Definice laserového čipu
Optické čipy jsou základní komponenty, které realizují vzájemnou přeměnu fotoelektrických nosičů energie. Jsou široce používány v optických propojovacích produktech a dělí se hlavně na laserové čipy a čipy fotodetektorů. Mezi nimi je laserový čip aktivní polovodičová součástka, která přeměňuje elektrickou energii na vysoce-výkonné, vysoce{3}}monochromatické světelné paprsky založené na principu stimulovaného záření.
Na vysílacím konci optických komunikačních systémů jsou laserové čipy klíčovým zdrojem světla, který přenáší informace. Jsou nenahraditelné a zaujímají ústřední postavení v oblasti optických čipů. Podle způsobu modulace lze laserové čipy rozdělit na přímou modulaci, integrovanou modulaci a externí modulaci. Z hlediska materiálových systémů se laserové čipy dělí především na fosfid india (InP) a arsenid galia (GaAs). Podle struktury vyzařující světlo je navíc možné rozdělit na -povrchové a okrajové- emitující struktury.
Průmyslová řetězová distribuce laserových čipů na trhu optického propojení
Laserové čipy jsou na začátku průmyslového řetězce optického propojení a jsou důležitým článkem v celém průmyslovém řetězci s vysokými technickými bariérami a složitými procesními toky. Výkon laserového čipu jakožto „srdce“ optického komunikačního systému přímo určuje přenosovou rychlost a energetickou účinnost navazujících optických zařízení, optických modulů a dokonce celého optického komunikačního systému.
Jako hlavní nosič optických komunikačních systémů mají produkty optického propojení zjevné rozdíly ve struktuře nákladů na hardware (BOM) v závislosti na technologické cestě. Vezmeme-li jako příklad nekřemíkové optické moduly, struktura nákladů na hardware zahrnuje především čtyři hlavní segmenty: optické čipy, elektrické čipy, pasivní optická zařízení, PCB a mechanické součásti. U křemíkových fotonických propojovacích produktů byla struktura kusovníku strukturálně rekonstruována. Původní diskrétní modulátor a velké množství pasivních optických zařízení jsou integrovány do křemíkového fotonického čipu (PIC), zatímco PCB a mechanické komponenty jsou značně zjednodušeny.
V této době se BOM zaměřuje na dvě jádra „křemíkových fotonických čipů“ a „laserů“. Laserové čipy zaujímají důležitou pozici v hodnotovém řetězci, ať už se jedná o dříve-vyvinuté řešení EML nebo nově vznikající křemíkovou optickou cestu, protože přímo ovlivňují konverzi fotoelektrického signálu a kvalitu přenosu signálu.
Hlavní typy produktů laserových čipů
Jako základní zařízení fotoelektrické konverze jsou laserové čipy rozděleny především do pěti kategorií na základě rozdílů v materiálových systémech, fyzických strukturách a metodách modulace, včetně DFB, EML, CW, VCSEL a FP, z nichž každá má specifické technické výhody a aplikační scénáře.
Pozadí vývoje trhu s laserovým čipem
Významný růst odvětví laserových čipů je způsoben především příznivými faktory, jako je prudký růst trhu s optickým propojením, rychlé používání vznikajících technologií, jako je křemíková fotonika v optických propojeních, a rostoucí poptávka koncových zákazníků po vysoce{0}}výkonných produktech pro optické propojení. Laserové čipy jako nepostradatelná základní součást řešení optického propojení přímo těží z těchto trendů, čímž urychlují svůj vlastní vývoj.
V roce 2024 dosáhne celosvětový trh s laserovými čipy 2,6 miliardy USD a očekává se, že v roce 2030 vzroste na 22,9 miliardy USD, se složenou roční mírou růstu 44,1 %. Ve vývoji odvětví laserových čipů existují objektivní omezení, včetně dlouhých cyklů rozšiřování výrobní kapacity, vysokých technických překážek a koncentrované špičkové{6}}výrobní kapacity, omezených základních materiálů a vybavení v krátkodobém a střednědobém horizontu a nevyváženého vzoru dodavatelského řetězce. Nemůže plně uspokojit rychle rostoucí potřeby navazujícího trhu. Celkový trh je nedostatkový. To je zřejmé zejména u laserových čipů EML a CW laserových čipů používaných pro vysokorychlostní optická propojení.
