市場調査レポート
商品コード
1370863
シリコンフォトニクス市場-世界の産業規模、動向、機会、予測、2018-2028コンポーネント別、用途別、導波路別、製品別、材料別、地域別、競合別に区分Silicon Photonics Market- Global Industry Size, Share, Trends, Opportunities, and Forecast, 2018-2028 Segmented By Component, By Application, By Waveguide, By Product, By Material, By Region and Competition |
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シリコンフォトニクス市場-世界の産業規模、動向、機会、予測、2018-2028コンポーネント別、用途別、導波路別、製品別、材料別、地域別、競合別に区分 |
出版日: 2023年10月03日
発行: TechSci Research
ページ情報: 英文 183 Pages
納期: 2~3営業日
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シリコンフォトニクス市場は、5G産業の急速な開拓とクラウドベースのサービス需要の急増が相まって、シリコンフォトニクス市場で製品を提供する企業に多くの機会を提供し、予測期間中に成長すると予想されています。
シリコンフォトニクス技術には、長年にわたって大手企業が関心を示してきました。インテル・コーポレーション、シスコシステムズ、IBMコーポレーション、ジュニパーネットワークスなどは、成長するシリコンフォトニクス市場での優位性を主張するために多額の投資を行っています。しかし、そのような巨大な成長にもかかわらず、シリコンフォトニクス市場は、さまざまな通信システムの採用における問題、熱影響のリスク、通信分野での商業化の欠如など、多くの課題に直面しています。
市場概要 | |
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予測期間 | 2024-2028 |
市場規模 | 13億4,000万米ドル |
2028年市場規模 | 60億9,000万米ドル |
CAGR 2023-2028 | 28.79% |
急成長セグメント | 自動車 |
最大市場 | 北米 |
シリコンフォトニクス技術は通信業界を一変させると予想されています。これまでは、データは銅配線を通じて電気信号の形で伝送されていました。しかし、5G通信のような高速データ通信を可能にする技術の出現により、銅線では最大スループットが計算速度のボトルネックになる可能性が出てきました。したがって、シリコンフォトニクスでは、よりパターン化されたシリコンが、データを運ぶレーザー信号の伝送に使用され、より多くのデータをより速く移動させながら、より少ない消費電力も可能にする可能性を秘めています。さらに、シリコンフォトニクスは、現在のシリコンベースの技術と同じ大量生産が容易です。さらに、インテル・コーポレーションなどの企業は、5GやIoTアプリケーションに使用される100Gシリコンフォトニック・トランシーバーのポートフォリオを強化しています。
シリコンフォトニック技術は、帯域幅、電磁界への耐性、光ファイバーとの互換性、柔軟性などの優れた特徴により、主に光通信システムやネットワークで使用されています。相補型金属酸化膜半導体(CMOS)互換プロセスによるフォトニックデバイスの製造は、低コストでフットプリントを縮小した回路に新たな道を開き、光技術を多くのネットワークセグメントや新しいアプリケーションで利用できるようにしました。5Gは、4Gのベースバンドユニット(BBU)、無線リモートユニット(RRU)、アンテナを集中ユニット(CU)に再構築します。一方、分散型ユニット(DU)とアクティブ・アンテナ・ユニット(AAU)により、ネットワークにはフロントホール、ミッドホール、バックホールが組み込まれることになります。このような変化により、5Gネットワークアーキテクチャの重要なリンクに関連する高帯域幅と距離の要件を満たす光トランシーバに対する要求が高まっています。
スマートフォンやその他の接続デバイスの増加により、データトラフィックが増加しています。これらのデバイスは、ある時点でネットワークを介して大量のデータを転送するため、最終消費者の5Gに対する需要がさらに高まっています。大手ネットワーク・ソリューション・プロバイダーであるTelefonaktiebolaget LM Ericssonによると、世界の月間モバイル・データ・トラフィックは、2023年末までに100エクサバイト(EB)を超えると予想されています。さらに、ヘルスケア、家電、自動車分野からの高速ネットワーク・ソリューションへのニーズは、5Gサービス・プロバイダーに絶大な機会をもたらしています。したがって、5Gインフラストラクチャの需要増加は、シリコンフォトニクス市場の成長にプラスの影響を与えそうです。
電気通信業界は、銅線による高速・大容量データ伝送の需要急増に対応するための改善ソリューションとして光ファイバー技術を採用しています。現在、膨大な量のデータが長距離ファイバーで送受信されているため、光-電気-光変換を必要とし、信号ロスを引き起こす消費電力の大きい電気スイッチの置き換えが進んでいます。このため、伝送品質を向上させ、1つの伝送を数十台、場合によっては数千台のサーバーにつなぐフォトニック・スイッチが登場しました。
さらに、シリコンベースのフォトニック・スイッチは先進的なCMOS技術を使用しており、低コストで大容量であるため、強力なプラットフォームとして研究者から大きな注目を集めています。さらに、従来の銅線ケーブルはデータ転送能力が遅いため、データセンターの進化やハイパフォーマンス・コンピューティング(HPC)を妨げています。さらに、HPCアプリケーションやデータセンター、あるいは増大するデータ量を効率的に管理するには不適切とされています。一方、シリコンフォトニクスの場合、コンピューターチップ間のデータ転送は光線によって行われ、導電体よりも短時間で大量のデータを転送することができます。シリコンフォトニクス技術の進歩により、1tbpsのデータ転送速度をコスト効率よく実現できると期待されています。
