7/24/2024，光纖在線訊，來源：逍遙自動(dòng)化設(shè)計(jì)

引言
   光電子集成芯片（PIC）作為強(qiáng)大的技術(shù)出現(xiàn)，其應(yīng)用范圍廣泛，從高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)较冗M(jìn)的傳感功能。本文將探討PIC市場的現(xiàn)狀、應(yīng)用、挑戰(zhàn)和未來前景，介紹PIC中使用的材料、對(duì)人工智能（AI）的影響以及推動(dòng)市場增長的新興應(yīng)用。

PIC市場概覽
   未來幾年，全球PIC市場將迎來增長。根據(jù)IDTechEx的最新報(bào)告，預(yù)計(jì)到2034年，該市場將達(dá)到220億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為9.1%。這一增長主要得益于人工智能和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用對(duì)高性能收發(fā)器需求的增長。

      
圖1：預(yù)計(jì)未來十年，全球PIC市場將增長2.4倍，達(dá)到220億美元。滿足人工智能需求的數(shù)通收發(fā)器預(yù)計(jì)將成為這一增長的最大驅(qū)動(dòng)力

與傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)相比，PIC具有以下優(yōu)勢(shì)：
·  微型化：PIC可以將復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)封裝在糖果棒大小的封裝中。
·  高性能：它們能夠高效地發(fā)送和接收數(shù)十億比特的信息。
·  多功能性：PIC可適用于從電信到傳感應(yīng)用的各種用途。
·  可擴(kuò)展性：PIC芯片利用CMOS芯片技術(shù)，有望突破摩爾定律，實(shí)現(xiàn)信息處理的擴(kuò)展。

材料和平臺(tái)
   雖然硅基光電子技術(shù)是商用PIC器件最廣泛的平臺(tái)，但研究人員正在探索各種應(yīng)用的其他替代材料。讓我們來了解一下PIC中使用的幾種關(guān)鍵材料：

硅：
·  優(yōu)點(diǎn)：成本效益高、可擴(kuò)展且與現(xiàn)有CMOS制造工藝兼容。
·  局限性：由于間接帶隙，在光發(fā)射或光探測(cè)方面效率不高。

硅（玻璃）：
·  優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)損耗低，適用于無源光學(xué)元件。
·  局限性：主動(dòng)功能有限。

磷化銦（InP）：
·  優(yōu)點(diǎn)：非常適合光發(fā)射和光檢測(cè)，適用于主動(dòng)光學(xué)元件。
·  局限性：與硅相比成本更高，制造工藝更復(fù)雜。

薄膜鈮酸鋰（TFLN）：
·  優(yōu)點(diǎn)：中等程度的Pockels效應(yīng)，材料損耗低，適用于高性能調(diào)制。
·  應(yīng)用：量子系統(tǒng)和未來潛在的高性能收發(fā)器。

新興材料：
·  正在探索鋇鈦酸鹽（BTO）、電光聚合物和稀土金屬在量子計(jì)算和其他尖端應(yīng)用中的潛力。

PIC在人工智能和數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用
   人工智能的興起對(duì)能夠支持海量數(shù)據(jù)速率的高性能收發(fā)器產(chǎn)生了前所未有的需求。PIC處于這場革命的最前沿，具有以下優(yōu)勢(shì)：

高速數(shù)據(jù)傳輸：
   基于PIC的收發(fā)器可以達(dá)到1.6T甚至更高的速度，這對(duì)于人工智能加速器和數(shù)據(jù)中心重要。

   例如：Nvidia最新的Blackwell CPU每塊GPU需要大約兩個(gè)800G收發(fā)器。

基于PIC的可插拔收發(fā)器的路線圖：
·  當(dāng)前：800G收發(fā)器
·  近期：1.6T收發(fā)器
·  2026年及以后：預(yù)計(jì)3.2T收發(fā)器

      
圖2：基于PIC的可插拔收發(fā)器路線圖

對(duì)數(shù)據(jù)中心的影響：
·  PIC是數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵組件。
·  IDTechEx預(yù)測(cè)，到2034年全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量將超過15000個(gè)。
·  能源效率問題：數(shù)據(jù)中心已經(jīng)消耗了全球約1%的能源，限制了其增長潛力。

新興應(yīng)用
·  PICs正在電信和數(shù)據(jù)中心以外的各個(gè)領(lǐng)域找到應(yīng)用。一些有前景的領(lǐng)域包括：

光子引擎和加速器：
·  使用馬赫-曾德干涉儀和低損耗波導(dǎo)等元件。
·  性能可能高于單獨(dú)的電子加速器。
·  應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能矩陣運(yùn)算。

傳感器：
·  使用氮化硅等材料的“人工鼻”氣體傳感器。
·  醫(yī)療保健應(yīng)用：即時(shí)診斷和可穿戴技術(shù)。
·  激光雷達(dá)：用于自動(dòng)駕駛汽車和無人機(jī)的基于脈沖寬度調(diào)制的頻率模式連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)。