Hlavní aplikační scénáře laserových čipů
Laserové čipy se používají hlavně v produktech optického propojení a scénáře terminálových aplikací jsou velmi podobné aplikačním scénářům řešení optického propojení, která podporují. Podle různých scénářů terminálových aplikací lze trh s laserovými čipy rozdělit na trh s laserovými čipy datových center a trh s telekomunikačními laserovými čipy. Mezi nimi zaujímá absolutní pozici na trhu trh s laserovými čipy datových center. Velikost trhu dosáhne v roce 2024 1,6 miliardy USD a očekává se, že v roce 2030 vzroste na 21,1 miliardy USD se složenou roční mírou růstu 53,4 %.
Trhy s laserovými čipy datových center a telekomunikačními laserovými čipy představují odlišné technologické prostředí. Trh s laserovými čipy datových center je charakterizován technologií pohonu dvou kol EML a CW laserových čipů: Laserové čipy EML jsou jako řešení raného vývoje široce používány v optických propojovacích produktech 400G a vyšších. V posledních letech se křemíková fotonická řešení s výhodami vysoké integrace a nízkých nákladů stala vysokorychlostním směrem evoluce, která vyžaduje vysoce-výkonné CW laserové čipy.
V telekomunikacích nadále dominují laserové čipy-emiting edge, a to především díky jejich schopnosti splnit přísné požadavky na výkon. Konkrétně laserové čipy DFB jsou široce používány v situacích na krátké- a střední-vzdálenosti, jako je 5G fronthaul a optický přístup. Naopak laserové čipy EML překonávají omezení rozptylu díky svému nízkému chvění a vysokému poměru extinkce, a tak zaujímají dominantní postavení v uzlech na velké vzdálenosti, vysokorychlostních-uzlech, jako jsou páteřní sítě a vysokorychlostní{8}}vláknová vlákna.
EML laserové čipy a CW laserové čipy dominují tržnímu podílu a jejich význam stále roste
V roce 2024 dosáhne celková velikost trhu laserových čipů EML a laserových čipů CW 970 milionů USD, což představuje přibližně 38,1 % trhu. V budoucnu se očekává, že si tržby z těchto produktů udrží vysoké tempo růstu a tržní podíl se bude nadále zvyšovat. Očekává se, že do roku 2030 celkové příjmy dosáhnou 20,80 miliard amerických dolarů se složenou roční mírou růstu 66,6 % a tržním podílem 90,9 %.
EML laserový čip
Laserové čipy EML zahrnují hlavně 50G/100G/200G a další specifikace podle rychlosti přenosu dat od nízké po vysokou a jádro se přizpůsobuje produktům optického propojení od 100G do 1,6T. V současné době jsou laserové čipy 100G EML běžnými produkty a jsou široce používány v běžných produktech vysokorychlostního optického propojení, jako jsou optické moduly 400G a 800G. Vzhledem k tomu, že se postupně zavádějí produkty pro optické propojení rychlostí 1,6T a vyšší{12}}, 200G EML laserové čipy jako odpovídající laserový čip zahájí rychlý růst.
CW laserový čip
Vývoj CW laserových čipů těží především z aplikace technologie křemíkové fotoniky. V křemíkových fotonických řešeních slouží CW laserové čipy jako externí/heterogenní integrované světelné zdroje a používají se ve spojení s křemíkovými fotonickými modulátory k realizaci funkcí konverze fotoelektrického signálu a modulace křemíkových fotonických propojovacích produktů. Mezi produkty vysokorychlostního optického propojení jsou široce používána křemíková fotonická řešení a CW laserové čipy kvůli jejich vynikajícím výhodám z hlediska nákladů-.
V současných hlavních křemíkových fotonických vysokorychlostních optických propojovacích produktech 400G, 800G a dokonce 1,6T patří mezi hlavní používané CW laserové čipy 50mW, 70mW, 100mW a další výkonové modely. Kromě toho se díky novým technologiím, jako jsou NPO a CPO, postupně do komerčního vývoje nových -produktů optického propojení začleňují vysoce výkonné CW laserové čipy včetně modelů 150 mW, 300 mW a 400 mW. Od roku 2025 do roku 2030 se očekává, že poptávka po CW laserových čipech s výkonem nad 100 mW zaznamená explozivní růst. Do roku 2030 se očekává, že velikost trhu CW laserových čipů s výkonem nad 100 mW dosáhne 6,6 miliardy USD, což představuje 65,3 % trhu.