インテル・コーポレーション、IBMコーポレーション、シスコシステムズなどの企業は、シリコンフォトニクスをデータセンター・システムのデータ交換方法を再構築し、よりスリムなラック装置を実現できる有望な技術と見なしています。そのため、これらの企業は技術に投資しています。IBMコーポレーションは、シリコンナノフォトニクス技術に投資しています。シリコンナノフォトニクスは、電気信号の代わりに光を使ってデータを転送する技術で、サーバー、大規模データセンター、スーパーコンピューターのコンピューターチップ間で、光のパルスによって大量のデータを迅速に転送することができます。シリコンフォトニクス・チップの統合により、信号強度が強いため、長距離からの大容量データ(100GB以上)の転送が容易になっています。現在、シリコンフォトニクス技術は北米や欧州などの地域で広く使われています。さらに、データセンターなどのアプリケーションでより高い帯域幅の需要が高まるにつれて、業界は製造プロセスを推進する垂直統合へとシフトしていくと思われます。加えて、オプトエレクトロニクス製品開発は、今後数年間で研究活動が活発化すると予想されます。
データセンター展開の増加:データセンターは、情報の取り込み、計算、保存、管理において重要な役割を果たしています。しかし、多くのデータセンターは不便で効率が悪く、時代遅れです。そのため、データセンター事業者は、常に変化し続ける世界に合わせてデータセンターをアップグレードしています。さらに、シスコシステムズ社は、2021年にはデータセンター内のトラフィックが3倍に増加し、グーグル、アマゾン、フェイスブック、アップル、マイクロソフトなどの大手企業が開発したようなハイパースケール施設のシェアが高くなると主張しています。ハイパースケールデータセンターは、そのアーキテクチャにより、事実上どんな規模にも拡張することができます。これらのセンターでは、個々のサーバーやそれをサポートする機器など、基本的な構成要素間で一括データを移動させるために高速接続が必要となります。
データセンターにおける最先端の伝送速度は、ほとんどが100Gb/秒です。しかし、業界では現在、400Gb/秒程度の速度を目指しています。また、この速度は今後も上昇すると予想されています。この速度は、シリコンフォトニクスソリューションが通信構造により深く入り込みやすくなることを意味しています。さらに、PICの最大の量的需要は、データや通信ネットワークのデータセンター相互接続(またはDCI)であり、5Gワイヤレス技術、自動車、医療用センサーなどの新しいアプリケーションが登場しています。リン化インジウム(InP)が最も多く使用されているが、シリコンフォトニクスの成長速度も速いです。シリコンフォトニクス技術は、さまざまなデータセンターのシステム間接続に採用されています。この技術はさらに、サーバー内のチップ上のセクション間にも移動すると予想されています。
シリコンフォトニクスは、データ通信、アクセスネットワーク、帯域幅を必要とするエレクトロニクスのI/Oに応用され、また、分光やセンシングの新たなアプリケーションとともに、高帯域幅光通信において急速に成熟度を増しています。フォトニクスとエレクトロニクスの統合は、サイド・バイ・サイド、スタック、同一チップ上など、フォトニクスの性能を最大限に引き出すために必要です。しかし、フォトニクスとエレクトロニクスの組み合わせは、複雑なフォトニクス回路とエレクトロニクス回路のコード設計やコ・シミュレーション、フォトニクス回路を扱える検証アルゴリズム、ばらつきへの耐性など、設計側にさまざまな新しい問題を引き起こす可能性があります。
製造プロセス、設計プラットフォーム、システムレベルのアプリケーションのための具体的なデバイス設計には、まだ大きな課題が残っています。シリコンフォトニクスの基本的な価値提案は、現在の最先端のマイクロエレクトロニックチップと比較して、低解像度のCMOSプロセスを使用した成熟した製造プロセスを活用できることです。しかし、高品質の電子デバイスのための既存の製造技術は、必ずしも高品質の光デバイスを大量に実現するものではないです。シリコンフォトニクスデバイスにおけるCMOSとフォトニクスのモノリシック集積は、特定の製造プロセスの設計ルールに強く依存しており、現在、高歩留まりを達成するためには後処理が必要なデバイスを生み出しています。
シリコンフォトニクスデバイスのシステムレベルの実装では、パッケージングが重要な役割を果たします。シリコンフォトニクスデバイスを市場性のあるものにするためには、費用対効果の高い堅牢なパッケージングが必要です。シリコンフォトニクスが実行可能なプラットフォームとなるためには、パッケージングの自動化が必要です。パッケージングにおける重要な問題は、大量の光接続、熱安定性、電子部品の適切なパッケージングです。商用シリコンフォトニクスデバイスのほとんどはトランシーバーです。グレーティングカプラは、エッジカップリングに比べ、ミスアライメントの影響を受けにくいため、一般的に光接続を提供します。しかし、グレーティングカプラは波長選択性があるため、大きなスペクトル帯域幅のソリューションへの使用は困難です。
シリコンフォトニックデバイスのパッケージングでは、熱安定性も重要な問題です。これらのデバイスの中には、熱によって屈折率が大きく変化するものがあります。デバイスは、外部からの温度変動がデバイスの動作を変化させないようにパッケージングされなければならないです。さらに、シリコンフォトニクスの物理的特性は、このような過剰な熱の発生につながる2光子吸収であり、1対の光子の助けを借りて電子と正孔のペアが励起されるプロセスです。しかし、このプロセスは不要な熱と光を発生させる。熱の発生により、シリコンフォトニクス技術は、熱汚染が周囲の温度を著しく上昇させるため、環境に優しくない技術と考えられています。そのため、熱電冷却器(TEC)を使ったパッケージングが一般的になってきています。しかし、これらの部品はデバイス全体の電力とコストを増加させる。
