Рынок кремниевой фотоники — глобальный размер отрасли, доля, тенденции, возможности и прогноз на 2018–2028 гг., сегментированный по компонентам (лазеры, модуляторы, ФИС, фотодетекторы и волноводы со сверхнизкими потерями), по применению (центры обработки данных, телекоммуникации, бытовая электроника, здравоохранение, автомобилестроение и др.), по волноводу (400–1500 нм, 1310–1550 нм и 900–7000 нм)

Ожидается, что рынок кремниевой фотоники будет расти в течение прогнозируемого периода из-за быстрого развития отрасли 5G в сочетании с резким ростом спроса на облачные сервисы, которые предоставляют множество возможностей компаниям, предлагающим продукцию на рынке кремниевой фотоники. За прошедшие годы основные игроки проявили интерес к технологии кремниевой фотоники. Корпорация Intel, Cisco Systems, Inc., корпорация IBM и Juniper Networks, Inc., среди прочих игроков, вложили значительные средства, чтобы утвердить свое доминирование на растущем рынке кремниевой фотоники. Однако даже при таком огромном росте рынок кремниевой фотоники сталкивается со многими проблемами, включая проблемы с принятием различных систем связи, риск тепловых эффектов и отсутствие коммерциализации в секторе телекоммуникаций.

Новая технология, которая передает данные внутри компьютерных чипов с помощью оптических лучей, называется кремниевой фотоникой. В будущем появятся значительные возможности, поскольку кремниевая фотоника. Благодаря этому можно передавать больше данных, потребляя меньше энергии и без потери сигнала.

Глобальный рынок кремниевой фотоникидрайверы и тенденции

Растущий спрос на связь 5G

Ожидается, что технология кремниевой фотоники полностью изменит телекоммуникационную отрасль. До сих пор данные передавались в виде электрических сигналов по медным проводам. Однако появление технологий, таких как связь 5G, которая обеспечивает более высокую скорость передачи данных, и максимальная пропускная способность, которую обеспечивает медь, могут потенциально стать узким местом для скорости вычислений. Следовательно, с кремниевой фотоникой более структурированный кремний будет использоваться для передачи лазерных сигналов, несущих данные, и нести потенциал, позволяющий быстрее перемещать больше данных, потребляя при этом меньше энергии. Более того, кремниевую фотонику можно легко производить в тех же массовых масштабах, что и текущие технологии на основе кремния. Более того, такие компании, как Intel Corporation, усиливают свой портфель 100G кремниевых фотонных трансиверов для использования в приложениях 5G и IoT.

Кремниевые фотонные технологии в основном используются в оптических системах связи и сетях из-за их благоприятных характеристик, таких как пропускная способность, устойчивость к электромагнитным полям, совместимость с оптоволокном и гибкость. Изготовление фотонных устройств с помощью совместимых с комплементарными металл-оксид-полупроводниками (КМОП) процессов проложило новый путь для недорогих и компактных схем, сделав оптические технологии доступными для многочисленных сетевых сегментов и новых приложений. 5G перестраивает блок базовой полосы 4G (BBU), удаленный радиоблок (RRU) и антенну в централизованный блок (CU). С другой стороны, распределенный блок (DU) и активный антенный блок (AAU) гарантируют, что сеть будет включать fronthaul, midhaul и backhaul. Эти изменения увеличили спрос на оптические трансиверы для удовлетворения требований высокой пропускной способности и расстояния, связанных с критическими соединениями в архитектуре сети 5G.

Растущее количество смартфонов и других подключенных устройств увеличило трафик данных, поскольку эти устройства передают большие объемы данных по сети в определенный момент времени, что еще больше создает спрос на 5G со стороны конечных потребителей. По данным Telefonaktiebolaget LM Ericsson, ведущего поставщика сетевых решений, ожидается, что ежемесячный глобальный мобильный трафик данных превысит 100 экзабайт (ЭБ) к концу 2023 года. Кроме того, потребность в высокоскоростных сетевых решениях со стороны секторов здравоохранения, бытовой электроники и автомобилестроения создала огромные возможности для поставщиков услуг 5G. Следовательно, растущий спрос на инфраструктуру 5G окажет положительное влияние на рост рынка кремниевой фотоники.

