Definícia laserového čipu
Optické čipy sú základnými komponentmi, ktoré realizujú vzájomnú premenu fotoelektrických nosičov energie. Sú široko používané v produktoch optického prepojenia a delia sa hlavne na laserové čipy a čipy fotodetektorov. Medzi nimi je laserový čip aktívny polovodičový komponent, ktorý premieňa elektrickú energiu na vysokovýkonné, vysoko{3}}monochromatické svetelné lúče založené na princípe stimulovaného žiarenia.
Na vysielacom konci optických komunikačných systémov sú laserové čipy kľúčovým zdrojom svetla, ktorý prenáša informácie. Sú nenahraditeľné a v oblasti optických čipov zaujímajú ústredné postavenie. Podľa spôsobu modulácie možno laserové čipy rozdeliť na priamu moduláciu, integrovanú moduláciu a externú moduláciu. Z hľadiska materiálových systémov sa laserové čipy delia najmä na fosfid india (InP) a arzenid gália (GaAs). Okrem toho, podľa štruktúry vyžarovania svetla- ho možno rozdeliť na štruktúry vyžarujúce povrch-a okrajové-štruktúry.
Priemyselná reťazová distribúcia laserových čipov na trhu optických prepojení
Laserové čipy sú na začiatku priemyselného reťazca optických prepojení a sú dôležitým článkom v celom priemyselnom reťazci s vysokými technickými bariérami a zložitými procesnými tokmi. Výkon laserového čipu ako „srdca“ optického komunikačného systému priamo určuje prenosovú rýchlosť a energetickú účinnosť nadväzujúcich optických zariadení, optických modulov a dokonca celého optického komunikačného systému.
Ako hlavný nosič optických komunikačných systémov majú produkty optického prepojenia zjavné rozdiely v štruktúre nákladov na hardvér (BOM) v závislosti od technologickej cesty. Ak si vezmeme ako príklad nekremíkové optické moduly, štruktúra nákladov na hardvér zahŕňa najmä štyri hlavné segmenty: optické čipy, elektrické čipy, pasívne optické zariadenia, dosky plošných spojov a mechanické komponenty. Pre produkty kremíkového fotonického prepojenia bola štruktúra kusovníka štrukturálne zrekonštruovaná. Pôvodný diskrétny modulátor a veľké množstvo pasívnych optických zariadení sú integrované do kremíkového fotonického čipu (PIC), zatiaľ čo PCB a mechanické komponenty sú výrazne zjednodušené.
V súčasnosti sa kusovník zameriava na dve jadrá „kremíkových fotonických čipov“ a „laserov“. Či už používate skoré{1}}vyvinuté riešenie EML alebo novovznikajúcu kremíkovú optickú cestu, laserové čipy zaujímajú dôležité postavenie v hodnotovom reťazci, pretože priamo ovplyvňujú konverziu fotoelektrického signálu a kvalitu prenosu signálu.
Hlavné typy produktov laserových čipov
Ako základné zariadenie fotoelektrickej konverzie sa laserové čipy delia hlavne do piatich kategórií na základe rozdielov v materiálových systémoch, fyzických štruktúrach a modulačných metódach, vrátane DFB, EML, CW, VCSEL a FP, pričom každá má špecifické technické výhody a aplikačné scenáre.
Pozadie vývoja trhu s laserovými čipmi
Významný rast odvetvia laserových čipov je spôsobený najmä priaznivými faktormi, ako je prudký rast trhu s optickými prepojeniami, rýchle používanie nových technológií, ako je kremíková fotonika v optických prepojeniach, a rastúci dopyt koncových zákazníkov po vysokovýkonných produktoch optického prepojenia. Laserové čipy ako nevyhnutný základný komponent riešení optického prepojenia priamo ťažia z týchto trendov, čím urýchľujú svoj vlastný vývoj.
V roku 2024 dosiahne celosvetový trh s laserovými čipmi 2,6 miliardy USD a očakáva sa, že v roku 2030 vzrastie na 22,9 miliardy USD so zloženou ročnou mierou rastu 44,1 %. Vo vývoji odvetvia laserových čipov existujú objektívne obmedzenia vrátane dlhých cyklov rozširovania výrobnej kapacity, vysokých technických prekážok a koncentrovanej špičkovej{6}}výrobnej kapacity, obmedzených základných materiálov a zariadení v krátkodobom a strednodobom horizonte a nevyváženého vzoru dodávateľského reťazca. Nemôže plne uspokojiť rýchlo rastúce potreby nadväzujúceho trhu. Na celkovom trhu je nedostatok. Je to zrejmé najmä pri laserových čipoch EML a CW laserových čipoch používaných na vysokorýchlostné optické prepojenia.
