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硅光技术经过多年发展，已经进入产业化阶段，在电信和数据中心市场实现小批量应用。
硅光技术基于波导理论等基础理论，随着材料科技和设计工艺的持续突破，产业链已进入产业化阶段，在数据中心短距离100g光模块、电信长距离相干光模块等领域实现小批量。产业链形成类似半导体的格局，有设计-生产-封测一体化的idm模式（代表性厂商为intel），也有fabless模式（设计和封测厂商有luxtera、acacia、siphotonics、光迅科技等；代工厂商有global foundries、意法半导体、台积电等）。
硅光技术理论上具备成本优势，但由于工艺成熟度和良率仍待提升，实际成本优势并未体现，传统工艺成本也在持续优化，形成硅光与传统分立光模块同场竞技的市场格局。
硅光技术在psm4模块能够节省较多芯片成本，其他产品上只是集成度有所优化，成本优势有限。同时，硅光技术在封装环节仍有技术难点需要突破，产品良率不及传统模块厂商，进一步影响成本优势。目前硅光模块相对传统分立光模块并未体现明显成本优势，下游客户仍需较长认证和认可周期，传统分立光模块份额优势明显，成本持续优化，未来仍将保持可观市场空间。
光通信传统应用领域稳步增长，硅光技术在其中有望分享部分份额，成为硅光产业链发展的基础。
目前光模块主要应用领域为电信和数据中心信息传输。受益流量持续高速增长，以及5g密集组网等新需求的显现，光通信领域对光模块的需求量稳步增长，同时光模块处于10g向100g、100g向400g升级的迭代周期，高速产品价值量不断提升，推动整体光模块市场规模持续增长。硅光技术作为逐步成熟的高集成度技术方案，在光通信市场逐渐获得一定市场份额，光通信市场为硅光产业链发展壮大提供了良好的基础。
但为实现cmos工艺的规模效应，消费电子、智能驾驶、量子通信等消费类需求将是硅光长期重要发展空间。
相比半导体千亿美元的市场，光通信100亿美元的市场空间和10亿美元级别的芯片市场空间远远不能体现硅光cmos工艺的成本优势。但硅光的高集成度非常契合消费类应用场景，在结构光面部识别、车载激光雷达、量子通信等领域有广阔应用空间，相关技术和产品方案已经逐步推出，期待消费类需求最终落地。
投资建议
国内数通硅光发展迅猛： 光纤光缆龙头 亨通光电（600487） 子公司亨通洛克利100g硅光芯片落地，光模块18年底有望量产；
传统数通厂商中长距离仍有显著优势： 数通光模块龙头 中际旭创（300308） 聚焦2km中长距离产品，受硅光竞争较小，坚定看好公司长期发展前景。
电信长距离核心技术突破： 光模块龙头 光迅科技（002281） 已经成功推出100g相干硅光芯片，产业化进程迅速推进；波分龙头 博创科技（300548） 子公司上海圭博承担“上海硅光市级重大项目”产业化建设，同时布局硅光产品研发。
风险提示
技术研发风险、贸易战超预期、运营商资本开支低于预期
报告正文
1.?硅光技术逐步成熟，芯片工艺瓶颈突破，封装仍待提升
硅光技术已经进入产业化阶段，intel、luxtera、acacia、光迅、rockley等企业先后推出芯片级、模块级产品，并逐步实现小批量商用出货。芯片技术需要长时间的迭代试错，随着产业链多年的研发，硅光技术积累达到质变的水平，硅光技术站上规模商用的起跑线。
1.1. 硅光技术进入商用阶段，产业链逐步成熟
硅光技术基于1985年左右提出的波导理论，2005-2006年前后开始逐步从理论向产业化发展，luxtera、kotura等先行者不断推动技术和产业链的发展，形成了硅光芯片代工厂（global foundries、意法半导体、aim等）、激光芯片代工厂（联亚电子等）、芯片设计和封装（luxtera、kotura等）较为成熟的fabless产业链模式，也有intel为代表的idm模式，除激光芯片外，设计、硅基芯片加工、封测均自己完成）。
传统光模块采用分立式结构，光芯片通过一系列无源耦合器件，与光纤实现对准耦合，完成光路封装。整个封装环节需要较多材料和人工成本，同时封装和测试工序较为复杂，封装过程自动化率较低，测试中需要手工将光模块一个个进行对准耦合测试，时间成本和人工成本均较高。