Высокоскоростная передача данных с помощью кремниевой фотоники

Телекоммуникационная отрасль приняла волоконно-оптическую технологию в качестве улучшенного решения для удовлетворения растущего спроса на более высокие скорости и передачу данных большой емкости по электрическим медным проводам. В настоящее время огромный объем данных передается и принимается по дальним волокнам, что привело к замене энергоемких электрических коммутаторов, которые требуют оптико-электро-оптических преобразований и вызывают потерю сигнала. Это привело к появлению фотонных коммутаторов для улучшения качества передачи и связывания одной передачи с десятками, а иногда и тысячами серверов.

Более того, фотонные коммутаторы на основе кремния используют передовую технологию КМОП, чтобы привлечь огромное внимание исследователей как мощная платформа из-за их низкой стоимости и высокой емкости. Более того, традиционные медные кабели душат развитие центров обработки данных и высокопроизводительных вычислений (HPC) из-за своей медленной пропускной способности передачи данных. Более того, она считается неподходящей для приложений HPC, центров обработки данных или эффективного управления растущими объемами данных. С другой стороны, в случае кремниевой фотоники данные передаются между компьютерными чипами с помощью оптических лучей, которые могут передавать большие объемы данных за более короткое время, чем электрические проводники. С ростом достижений в технологии кремниевой фотоники ожидается, что она сможет реализовать скорость передачи данных в 1 ТБ/с экономически эффективным способом.

Такие компании, как Intel Corporation, IBM Corporation и Cisco Systems, Inc. рассматривают кремниевую фотонику как многообещающую технологию, которая может изменить способ обмена данными в системах центров обработки данных и создать более экономичное стоечное оборудование. Поэтому эти компании инвестируют в технологии. Корпорация IBM инвестировала в свою технологию кремниевой нанофотоники, которая использует свет вместо электрических сигналов для передачи данных, что позволяет быстро передавать огромные объемы данных между компьютерными чипами на серверах, крупных центрах обработки данных и суперкомпьютерах с помощью импульсов света. Благодаря интеграции кремниевых фотонных чипов стало проще передавать большие объемы данных (>100 ГБ) на большие расстояния из-за сильного сигнала. В настоящее время технология кремниевой фотоники широко используется в таких регионах, как Северная Америка и Европа. Кроме того, поскольку спрос на более высокую пропускную способность в таких приложениях, как центры обработки данных, увеличивается, отрасль будет переходить к вертикальной интеграции для управления производственным процессом. Кроме того, ожидается, что в ближайшие годы разработка оптоэлектронной продукции станет свидетелем увеличения числа исследовательских работ.

Растущее развертывание центров обработки данных

Центры обработки данных стали свидетелями решающей роли в приеме, вычислении, хранении и управлении информацией. Однако многие центры обработки данных неуклюжи, неэффективны и устарели. Поэтому, чтобы поддерживать их работоспособность, операторы центров обработки данных модернизируют их, чтобы соответствовать постоянно меняющемуся миру. Кроме того, в 2021 году Cisco Systems, Inc. заявила, что трафик в центрах обработки данных увеличится в три раза, причем большая доля будет приходиться на гипермасштабные объекты, такие как те, которые разработаны ведущими игроками, включая Google, Amazon, Facebook, Apple и Microsoft. Гипермасштабные центры обработки данных могут быть расширены практически до любого желаемого размера благодаря своей архитектуре. Этим центрам требуются высокоскоростные соединения для перемещения единовременных данных между их основными строительными блоками, такими как отдельные серверы и их вспомогательное оборудование.

Современные скорости передачи данных в центрах обработки данных в основном составляют 100 Гбит/с. Однако в настоящее время отрасль стремится развернуть скорость около 400 Гбит/с. Ожидается, что эта скорость также увеличится в будущем. Растущая скорость означает, что решения на основе кремниевой фотоники смогут легко проникать глубже в структуру связи. Более того, наибольший объем спроса на PIC приходится на межсоединения центров обработки данных (или DCI) в сетях передачи данных и телекоммуникаций, с появлением новых приложений, таких как беспроводная технология 5G, автомобильные или медицинские датчики. Фосфид индия (InP) является наиболее используемым, но кремниевая фотоника развивается более быстрыми темпами. Технология кремниевой фотоники внедряется в соединениях между системами в различных центрах обработки данных. Ожидается, что эта технология также будет перемещаться между секциями на чипах в серверах.

