실리콘 광자공학 시장 - 글로벌 산업 규모, 점유율, 추세, 기회 및 예측, 2018-2028, 구성 요소별(레이저, 변조기, PIC, 광 검출기 및 초저손실 도파관), 응용 분야별(데이터 센터, 통신, 가전 제품, 의료, 자동차 및 기타), 도파관별(400-1,500 NM, 1,310-1,550 NM 및 900-7000 NM), 제품별(트랜시버, 가변 광 감쇠기, 스위치, 케이블 및 센서), 재료별(실리콘 또는 실리콘 기반 합금, 인듐 인화물 및 기타), 지역 및 경쟁별

실리콘 광자공학 시장은 5G 산업의 급속한 발전과 클라우드 기반 서비스에 대한 수요 급증으로 인해 예측 기간 동안 성장할 것으로 예상되며, 이는 실리콘 광자공학 시장에서 제품을 제공하는 회사에 수많은 기회를 제공합니다. 수년에 걸쳐 주요 업체는 실리콘 광자공학 기술에 관심을 보였습니다. Intel Corporation, Cisco Systems, Inc., IBM Corporation, Juniper Networks, Inc. 등의 업체는 성장하는 실리콘 광자공학 시장에서 지배력을 확보하기 위해 많은 투자를 했습니다. 그러나 이처럼 엄청난 성장에도 불구하고 실리콘 광자공학 시장은 다양한 통신 시스템 채택 문제, 열 효과 위험, 통신 부문의 상용화 부족 등 많은 어려움에 직면해 있습니다.

광 빔을 통해 컴퓨터 칩 내부에서 데이터를 전송하는 새로운 기술을 실리콘 광자공학이라고 합니다. 실리콘 포토닉스 이후로 미래에는 상당한 기회가 있습니다. 이로 인해 더 적은 전력을 사용하면서 신호 손실 없이 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.

글로벌 실리콘 포토닉스 시장추진 요인 및 추세

5G 통신에 대한 수요 증가

실리콘 포토닉스 기술은 통신 산업을 완전히 바꿀 것으로 예상됩니다. 지금까지 데이터는 구리 배선을 통해 전기 신호 형태로 전송되었습니다. 그러나 더 빠른 데이터 속도를 가능하게 하는 5G 통신과 구리가 허용하는 최대 처리량과 같은 기술의 등장은 잠재적으로 컴퓨팅 속도에 병목 현상을 일으킬 수 있습니다. 따라서 실리콘 포토닉스를 사용하면 더 많은 패턴이 있는 실리콘을 사용하여 데이터를 전송하는 레이저 신호를 전송하고 더 많은 데이터를 더 빠르게 이동시키는 동시에 더 적은 전력을 소모할 수 있는 잠재력을 갖게 됩니다. 게다가 실리콘 포토닉스는 현재 실리콘 기반 기술과 동일한 대량 규모로 쉽게 제조할 수 있습니다. 게다가 Intel Corporation과 같은 회사는 5G 및 IoT 애플리케이션에 사용할 100G 실리콘 광자 트랜시버 포트폴리오를 강화하고 있습니다.

실리콘 광자 기술은 대역폭, 전자기장에 대한 내성, 광섬유와의 호환성 및 유연성과 같은 유리한 특징으로 인해 주로 광 통신 시스템 및 네트워크에 사용됩니다. 보완 금속 산화물 반도체(CMOS) 호환 공정을 통한 광자 소자의 제조는 저비용 및 감소된 풋프린트 회로를 위한 새로운 길을 열었으며, 수많은 네트워크 세그먼트와 새로운 애플리케이션에서 발견되는 광 기술을 만들었습니다. 5G는 4G 베이스밴드 유닛(BBU), 무선 원격 유닛(RRU) 및 안테나를 중앙 유닛(CU)으로 재구성합니다. 반면 분산 유닛(DU) 및 활성 안테나 유닛(AAU)은 네트워크가 프런트홀, 미드홀 및 백홀을 통합하도록 보장합니다. 이러한 변화로 인해 5G 네트워크 아키텍처의 중요 링크와 관련된 고대역폭 및 거리 요구 사항을 충족하기 위한 광 트랜시버에 대한 수요가 증가했습니다.

스마트폰 및 기타 연결 장치의 수가 증가함에 따라 데이터 트래픽이 증가했습니다. 이러한 장치는 특정 시점에 네트워크를 통해 대량의 데이터를 전송하여 최종 소비자의 5G에 대한 수요를 더욱 증가시켰습니다. 선도적인 네트워크 솔루션 공급업체인 Telefonaktiebolaget LM Ericsson에 따르면, 2023년 말까지 월별 글로벌 모바일 데이터 트래픽이 100엑사바이트(EB)를 초과할 것으로 예상됩니다. 또한 의료, 가전 제품 및 자동차 부문의 고속 네트워크 솔루션에 대한 요구로 인해 5G 서비스 공급업체에 엄청난 기회가 생겼습니다. 따라서 5G 인프라에 대한 수요 증가는 실리콘 광자공학 시장 성장에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다.