世界のシリコンフォトニクス市場は、コンポーネント、アプリケーション、導波路、製品、材料、地域に区分されます。コンポーネントに基づくと、市場はレーザー、変調器、PIC、光検出器、超低損失導波路に区分されます。アプリケーション別では、市場はデータセンター、通信、家電、ヘルスケア、自動車、その他に区分されます。導波管に基づくと、市場は400~1500NM、1310~1550NM、900~7000NMに区分されます。製品別では、トランシーバ、可変光減衰器、スイッチ、ケーブル、センサに区分されます。材料別では、市場はシリコンまたはシリコンベース合金、リン化インジウム、その他に区分されます。地域別では、北米、アジア太平洋、欧州、南米、中東・アフリカに区分されます。
本レポートでは、世界のシリコンフォトニクス市場を以下のカテゴリーに分類し、さらに業界動向についても詳述しています:
(注:企業リストはお客様のご要望に応じてカスタマイズ可能です。)
Silicon photonics market is expected to grow during the forecast period due to the rapid developments in the 5G industry, combined with the surge in demand for cloud-based services, which provide a plethora of opportunities to companies that offer products in the silicon photonics market. Over the years, major players have shown interest in the silicon photonics technology. Intel Corporation, Cisco Systems, Inc., IBM Corporation, and Juniper Networks, Inc., among other players, have invested heavily to assert their dominance in the growing silicon photonics market. However, even with such enormous growth, the silicon photonics market is facing many challenges, including problems in adopting different communication systems, risk of thermal effects, and lack of commercialization in the telecommunication sector.
The emerging technology that transmits data inside computer chips via optical beams is called silicon photonics. There is a significant opportunity in the future since silicon photonics. Due to this, can transfer more data while using less power and without any signal loss.
Market Overview | |
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Forecast Period | 2024-2028 |
Market Size 2022 | USD 1.34 Billion |
Market Size 2028 | USD 6.09 Billion |
CAGR 2023-2028 | 28.79% |
Fastest Growing Segment | Automotive |
Largest Market | North America |
Silicon photonics technology is expected to change the telecommunication industry completely. Until now, data was transmitted in the form of electrical signals through copper wiring. However, the emergence of technologies, such as 5G communication that enables faster data speeds, and the maximum throughput that copper allows for can potentially act as a bottleneck on computing speeds. Hence, with silicon photonics, more patterned silicon will be used to transmit data-carrying laser signals and carry the potential to allow more data to be moved around faster while also consuming less power. Moreover, silicon photonics can be easily manufactured at the same mass scale as current silicon-based technologies. Moreover, companies such as, Intel Corporation are intensifying their portfolio of 100G silicon photonics transceivers to be used for 5G and IoT applications.