Глобальный рынок кремниевой фотоникипроблемы

Сложные платформы проектирования и процессы изготовления

Кремниевая фотоника быстро набирает зрелость в области оптической связи с высокой пропускной способностью, с приложениями в области передачи данных, сетей доступа и ввода-вывода для электроники с высокой пропускной способностью, а также новыми приложениями в области спектроскопии и зондирования. Интеграция фотоники и электроники необходима для получения наиболее оптимальной производительности фотоники, например, бок о бок, в стопке или на одном чипе. Однако сочетание фотоники и электроники может создать ряд новых проблем со стороны проектирования, таких как кодовое проектирование и совместное моделирование сложных фотонных и электронных схем, алгоритмы проверки, которые могут обрабатывать фотонные схемы, и устойчивость к изменчивости.

Все еще существуют серьезные проблемы в процессах изготовления, платформах проектирования и проектировании конкретных устройств для приложений системного уровня. Фундаментальное ценностное предложение кремниевой фотоники заключается в том, что она может использовать зрелые процессы изготовления с использованием обработки КМОП с более низким разрешением по сравнению с современными микроэлектронными чипами. Однако существующие методы изготовления высококачественных электронных устройств не обязательно реализуют высококачественные оптические устройства в больших объемах. Монолитная интеграция КМОП с фотоникой в кремниевых фотонных устройствах сильно зависит от правил проектирования конкретных производственных процессов, что приводит к устройствам, которые в настоящее время должны проходить постобработку для достижения высокого выхода.

Проблемы упаковки кремниевых фотонных устройств

Упаковка играет важную роль в системных реализациях кремниевых фотонных устройств. Для того чтобы кремниевые фотонные устройства были востребованы на рынке, требуется экономически эффективная и прочная упаковка. Чтобы кремниевая фотоника стала жизнеспособной платформой, требуется автоматизация упаковки. Существенными проблемами при упаковке являются оптические соединения большого объема, термостойкость и правильная упаковка электронных компонентов. Большинство коммерческих кремниевых фотонных устройств являются приемопередатчиками. Решетчатые соединители обычно обеспечивают оптические соединения,

Термическая стабильность также является важной проблемой при упаковке кремниевых фотонных устройств. Некоторые из этих устройств используют большие термически вызванные изменения показателя преломления. Устройства должны быть упакованы таким образом, чтобы внешние температурные колебания не влияли на работу устройства. Более того, физические свойства кремниевой фотоники, которые приводят к этой избыточной тепловой генерации, представляют собой двухфотонное поглощение, процесс, в котором пара электрон-дырка возбуждается с помощью пары фотонов. Однако этот процесс генерирует нежелательное тепло и свет. Из-за тепловой генерации тепла технология кремниевой фотоники считается неэкологичной технологией, поскольку тепловое загрязнение значительно увеличивает окружающую температуру. Поэтому упаковка с термоэлектрическими охладителями (TEC) становится все более распространенной. Однако эти компоненты увеличивают общую мощность и стоимость устройства.\

Сегменты рынка

Глобальный рынок кремниевой фотоники сегментирован на компонент, приложение, волновод, продукт, материал и регион. На основе компонента рынок сегментирован на лазеры, модуляторы, ФИС, фотодетекторы, волноводы со сверхнизкими потерями. На основе приложения рынок сегментирован на центры обработки данных, телекоммуникации, бытовую электронику, здравоохранение, автомобилестроение и другие. На основе волновода рынок сегментирован на 400-1500 НМ, 1310-1550 НМ, 900-7000 НМ. На основе продукта рынок сегментирован на трансиверы, переменные оптические аттенюаторы, переключатели, кабели, датчики. На основе материала рынок сегментирован на кремний или сплавы на основе кремния, фосфид индия и другие. По регионам рынок сегментирован на Северную Америку, Азиатско-Тихоокеанский регион, Европу, Южную Америку, Ближний Восток и Африку.

Игроки рынка