Hlavné aplikačné scenáre laserových čipov
Laserové čipy sa používajú hlavne v produktoch optického prepojenia a scenáre aplikácie terminálov sú veľmi podobné aplikačným scenárom riešení optického prepojenia, ktoré podporujú. Podľa rôznych scenárov terminálových aplikácií možno trh s laserovými čipmi rozdeliť na trh s laserovými čipmi dátových centier a trh s telekomunikačnými laserovými čipmi. Medzi nimi absolútnu pozíciu na trhu zaujíma trh s laserovými čipmi dátových centier. Veľkosť trhu dosiahne v roku 2024 1,6 miliardy USD a očakáva sa, že v roku 2030 vzrastie na 21,1 miliardy USD so zloženou ročnou mierou rastu 53,4 %.
Trhy s laserovými čipmi dátových centier a telekomunikačnými laserovými čipmi predstavujú odlišné technologické prostredie. Trh s laserovými čipmi v dátových centrách sa vyznačuje technológiou pohonu dvoch kolies EML a CW laserových čipov: laserové čipy EML, ako rané vývojové riešenie, sú široko používané v produktoch optického prepojenia 400G a vyšších. V posledných rokoch sa kremíkové fotonické riešenia s výhodami vysokej integrácie a nízkej ceny stali vysoko{4}}rýchlostným smerom evolučného vývoja, ktorý si vyžaduje vysokovýkonné-CW laserové čipy.
V telekomunikáciách naďalej dominujú laserové čipy-vyžarujúce okraj, najmä vďaka ich schopnosti splniť prísne požiadavky na výkon. Konkrétne, laserové čipy DFB sa široko používajú v scenároch na krátke- a stredné-vzdialenosti, ako je 5G fronthaul a prístup z optických vlákien. Naopak, laserové čipy EML prekonávajú obmedzenia rozptylu vďaka svojmu nízkemu chveniu a vysokému pomeru zhasnutia, čím zaujímajú dominantné postavenie v uzloch na veľké -vzdialenosti, vysoko{7}}rýchlostných uzloch, ako sú chrbticové siete a vysokorýchlostný{8}}vláknový prístup.
EML laserové čipy a CW laserové čipy dominujú v podiele na trhu a ich význam neustále rastie
V roku 2024 dosiahne celková veľkosť trhu laserových čipov EML a laserových čipov CW 970 miliónov USD, čo predstavuje približne 38,1 % trhu. V budúcnosti sa očakáva, že výnosy z týchto produktov si zachovajú vysoké tempo rastu a podiel na trhu sa bude naďalej zvyšovať. Očakáva sa, že do roku 2030 celkové príjmy dosiahnu 20,80 miliárd amerických dolárov so zloženým ročným rastom 66,6 % a trhovým podielom 90,9 %.
EML laserový čip
Laserové čipy EML zahŕňajú hlavne 50G/100G/200G a ďalšie špecifikácie podľa rýchlosti prenosu dát od nízkej po vysokú a jadro sa prispôsobuje optickým prepojovacím produktom od 100G do 1,6T. V súčasnosti sú laserové čipy 100G EML bežnými produktmi a sú široko používané v bežných produktoch vysokorýchlostného optického prepojenia, ako sú optické moduly 400G a 800G. Keďže produkty optického prepojenia s rýchlosťou 1,6 T a vyššou{12}}sa postupne zavádzajú do používania, laserové čipy EML 200 G ako vhodná voľba laserového čipu budú znamenať rýchly rast.
CW laserový čip
Vývoj CW laserových čipov ťaží najmä z aplikácie technológie kremíkovej fotoniky. V kremíkových fotonických riešeniach slúžia CW laserové čipy ako externé/heterogénne integrované svetelné zdroje a používajú sa v spojení s kremíkovými fotonickými modulátormi na realizáciu funkcií konverzie fotoelektrického signálu a modulácie produktov kremíkových fotonických prepojení. Medzi produktmi vysokorýchlostného optického prepojenia sú kremíkové fotonické riešenia a CW laserové čipy široko používané vďaka ich vynikajúcim výhodám z hľadiska nákladov-efektívnosti.
V súčasných hlavných vysokorýchlostných kremíkových fotonických- optických prepojovacích produktoch 400 G, 800 G a dokonca 1,6 T sa medzi hlavné CW laserové čipy používajú 50 mW, 70 mW, 100 mW a iné výkonové modely. Okrem toho sa vďaka novým technológiám, ako sú NPO a CPO, postupne do komerčného vývoja{12}}prepojovacích produktov s optickými lúčmi postupne začleňujú vysokovýkonné CW laserové čipy vrátane modelov 150 mW, 300 mW a 400 mW. Od roku 2025 do roku 2030 sa očakáva prudký nárast dopytu po CW laserových čipoch s výkonom nad 100 mW. Očakáva sa, že do roku 2030 veľkosť trhu CW laserových čipov s výkonom nad 100 mW dosiahne 6,6 miliardy USD, čo predstavuje 65,3 % trhu.