실리콘 광자공학을 통한 고속 데이터 전송

통신 산업은 전기 구리선을 통한 더 빠른 속도와 대용량 데이터 전송에 대한 급증하는 수요를 충족하기 위한 개선된 솔루션으로 광섬유 기술을 채택했습니다. 현재 엄청난 양의 데이터가 장거리 광섬유를 통해 송수신되고 있으며, 이로 인해 광-전기-광 변환이 필요하고 신호 손실을 유발하는 고전력 소모 전기 스위치가 교체되었습니다. 이로 인해 전송 품질을 개선하고 단일 전송을 수십, 때로는 수천 개의 서버에 연결하는 광자 스위치가 등장했습니다.

게다가 실리콘 기반 광자 스위치는 고급 CMOS 기술을 사용하여 저렴한 비용과 높은 용량으로 인해 강력한 플랫폼으로 연구자들에게 큰 관심을 얻고 있습니다. 게다가 기존 구리 케이블은 느린 데이터 전송 용량으로 인해 데이터 센터 진화와 고성능 컴퓨팅(HPC)을 저해하고 있습니다. 또한 HPC 애플리케이션, 데이터 센터 또는 증가하는 데이터 볼륨을 효율적으로 관리하는 데는 부적절한 것으로 간주됩니다. 반면 실리콘 광자공학의 경우 컴퓨터 칩 간에는 광선을 통해 데이터가 전송되며, 이는 전기 도체보다 짧은 시간에 대량의 데이터를 전송할 수 있습니다. 실리콘 광자공학 기술이 발전함에 따라 비용 효율적인 방식으로 1tbps의 데이터 전송 속도를 실현할 수 있을 것으로 예상됩니다.

Intel Corporation, IBM Corporation, Cisco Systems, Inc.와 같은 회사는 실리콘 광자공학을 데이터 센터 시스템이 데이터를 교환하는 방식을 바꾸고 더 가벼운 랙 장비를 만들 수 있는 유망한 기술로 간주합니다. 따라서 이러한 회사는 기술에 투자하고 있습니다. IBM Corporation은 실리콘 나노 광자공학 기술에 투자했는데, 이는 전기 신호 대신 빛을 사용하여 데이터를 전송하여 빛의 펄스를 통해 서버, 대형 데이터 센터 및 슈퍼컴퓨터의 컴퓨터 칩 간에 방대한 양의 데이터를 빠르게 전송할 수 있게 합니다. 실리콘 광자 칩을 통합하면서 강력한 신호 강도로 인해 장거리에서 대량의 데이터(>100GB)를 전송하기가 더 쉬워졌습니다. 현재 실리콘 광자 기술은 북미와 유럽과 같은 지역에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 또한 데이터 센터와 같은 애플리케이션에서 더 높은 대역폭에 대한 수요가 증가함에 따라 산업은 제조 공정을 주도하기 위해 수직 통합으로 전환될 것입니다. 또한 광전자 제품 개발은 향후 몇 년 동안 연구 활동이 증가할 것으로 예상됩니다.

데이터 센터의 증가하는 배치

데이터 센터는 정보 수집, 계산, 저장 및 관리에서 중요한 역할을 했습니다. 그러나 많은 데이터 센터는 서투르고 비효율적이며 오래되었습니다. 따라서 데이터 센터 운영자는 이를 계속 실행하기 위해 끊임없이 변화하는 세상에 맞게 업그레이드하고 있습니다. 또한, 2021년에 Cisco Systems, Inc.는 데이터 센터 내 트래픽이 3배 증가할 것이며, Google, Amazon, Facebook, Apple, Microsoft를 포함한 선도적인 업체가 개발한 하이퍼스케일 시설에서 많은 점유율이 발생할 것이라고 주장했습니다. 하이퍼스케일 데이터 센터는 아키텍처 덕분에 사실상 원하는 크기로 확장할 수 있습니다. 이러한 센터는 개별 서버와 지원 장비와 같은 기본 구성 요소 간에 일괄 데이터를 이동하기 위해 고속 연결이 필요합니다.

데이터 센터의 최첨단 전송 속도는 대부분 100Gb/s입니다. 그러나 업계는 현재 약 400Gb/s의 속도를 구축하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 속도는 앞으로도 증가할 것으로 예상됩니다. 증가하는 속도는 실리콘 광자 솔루션이 통신 구조로 쉽게 더 깊이 들어갈 수 있다는 사실을 의미합니다. 게다가 PIC에 대한 가장 큰 수요는 데이터 및 통신 네트워크의 데이터 센터 상호 연결(또는 DCI)이며, 5G 무선 기술, 자동차 또는 의료 센서와 같은 새로운 응용 분야가 등장할 것입니다. 인듐 인화물(InP)이 가장 많이 사용되지만 실리콘 광자공학이 더 빠른 속도로 성장하고 있습니다. 실리콘 광자공학 기술은 다양한 데이터 센터에서 시스템 간 연결에 채택되고 있습니다. 이 기술은 서버 내 칩의 섹션 간에서도 더 많이 이동할 것으로 예상됩니다.