量子計(jì)算：
·  光子量子系統(tǒng)中用于精確控制光子的PIC。
·  更穩(wěn)定、可擴(kuò)展的量子系統(tǒng)的潛力。

芯片間互連：
·  光電共封裝器件（CPO）和外部激光器，用于替代人工智能加速器系統(tǒng)中的銅質(zhì)互連器件。
·  在高數(shù)據(jù)傳輸率下提供更大的帶寬和更高的功率效率。
·  預(yù)計(jì)2026/2027年CPO將得到廣泛應(yīng)用。

      
圖3：PIC應(yīng)用范圍

電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用
   PIC在電信和數(shù)據(jù)通信行業(yè)應(yīng)用廣泛，主要有以下幾種關(guān)鍵應(yīng)用：

電信（長距離數(shù)據(jù)傳輸）：
·  基于PIC的密集波分復(fù)用（DWDM）收發(fā)器，用于匯聚來自5G基站的信號(hào)。
·  5G市場預(yù)計(jì)將強(qiáng)勁增長。
·  與數(shù)據(jù)通信相比，每臺(tái)收發(fā)器的成本更高，因此利潤豐厚。

數(shù)據(jù)通信（短距離數(shù)據(jù)傳輸）：
·  由于人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心增長，該市場增長最快。
·  與傳統(tǒng)的光收發(fā)器相比，基于PIC的收發(fā)器在相似的外形尺寸下性能更高。

      
圖4：傳統(tǒng)光收發(fā)器和基于PIC的光收發(fā)器的對(duì)比

市場參與者和競爭
   PIC市場主要由幾家主要企業(yè)主導(dǎo)，尤其是在數(shù)據(jù)通信收發(fā)器領(lǐng)域。截至2023年，主要企業(yè)及其市場份額如下：

      
圖5：數(shù)據(jù)通信用PIC收發(fā)器的主要廠商及其市場份額

一些值得注意的發(fā)展和參與者包括：
·  Innolight：總部位于中國的收發(fā)器公司，將于2023年底實(shí)現(xiàn)1.6T傳輸速度。
·  Coherent：憑借其自有InP晶圓廠設(shè)施，為1.6T+應(yīng)用開發(fā)更高性能的收發(fā)器。
·  英特爾硅基光電子：2023年售出約170萬片PIC，繼續(xù)開發(fā)數(shù)據(jù)通信和電信收發(fā)器。

挑戰(zhàn)與未來展望
   盡管前景光明，但PIC市場仍面臨諸多挑戰(zhàn)：

材料限制：
·  持續(xù)研究，為不同應(yīng)用尋找最佳材料。
·  整合多種材料以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

集成的復(fù)雜性：
·  將電子和光子元件整合到單個(gè)芯片上仍然具有挑戰(zhàn)性。
·  努力開發(fā)3D集成光子架構(gòu)，以提升器件密度并改善光路由。

成本管理：
·  設(shè)計(jì)和制造PIC的初始成本很高。
·  需要大量需求來抵消這些成本。

生產(chǎn)周期：
·  可能需要數(shù)月時(shí)間，可能會(huì)減慢產(chǎn)品開發(fā)和市場響應(yīng)速度。

未來展望
   人工智能和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用持續(xù)增長。
   進(jìn)軍新市場，例如汽車（激光雷達(dá)）、醫(yī)療保�。▊鞲衅鳎┖土孔佑�(jì)算。
   開發(fā)更高性能的收發(fā)器（3.2T及以上）。
   探索新材料和集成技術(shù)，以克服當(dāng)前面臨的限制。

結(jié)論
   全球PIC市場將實(shí)現(xiàn)強(qiáng)勁增長，主要得益于人工智能和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用對(duì)高性能收發(fā)器需求的增長。預(yù)計(jì)到2034年，PIC的市場價(jià)值將達(dá)到220億美元，在塑造從電信到量子計(jì)算等各行業(yè)的未來方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

    隨著研究人員和公司繼續(xù)在材料科學(xué)、集成技術(shù)和制造工藝方面進(jìn)行創(chuàng)新，我們可以預(yù)見，PIC將在光通信、傳感和計(jì)算領(lǐng)域不斷突破極限。集成復(fù)雜性、成本管理和生產(chǎn)周期等挑戰(zhàn)依然存在，但PIC技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)正在推動(dòng)這一領(lǐng)域持續(xù)投資和發(fā)展。

   無論是為人工智能工作負(fù)載提供更快的數(shù)據(jù)傳輸，提高醫(yī)療診斷工具的靈敏度，還是推動(dòng)實(shí)用量子計(jì)算機(jī)道路，PIC都處于技術(shù)創(chuàng)新的前沿。隨著市場不斷發(fā)展，了解PIC技術(shù)的最新發(fā)展對(duì)于電信、數(shù)據(jù)中心管理、醫(yī)療保健和汽車工程等各個(gè)行業(yè)的專業(yè)人士都很重要。

參考資料
https://picmagazine.net/article/119677/A_bright_future_for_the_global_PIC_market?A%20bright%20future%20for%20the%20global%20PIC%20market=