Faktory rozvoje průmyslu laserových čipů a budoucí trendy vývoje
. Poptávka stále roste a udržuje rychlý růst. Vývoj školicích klastrů umělé inteligence vyvolal prudký nárůst poptávky po výpočetním výkonu a vysokorychlostním{2}}přenosu dat, což vede k exponenciálnímu růstu poptávky po navazujících vysokorychlostních-produktech optického propojení. Poptávka po laserových čipech jako základní součást produktů pro optické propojení rychle roste.
. Laserový čip EML a laserový čip CW-pohon dvou kol. Na jedné straně se laserové čipy EML staly důležitým řešením pro dosažení rychlosti jedné-vlnové délky 100G/200G díky jejich velké šířce pásma, nízkému rozptylu a výhodám přenosu na velkou-vzdálenost a jsou široce používány ve vysokorychlostních optických modulech 400G, 800G a dokonce 1,6T. Na druhou stranu, vzhledem k rozvíjející se cestě technologie křemíkové fotoniky, se CW laserové čipy spárované s křemíkovými fotonickými modulátory postupně stávají klíčovým základním zařízením podporujícím další generaci optických propojovacích produktů a ultra{12}}vysoko{13}}rychlostních sítí datových center díky jejich vysoké integraci, nízkému{14}}potenciálu nákladů a dokonalé adaptabilitě na špičkové{15} architektury.
. Produkty se vyvíjejí směrem k vyššímu výkonu a hodnota jednotkových produktů stále roste. Vzhledem k tomu, že se produkty optického propojení stále vyvíjejí směrem k vyšším rychlostem a jsou zkoumány a aplikovány nové integrační technologie, jsou na výkon laserových čipů kladeny vyšší požadavky. Vezmeme-li jako příklad řešení EML, vysoké přenosové rychlosti obvykle vyžadují vysoký výkon a množství laserových čipů na jednotku optického propojovacího produktu, což zvyšuje hodnotu laserových čipů na jednotku optického propojovacího produktu.
V řešení s křemíkovým světlem sice technologie křemíkového světla snižuje náklady na modulační část prostřednictvím procesu CMOS, ale aby mohl řídit vyšší-rychlostní křemíkový světelný motor a účinně kompenzovat složité-ztráty optické dráhy na čipu, musí být optický modul jako externí zdroj světla vybaven monochromatickým CW laserovým čipem s vyšším-výkonem a vyšším-. Kromě toho, jak se toto odvětví vyvíjí k integračním technologiím nové{5}}generace, jako jsou NPO a CPO, projde poptávka po laserových čipech zásadními změnami a očekává se, že hodnota laserových čipů v celkových nákladech na hardware dále poroste.
. Diverzifikace dodavatelského řetězce. Rozšiřování globální počítačové infrastruktury řízené umělou inteligencí- klade značné požadavky na rozsah, stabilitu a včasnost dodavatelského řetězce a vytváří strategické příležitosti pro vysoce-výrobce laserových čipů. Rozhodující je, že výrobci s pokročilými technickými možnostmi (včetně epitaxního růstu, vysoce-přesného leptání mřížky) a výhodami v provozní efektivitě a schopnostmi rychlé odezvy mohou lépe splnit přísné požadavky, zapojit se do mezinárodního hlavního dodavatelského řetězce, vybudovat rozmanitou globální síť dodavatelského řetězce a získat značný podíl na mezinárodním trhu. Je zvláště pozoruhodné, že stále více výrobců laserových čipů zavádí globalizační strategie umístěním svých výrobních základen v blízkosti navazujících výrobců optických propojení nebo koncových zákazníků, čímž buduje odolnější a diverzifikovanější globální síť dodavatelského řetězce.
