ópticos, que pueden transmitir grandes cantidades de datos en menos tiempo que los conductores eléctricos. Con los avances cada vez mayores en la tecnología de la fotónica de silicio, se prevé que pueda alcanzar una velocidad de transferencia de datos de 1 tbps de forma rentable.

Empresas como Intel Corporation, IBM Corporation y Cisco Systems, Inc. consideran que la fotónica de silicio es una tecnología prometedora que puede cambiar la forma en que los sistemas de los centros de datos intercambian datos y crear equipos de bastidor más eficientes. Por lo tanto, estas empresas están invirtiendo en tecnología. IBM Corporation ha invertido en su tecnología de nanofotónica de silicio, que utiliza luz en lugar de señales eléctricas para transferir datos, lo que permite transferir grandes volúmenes de datos rápidamente entre chips de ordenador en servidores, grandes centros de datos y superordenadores mediante pulsos de luz. Con la integración de chips fotónicos de silicio, se ha vuelto más fácil transferir grandes cantidades de datos (>100 GB) desde largas distancias debido a la fuerte intensidad de la señal. Actualmente, la tecnología fotónica de silicio se utiliza ampliamente en regiones como América del Norte y Europa. Además, a medida que aumenta la demanda de mayor ancho de banda en aplicaciones como los centros de datos, la industria se desplazará hacia la integración vertical para impulsar el proceso de fabricación. Además, se espera que el desarrollo de productos optoelectrónicos sea testigo de un mayor número de actividades de investigación en los próximos años.

Aumento de la implementación de centros de datos

Los centros de datos han sido testigos de un papel crucial en la ingesta, el cálculo, el almacenamiento y la gestión de la información. Sin embargo, muchos centros de datos son torpes, ineficientes y obsoletos. Por lo tanto, para mantenerlos en funcionamiento, los operadores de centros de datos los están actualizando para que se adapten a un mundo en constante cambio. Además, en 2021, Cisco Systems, Inc. afirmó que el tráfico dentro de los centros de datos se triplicará, y que una gran parte se atribuirá a instalaciones de hiperescala como las desarrolladas por actores líderes como Google, Amazon, Facebook, Apple y Microsoft. Los centros de datos de hiperescala se pueden ampliar a prácticamente cualquier tamaño deseado debido a su arquitectura. Estos centros requieren conexiones de alta velocidad para mover datos de suma global entre sus bloques de construcción básicos, como los servidores individuales y su equipo de soporte.

Las velocidades de transmisión de última generación en los centros de datos son en su mayoría de 100 Gb/s. Sin embargo, la industria apunta actualmente a implementar una velocidad de alrededor de 400 Gb/s. También se prevé que esta velocidad aumente en el futuro. La velocidad creciente significa el hecho de que las soluciones de fotónica de silicio podrían avanzar más profundamente en la estructura de comunicaciones fácilmente. Además, la mayor demanda de PIC es para interconexiones de centros de datos (o DCI) en redes de datos y telecomunicaciones, con nuevas aplicaciones en camino, como la tecnología inalámbrica 5G, los sensores automotrices o médicos. El fosfuro de indio (InP) es el más utilizado, pero la fotónica de silicio está creciendo a un ritmo más rápido. La tecnología de fotónica de silicio se está adoptando en conexiones de sistema a sistema en varios centros de datos. Se espera que la tecnología también se traslade entre las secciones de los chips dentro de los servidores.

Mercado global de fotónica de siliciodesafíos

Plataformas de diseño y procesos de fabricación complejos

La fotónica de silicio está ganando rápidamente madurez en la comunicación óptica de alto ancho de banda, con aplicaciones en comunicaciones de datos, redes de acceso y E/S para electrónica de uso intensivo de ancho de banda junto con aplicaciones emergentes en espectroscopia y detección. La integración de la fotónica y la electrónica es necesaria para obtener el rendimiento más óptimo de la fotónica, como lado a lado, apilado o en el mismo chip. Sin embargo, la combinación de fotónica y electrónica puede crear una serie de nuevos problemas en el lado del diseño, como el codiseño y la cosimulación de circuitos fotónicos y electrónicos complejos, algoritmos de verificación que pueden manejar circuitos fotónicos y tolerancia a la variabilidad.

Aún existen desafíos importantes en los procesos de fabricación, plataformas de diseño y diseño de dispositivos específicos para aplicaciones a nivel de sistema. La propuesta de valor fundamental de la fotónica de silicio es que puede aprovechar los procesos de fabricación maduros que utilizan el procesamiento CMOS de menor resolución en comparación con los chips microelectrónicos de última generación actuales. Sin embargo, las técnicas de fabricación existentes para dispositivos electrónicos de alta calidad no necesariamente logran dispositivos ópticos de alta calidad en grandes volúmenes. La integración monolítica de CMOS con fotónica en dispositivos fotónicos de silicio depende en gran medida de las reglas de diseño de los procesos de fabricación específicos, lo que lleva a dispositivos que actualmente deben posprocesarse para lograr un alto rendimiento.

Problemas de empaquetado con dispositivos fotónicos de silicio

El empaquetado juega un papel importante en las implementaciones a nivel de sistema de dispositivos fotónicos de silicio. Para que los dispositivos fotónicos de silicio puedan comercializarse, es necesario que el empaquetado sea rentable y robusto. Para que la fotónica de silicio sea una plataforma viable, es necesario automatizar el empaquetado. Los problemas importantes en el empaquetado son las conexiones ópticas de gran volumen, la estabilidad térmica y el empaquetado adecuado de los componentes electrónicos. La mayoría de los dispositivos fotónicos de silicio comerciales son transceptores. Los acopladores de rejilla suelen proporcionar conexiones ópticas.

La estabilidad térmica también es un problema importante en el empaquetado de los dispositivos fotónicos de silicio. Algunos de estos dispositivos utilizan grandes cambios inducidos térmicamente en el índice de refracción. Los dispositivos deben empaquetarse de forma que las fluctuaciones de temperatura externas no alteren el funcionamiento del dispositivo. Además, las propiedades físicas de la fotónica de silicio, que conducen a esta generación térmica excesiva, son la absorción de dos fotones, un proceso en el que un par electrón-hueco se excita con la ayuda de un par de fotones. Este proceso, sin embargo, genera calor y luz no deseados. Debido a la generación de calor térmico, la tecnología fotónica de silicio se considera una tecnología no ecológica, ya que la contaminación térmica aumenta significativamente la temperatura circundante. Por lo tanto, los envases con refrigeradores termoeléctricos (TEC) son cada vez más comunes. Sin embargo, estos componentes aumentan la potencia general y el costo del dispositivo.\

Segmentos del mercado

El mercado mundial de fotónica de silicio está segmentado en componente, aplicación, guía de ondas, producto, material y región. Según el componente, el mercado está segmentado en láseres, moduladores, PIC, fotodetectores, guías de ondas de pérdida ultrabaja. Según la aplicación, el mercado está segmentado en centros de datos, telecomunicaciones, electrónica de consumo, atención médica, automoción y otros. Según la guía de ondas, el mercado está segmentado en 400-1500 NM, 1310-1550 NM, 900-7000 NM. Según el producto, el mercado está segmentado en transceptores, atenuadores ópticos variables, conmutadores, cables y sensores. Según el material, el mercado está segmentado en silicio o aleaciones a base de silicio, fosfuro de indio y otros. Según la región, el mercado está segmentado en América del Norte, Asia-Pacífico, Europa, América del Sur y Oriente Medio y África.

Actores del mercado