随着波导理论的成熟，以及一系列新器件被设计生产出来，产业界提出基于cmos制造工艺的硅光技术。硅光利用传统半导体产业非常成熟的硅晶圆加工工艺，在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工大规模波导器件，利用外延生长等加工工艺，能够制备调制器、接收器等关键器件，最终实现将调制器、接收器以及无源光学器件等高度集成。相比传统分立式器件，传统工艺需要依次封装电芯片、光芯片、透镜、对准组件、光纤端面等器件， 硅光体积大幅减小，材料成本、芯片成本、封装成本均有望进一步优化，同时，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升。
1.2. 硅光技术除激光器外，能够实现光模块中各类器件的集成制造
前述硅光技术生产的器件，涵盖了光模块内部大部分组件，但不包含激光芯片。 由于硅是间接带隙，导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置，电子跃迁需要同时改变势能和动能，产生激光需要借助声子的作用，空穴复合效率很低，发光效率极低。与之对比，iii-v族材料（典型的如磷化铟inp）属于直接带隙，电子能量跃迁只需要吸收外加能量即可，发光效率较高。 因此目前硅光方案主流仍是硅基混合集成，光芯片仍使用传统的iii-v族材料，采用分立贴装（光迅、luxtera等）或晶圆键合加工（intel等）将iii-v族的激光器与硅上集成的调制、耦合光路等加工在一起。
目前基于硅光工艺已经能够成熟能够加工的芯片级器件主要包括光波导、合分波器件、外调制器件、apd接收器等。但各主流厂商的设计和工艺路线仍然有较大差异，存在多种技术路线，从这个角度也可以看到， 硅光技术还处在百家争鸣的发展初期阶段，性价比和技术稳定性最高的方案尚未脱颖而出，硅光技术仍需要一段时间的沉淀和发展，才能向最终胜出的主流技术聚焦，进而更大程度的发挥cmos工艺的规模效应，成本和良率才能持续优化。
具体来看，目前硅光工艺主要环节包括：
1）硅波导： 波导是利用折射率不同形成全反射，约束光纤的传输路线。硅的折射率很大，绝对折射率在3.4以上，而二氧化硅材料的折射率在1.5左右，目前常见的波导加工工艺有硅嵴上外包二氧化硅二氧化硅方式，或激光直写（directwriting），通过激光聚焦，在二氧化硅内部熔融改变折射率。 硅波导是硅光模块中重要的无源结构，光路的传输控制以及耦合均通过波导完成，波导技术在硅光工艺中是最核心的基础技术之一，大量无源器件（分光器、合分波器、环形谐振器等）均可通过硅波导技术在片上实现。
但是由于硅折射率太高，同时波导尺寸很小，波导中光斑尺寸很小，光模块最终要和光纤（实际是光纤的芯层）连接，硅波导和光纤模场不匹配导致插损较高。 硅波导的模场直径（mfd）约0.4-0.5μm，而单模光纤的模场直径是9-10μm，耦合损耗极大（约-20db）。目前有几种技术路线解决模场损耗问题，较常见的有两种，1）倒锥形端面耦合：在波导末端制作逐渐变细的倒锥形耦合器（inverse taper），更多光场分布到波导外部的二氧化硅外包层，增大光斑直径，与光纤对准；2）光栅耦合：在波导末端制作渐宽的taper，之后在蚀刻出一定间距的光栅，使用斜切面光纤或直接光纤垂直对准即可。 两种技术各有利弊，光栅耦合较容易封装，但带宽较小、对偏振敏感；端面耦合工作带宽大，但必须位于芯片边缘，无法在线测试，封装对准难度大。
2）硅基调制器： 光模块的调制分内调制和外调整，内调制通过驱动芯片对激光器芯片施加不同的电压，调节发光功率实现光信号调制。随着传输速率不断提升，内调制面临性能瓶颈，高速率下，内调制光芯片的消光比和啁啾等参数难以满足要求，由于光纤的色散，导致传输系统的误码率过高，因此外调制发展逐步加速。外调制模式下，激光器持续发光，通过调制器的通和闭调制输出光信号的强弱。 硅材料具有较强的电光效应和热光效应，施加外部能量后，能够实现相位改变，控制两束光的相位差实现马赫曾德干涉（mzi）即可实现输出光信号的强度调制。因此基于硅光技术，非常适合制备高度集成的mzi外调制器。