글로벌 실리콘 광자공학 시장과제

복잡한 설계 플랫폼 및 제조 공정

실리콘 광자공학은 데이터 통신, 액세스 네트워크 및 대역폭 집약적 전자 장치의 I/O에 적용되고 분광학 및 감지 분야에서 새로운 응용 분야와 함께 고대역폭 광통신 분야에서 빠르게 성숙해지고 있습니다. 광자공학과 전자 장치를 통합하여 광자공학에서 최적의 성능을 얻어야 합니다(예나란히 배치, 스택 또는 동일 칩). 그러나 광자공학과 전자공학의 결합은 복잡한 광자 및 전자 회로의 공동 설계 및 공동 시뮬레이션, 광자 회로를 처리할 수 있는 검증 알고리즘, 변동성에 대한 허용 오차와 같은 설계 측면에서 다양한 새로운 문제를 야기할 수 있습니다.

여전히 시스템 수준 애플리케이션을 위한 제조 공정, 설계 플랫폼 및 특정 장치 설계에는 큰 과제가 있습니다. 실리콘 광자공학의 근본적인 가치 제안은 현재 최첨단 마이크로 전자 칩에 비해 낮은 해상도의 CMOS 처리를 사용하여 성숙한 제조 공정을 활용할 수 있다는 것입니다. 그러나 고품질 전자 장치를 위한 기존 제조 기술은 반드시 대량으로 고품질 광학 장치를 실현하지는 못합니다. 실리콘 광자 장치에서 CMOS와 광자의 모놀리식 통합은 특정 제조 공정의 설계 규칙에 크게 의존하여 현재 고수율을 달성하기 위해 후처리해야 하는 장치로 이어집니다.

실리콘 광자공학 장치의 패키징 문제

패키징은 실리콘 광자공학 장치의 시스템 수준 구현에서 중요한 역할을 합니다. 실리콘 광자 소자가 시장성을 갖추려면 비용 효율적이고 견고한 패키징이 필요합니다. 실리콘 광자 소자가 실행 가능한 플랫폼이 되려면 패키징 자동화가 필요합니다. 패키징의 중대한 문제는 대량 광 연결, 열 안정성 및 전자 부품의 적절한 패키징입니다. 대부분의 상업용 실리콘 광자 소자는 트랜시버입니다. 그레이팅 커플러는 일반적으로 광 연결을 제공합니다.

열 안정성은 실리콘 광자 소자의 패키징에서도 중대한 문제입니다. 이러한 소자 중 일부는 굴절률에서 열적으로 유도된 큰 변화를 사용합니다. 소자는 외부 온도 변동이 소자의 작동을 변경하지 않도록 패키징해야 합니다. 게다가 이러한 과도한 열 생성으로 이어지는 실리콘 광자 소자의 물리적 특성은 2광자 흡수로, 전자-홀 쌍이 한 쌍의 광자의 도움으로 여기되는 과정입니다. 그러나 이 과정은 원치 않는 열과 빛을 생성합니다. 열 발생으로 인해 실리콘 광자 소자 기술은 열 오염으로 인해 주변 온도가 크게 상승하기 때문에 비친환경 기술로 간주됩니다. 따라서 열 전기 냉각기(TEC)를 사용한 패키징이 점점 더 일반화되고 있습니다. 그러나 이러한 구성 요소는 장치의 전체 전력과 비용을 증가시킵니다.\

시장 세그먼트

글로벌 실리콘 광자공학 시장은 구성 요소, 응용 분야, 도파관, 제품, 재료 및 지역으로 세분화됩니다. 구성 요소를 기준으로 시장은 레이저, 변조기, PIC, 광 검출기, 초저손실 도파관으로 세분화됩니다. 응용 분야를 기준으로 시장은 데이터 센터, 통신, 가전 제품, 의료, 자동차 및 기타로 세분화됩니다. 도파관을 기준으로 시장은 400-1,500 NM, 1,310-1,550 NM, 900-7000 NM으로 세분화됩니다. 제품을 기준으로 시장은 트랜시버, 가변 광 감쇠기, 스위치, 케이블, 센서로 세분화됩니다. 재료를 기준으로 시장은 실리콘 또는 실리콘 기반 합금, 인듐 인화물 및 기타로 세분화됩니다. 지역은 북미, 아시아 태평양, 유럽, 남미, 중동 및 아프리카로 세분화됩니다.

시장 참여자