Struktura nákladů na laserový čip
V nákladové struktuře laserových čipů dominují výrobní náklady, přímé mzdové náklady a materiálové náklady. Materiálové náklady zahrnují především substráty, zlaté terče, speciální plyny a chemikálie atd. v závislosti na různých produktech a obvykle tvoří 10 % až 20 % celkových nákladů. V současnosti jsou substrátovými materiály laserových čipů především InP a GaAs. Mezi nimi ceny InP v posledních několika letech nadále rostly kvůli rostoucím cenám materiálů a dalším vlivům. Vzhledem k relativně jednoduchému výrobnímu procesu GaAs cena postupně klesala s optimalizací procesu a iterací technologie.
Překážky konkurence laserových čipů
.Produkční know{1}}jak. Výroba laserových čipů je vysoce závislá na pokročilých základních procesech, jako je epitaxní růst, vysoce přesné leptání mřížky a komplexní návrh vysokorychlostní modulace-. S ohledem na nedostatek sléváren s plně-výrobními kapacitami procesu by většina dodavatelů laserových čipů měla fungovat v modelu IDM, který klade extrémně vysoké požadavky na absolutní kontrolu dodavatelů nad celým výrobním procesem a na schopnost nashromáždit hluboké průmyslové know-how.- Navíc rychlá iterace následných optických propojovacích produktů vedla k neustálým technologickým inovacím na úrovni čipů. Výrobci proto potřebují mít vlastní technologii, která jim umožní rychle povýšit výzkum a vývoj do sériové výroby, neustále optimalizovat parametry procesu a udržovat stabilní a vysoké výnosy, aby byla zajištěna spolehlivost produktu.
.Zákaznická důvěra a spolupráce. Trh optického propojení se vyznačuje extrémně přísným a zdlouhavým certifikačním procesem. Vysoké náklady na přepínání způsobené předními řešeními optického propojení a poskytovateli cloudových služeb vytvářejí nepřekonatelné překážky pro nové účastníky. U dodavatelů, kteří úspěšně vstoupili na trh, však tyto vlastnosti podporují vztahy, které jsou velmi pevné a jen zřídka se mění. Navázáním dlouhodobých-důvěryhodných partnerství s předními výrobci laserových čipů se mohou výrobci laserových čipů hluboce integrovat do globálního dodavatelského řetězce a získat kritické rané poznatky, jak se AI a architektury datových center neustále vyvíjejí.
. Výzkumné a vývojové kapacity. Technologie optického propojovacího průmyslu se rychle iteruje, což vyžaduje, aby výrobci laserových čipů měli napřed-výhledové uspořádání a schopnosti systematického výzkumu a vývoje. Přední společnosti obvykle plánují dopředu ve výzkumu a vývoji základních technologií, aby i nadále uspokojovaly potřeby upgradů navazujících produktů. Výrobci laserových čipů s takovými systematickými a na budoucnost-hledajícími schopnostmi výzkumu a vývoje mohou nejen udržet špičkové tempo technologických iterací, ale také vytvářet technické bariéry, které se v tomto odvětví obtížně replikují, a nadále vedou ve výkonu a spolehlivosti produktů.
. Možnosti řízení dodavatelského řetězce. Dynamická povaha trhu optického propojení klade extrémně vysoké požadavky na řízení dodavatelského řetězce a provozní agilitu. Výrobci musí mít schopnost flexibilně rozšiřovat výrobu, optimalizovat alokaci zdrojů a plnit přísné dodací cykly zákazníků. Vyspělý a robustní systém dodavatelského řetězce je zásadní pro řešení rizik spojených s rychlou iterací trhu a prudkými výkyvy objednávek. Vybudováním pevné dodavatelské sítě a udržením stability výrobní kapacity mohou výrobci laserových čipů dosáhnout úspor z rozsahu, splnit přísné požadavky na dodávky a udržet si udržitelné nákladové výhody na silně konkurenčním globálním trhu.
Další průmyslové výzkumy a analýzy naleznete na oficiálních stránkách Sihan Industrial Research Institute. Současně Sihan Industrial Research Institute také poskytuje zprávy o průmyslových výzkumech, zprávy o studiích proveditelnosti (schvalování a podávání projektů, bankovní úvěry, investiční rozhodnutí, skupinové schůzky), průmyslové plánování, plánování parků, obchodní plány (kapitálové financování, investice a společné podniky, interní rozhodování), speciální průzkumy, architektonický návrh, zprávy o zahraničních investicích a další související řešení poradenských služeb.