3）硅锗探测器： 与发射端相匹配，光模块还需要接收光信号的接收探测器。由于si的带隙为1.12ev, 吸收截止波长1.1微米, 因此对于通讯波段（1.31微米-1.55微米，主要匹配光纤的低损耗波长窗口）硅材料无法吸收。应用于硅基接收端的探测器，必须使用其他材料，能够吸收光通讯工作波段的材料主要有inp, ingaas和ge, 从下图可以看出锗材料在1310nm和1550nm这两个波长的吸收系数都比较大，常用的接收端探测器一般都是采用这类材料制备。
但基于硅光技术制备接收器雪崩二极管（apd）时，需要考虑加工工艺。由于硅的晶体结构和锗不同，晶格失配率达到4.2%，直接生长会导致失位错配和晶体瑕疵，目前常见的工艺包括1）ge组分变化缓冲工艺：调节sige合金中ge的比例，从硅基底的0%逐步过渡到100%；2）低温ge缓冲层：先外延一层薄的ge，之后高温生长通过退火降低晶格错位；3）选区图形衬底外延：在硅衬底上制备sio2薄膜，之后刻蚀出生长ge的窗口，ge在露出硅衬底的图形中生长出来并横向生长在sio2表面合并成完整的ge外延层。 目前主流代工厂均能提供成熟的高质量ge生长工艺，基于成熟的加工工艺，目前硅光apd探测器的设计已经比较成熟。
综上所述，基于cmos技术平台在硅基底上加工波导、调制器、接收器等器件技术都逐步成熟，只有激光器需要单独加工。目前有三类主要方案，1）intel采用晶元键合工艺，将inp晶元和si晶元键合，之后再进行掺杂加工出激光器；2）luxtera采用分立激光器，之后用被动对准的光纤（在硅基底上刻蚀v形槽，将光纤固定在槽内）与硅光芯片连接；3）光迅等厂商采用的分立激光器，直接倒贴在硅光芯片上，通过硅基工艺加工的光栅与硅光芯片连接。 目前全球已经有包括intel、luxtera、acacia、光迅、rockley等多家厂商推出了硅光芯片产品，硅光芯片的设计和制造已经较为成熟。
1.3. 基于硅光芯片的封装仍有难度，工艺和良率仍待提升
硅光芯片技术较为成熟，但从芯片到光模块，封装工艺上仍存在较多技术难点，封装良率和成本仍有待优化，具体来看：
1）光纤耦合环节： 两种技术路线中，端面耦合的模场转换结构设计有待提升，需要隔离器降低回波干扰，光纤阵列在v形槽中固定加工难以自动化，整体加工成本较高。光栅耦合方式带宽较低，同时对偏振敏感，需要控制偏振方形，且需要适当的固定胶提供足够的强度，同时光纤是垂直引出，做成标准外形的模块需要降低弯曲损耗；
2）激光器集成环节： 贴装的对准精度要求极高，芯片密封工艺复杂，良率较低；
3）热管理： 硅光芯片对温度敏感，采用光栅结构的话温度影响更显著，需要更严格的仿真设计和结构优化，功耗控制需要进一步优化。
目前出货的硅光模块产品中，主要有两大类：短距离数据中心光模块和中长距离电信相干光模块：
1）数据中心光模块： 由于数据中心恒温恒湿的理想工作环境，光模块封装要求相对较低，因此以intel为代表的厂商在500米距离上实现数据中心硅光模块的批量供货。
2）中长距离相干光模块： 用于数据中心之间dci连接或电信城域网骨干网远距离通信，相干调制相比传统mzi外调制在幅度调制之外增加了相位调制，目前主流技术包括8qam和16qam，64qam也在研发之中。相干调制需要将光源信号分成两路相位相差90°的频率相同的光，之后对两路光分别调制后再耦合形成干涉条纹。在接收端与本征光源经过50/50分束的定向耦合器后，可推算出发射端的原始信号，排除传输链路中的噪音。硅光的高集成度波导技术以及相位调制能力非常适合制备相干调制器件，acacia、macom、siphotonics、以及光迅牵头的国家信息光电子创新中心等均推出了相干硅光芯片产品，acacia和macom等硅光相干模块已经向电信客户实现量产出货。
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2. 传统光通信市场是硅光发展的基础，新应用领域潜力巨大
从整体发展趋势看，硅光技术逐步成熟，但由于产业链仍处于发展早期阶段，下游客户认证仍需时间，整体产品出货量仍然较低，无法体现cmos工艺生产成本的规模效应，也没有足够的出货量支持工艺的优化和良率的持续提升。硅光...