Faktory rozvoja odvetvia laserových čipov a budúce trendy vývoja
. Dopyt sa neustále zvyšuje a udržiava rýchly rast. Vývoj tréningových klastrov AI podnietil prudký nárast dopytu po výpočtovom výkone a vysokorýchlostnom{2}}prenose údajov, čo vedie k exponenciálnemu rastu dopytu po nadväzujúcich vysokorýchlostných-produktoch optického prepojenia. Dopyt na trhu po laserových čipoch, ako základnej súčasti produktov optického prepojenia, rýchlo rastie.
. Laserový čip EML a laserový čip CW-pohon dvoch kolies. Na jednej strane sa laserové čipy EML stali dôležitým riešením na dosiahnutie rýchlosti jednej-vlnovej dĺžky 100G/200G vďaka svojej veľkej šírke pásma, nízkej disperzii a výhodám prenosu na-ďalekú vzdialenosť a sú široko používané v 400G, 800G a dokonca 1,6T vysokorýchlostných optických moduloch{10}. Na druhej strane, tvárou v tvár vznikajúcej ceste technológie kremíkovej fotoniky, CW laserové čipy spárované s kremíkovými fotonickými modulátormi sa postupne stávajú kľúčovým základným zariadením podporujúcim ďalšiu generáciu optických prepojovacích produktov a ultra{12}}vysoko{13}}rýchlostných sietí dátových centier vďaka ich vysokej integrácii, nízkemu{14}}potenciálu nákladov a dokonalej prispôsobivosti špičkovým{15} architektúram.
. Produkty sa vyvíjajú smerom k vyššiemu výkonu a hodnota jednotkových produktov neustále rastie. Keďže produkty optického prepojenia sa naďalej vyvíjajú smerom k vyšším rýchlostiam a skúmajú sa a aplikujú nové integračné technológie, na výkon laserových čipov sa kladú vyššie požiadavky. Ak vezmeme ako príklad riešenia EML, vysoké prenosové rýchlosti zvyčajne vyžadujú vysoký výkon a množstvo laserových čipov na jednotku optického prepojovacieho produktu, čo zvyšuje hodnotu laserových čipov na jednotku optického prepojovacieho produktu.
V riešení s kremíkovým svetlom, hoci technológia kremíkového svetla znižuje náklady na modulačnú časť prostredníctvom procesu CMOS, s cieľom poháňať vyššou{0}}rýchlosťou kremíkového svetelného motora a efektívne kompenzovať zložité-straty optickej dráhy čipu, musí byť optický modul vybavený vyšším-výkonom a vyšším{3}}monochromatickým CW laserovým čipom ako externým zdrojom svetla. Okrem toho, keďže sa toto odvetvie vyvíja na integračné technológie ďalšej{5}}generácie, ako sú NPO a CPO, dopyt po laserových čipoch prejde zásadnými zmenami a očakáva sa, že hodnota laserových čipov v celkových nákladoch na hardvér bude ďalej rásť.
. Diverzifikácia dodávateľského reťazca. Rozšírenie globálnej počítačovej infraštruktúry-poháňanej umelou inteligenciou kladie značné požiadavky na rozsah, stabilitu a aktuálnosť dodávateľského reťazca, čím vytvára strategické príležitosti pre-kvalitných výrobcov laserových čipov. Rozhodujúce je, že výrobcovia s pokročilými technickými možnosťami (vrátane epitaxného rastu, vysoko{5}}presného leptania mriežky) a výhodami v oblasti prevádzkovej efektívnosti a schopnosti rýchlej odozvy môžu lepšie spĺňať prísne požiadavky, zapojiť sa do medzinárodného hlavného dodávateľského reťazca, vybudovať rôznorodú globálnu sieť dodávateľského reťazca a získať značný podiel na medzinárodnom trhu. Je obzvlášť pozoruhodné, že stále viac výrobcov laserových čipov implementuje globalizačné stratégie umiestnením svojich výrobných základní v blízkosti nadväzujúcich výrobcov optických prepojení alebo koncových zákazníkov, čím si buduje odolnejšiu a diverzifikovanejšiu sieť globálneho dodávateľského reťazca.
Štruktúra nákladov na laserový čip
V štruktúre nákladov laserových čipov dominujú výrobné náklady, priame mzdové náklady a materiálové náklady. Materiálové náklady zahŕňajú najmä substráty, zlaté terče, špeciálne plyny a chemikálie atď. v závislosti od rôznych produktov a zvyčajne tvoria 10 % až 20 % celkových nákladov. V súčasnosti sú substrátovými materiálmi laserových čipov najmä InP a GaAs. Medzi nimi ceny InP v posledných rokoch naďalej rástli v dôsledku rastúcich cien materiálov a iných vplyvov. Vzhľadom na relatívne jednoduchý výrobný proces GaAs, cena postupne klesala s optimalizáciou procesu a iteráciou technológie.
Prekážky konkurencie laserových čipov
.Výrobné-know how. Výroba laserových čipov vo veľkej miere závisí od pokročilých základných procesov, ako je epitaxiálny rast, vysoko presné leptanie mriežky a komplexný návrh vysokorýchlostnej modulácie-. Vzhľadom na nedostatok zlievarní s úplnými-výrobnými kapacitami procesu by väčšina dodávateľov laserových čipov mala fungovať v modeli IDM, ktorý kladie mimoriadne vysoké požiadavky na absolútnu kontrolu dodávateľov nad celým výrobným procesom a schopnosť akumulovať hlboké{7}}odvetvové know-how. Okrem toho rýchla iterácia nadväzujúcich produktov optického prepojenia viedla k nepretržitým technologickým inováciám na úrovni čipov. Výrobcovia preto potrebujú vlastniť patentovanú technológiu na rýchle presadenie výskumu a vývoja do masovej výroby, nepretržitú optimalizáciu parametrov procesu a udržiavanie stabilných a vysokých výnosov, aby sa zabezpečila spoľahlivosť produktu.
.Dôvera a spolupráca zákazníkov. Trh optických prepojení sa vyznačuje mimoriadne prísnym a zdĺhavým certifikačným procesom. Vysoké náklady na prepínanie spôsobené poprednými riešeniami optického prepojenia a poskytovateľmi cloudových služieb vytvárajú pre nových účastníkov neprekonateľné prekážky. Pre dodávateľov, ktorí úspešne vstupujú, však tieto charakteristiky podporujú vzťahy, ktoré sú veľmi pevné a len zriedka sa menia. Vytvorením dlhodobých-dôveryhodných partnerstiev s lídrami v tomto odvetví sa môžu výrobcovia laserových čipov hlboko integrovať do globálneho dodávateľského reťazca a získať kritické rané poznatky, pretože AI a architektúry dátových centier sa neustále vyvíjajú.
. Výskumné a vývojové kapacity. Technológia optického prepojovacieho priemyslu sa rýchlo iteruje, čo si vyžaduje, aby výrobcovia laserových čipov mali vpred-rozloženie orientované na budúcnosť a schopnosti systematického výskumu a vývoja. Popredné spoločnosti zvyčajne plánujú dopredu vo výskume a vývoji základných technológií, aby naďalej uspokojovali potreby upgradov produktov. Výrobcovia laserových čipov s takýmito systematickými a na budúcnosť-hľadajúcimi schopnosťami výskumu a vývoja si môžu nielen udržať popredné tempo technologických iterácií, ale môžu tiež vytvárať technické bariéry, ktoré sa v tomto odvetví ťažko opakujú, a naďalej vedú vo výkonnosti a spoľahlivosti produktov.
. Možnosti riadenia dodávateľského reťazca. Dynamická povaha trhu optických prepojení kladie extrémne vysoké nároky na riadenie dodávateľského reťazca a prevádzkovú agilitu. Výrobcovia musia mať možnosť flexibilne rozširovať výrobu, optimalizovať alokáciu zdrojov a spĺňať prísne dodacie cykly zákazníkov. Vyspelý a robustný systém dodávateľského reťazca je rozhodujúci pre riešenie rizík spojených s rýchlym opakovaním trhu a prudkými výkyvmi objednávok. Vybudovaním solídnej dodávateľskej siete a udržiavaním stability výrobnej kapacity môžu výrobcovia laserových čipov dosiahnuť úspory z rozsahu, splniť prísne požiadavky na dodávky a udržať si udržateľné nákladové výhody na silne konkurenčnom globálnom trhu.
Ďalšie priemyselné výskumy a analýzy nájdete na oficiálnej webovej stránke Sihan Industrial Research Institute. Inštitút priemyselného výskumu Sihan zároveň poskytuje správy o priemyselnom výskume, správy o štúdiách uskutočniteľnosti (schvaľovanie a podávanie projektov, bankové úvery, investičné rozhodnutia, skupinové stretnutia), priemyselné plánovanie, plánovanie parkov, obchodné plány (financovanie vlastného imania, investície a spoločné podniky, interné rozhodovanie-), špeciálne prieskumy, architektonický návrh, správy o zahraničných investíciách a ďalšie súvisiace riešenia poradenských služieb.