Silicon photonic technologies are primarily used in optical communication systems and networks due to their favoring features such as bandwidth, immunity to electromagnetic fields, and compatibility with optical fiber and flexibility. The fabrication of photonic devices through complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) compatible processes has paved a new path for low cost and reduced footprint circuits, making optical technologies available for numerous network segments and new applications. 5G rebuilds the 4G baseband unit (BBU), radio remote unit (RRU) and antenna into the centralized unit (CU). On the other hand, the distributed unit (DU) and active antenna unit (AAU) ensure that the network will incorporate fronthaul, midhaul, and backhaul. These changes have increased the demands for optical transceivers to meet the high bandwidth and distance requirements associated with critical links in the 5G network architecture.
The rising number of smart phones and other connected devices has increased the data traffic, as these devices transfer large amount data across a network at a given point of time, further creating the demand for 5G from end consumers. As per Telefonaktiebolaget LM Ericsson, a leading network solution provider, the monthly global mobile data traffic is expected to exceed 100 ExaBytes (EB) by the end of 2023. Furthermore, the need for high-speed network solutions from healthcare, consumer electronics, and automotive sectors has created an immense opportunity for 5G service providers. Hence, the increasing demand for 5G infrastructure is going to positively impact the growth of silicon photonics market.
The telecom industry has embraced fiber-optic technology as an improved solution to meet the surging demand for higher speeds and large-capacity data transmission over the electrical copper wires. At present, a huge amount of data is transmitted and received over long-haul fibers, which has led to the replacement of high power-consuming electrical switches that require optical-electrical-optical conversions and cause signal loss. This has led to the emergence of photonic switches to improve transmission quality and link a single transmission to tens and sometimes thousands of servers.
Moreover, silicon-based photonic switches use advanced CMOS technology to garner huge attraction from researchers as a powerful platform because of their low cost and high capacity. Moreover, traditional copper cabling is stifling datacenter evolution and high-performance computing (HPC) because of its slow data transfer capacity. Moreover, it is deemed inadequate for HPC applications, data centers, or efficiently managing growing data volumes. On the other hand, in the case of silicon photonics, data is transmitted among computer chips by optical rays, which can transmit large amounts of data in shorter time than electrical conductors. With the increasing advancements in silicon photonics technology, it is anticipated that it can realize data transfer speed at 1 tbps in a cost-effective manner.
Companies such as Intel Corporation, IBM Corporation, and Cisco Systems, Inc. consider silicon photonics as a promising technology that can reshape how datacenter systems exchange data and create leaner rack equipment. Therefore, these companies are investing in technology. IBM Corporation has invested in its silicon nano-photonics technology, which uses light instead of electrical signals to transfer data, enabling huge volumes of data to be transferred swiftly between computer chips in servers, large data centers, and supercomputers via pulses of light. With the integration of silicon photonics chips, it has become easier to transfer large chunks of data (>100 GB) from long distances because of the strong signal strength. Currently, silicon photonics technology is used extensively in regions such as North America and Europe. Furthermore, as the demand for higher bandwidth increases in applications such as data centers, the industry would be shifting toward vertical integration to drive the manufacturing process. In addition, it is expected that optoelectronics product development is going to witness an increased number of research activities in the coming years.
Rising Deployment of Data Centers: Data centers have witnessed a crucial role in the ingestion, computation, storage, and management of information. However, many data centers are clunky, inefficient, and outdated. Hence, to keep them running, data center operators are upgrading them to fit the ever-changing world. Additionally, in 2021, Cisco Systems, Inc. claimed that traffic within data centers will increase three times, with a high amount of share attributed in hyperscale facilities such as those developed by leading players including Google, Amazon, Facebook, Apple, and Microsoft. Hyperscale data centers can be expanded to virtually any desirable size due to their architecture. These centers require high-speed connections to move lump-sum data between their basic building blocks, such as the individual servers and their supporting equipment.
The state-of-the-art transmission rates in data centers are mostly of 100 Gb/s. However, the industry is currently aiming to deploy a speed of around 400 Gb/s. This speed is also anticipated to increase going forward. The growing speed signifies the fact that silicon photonics solutions would be able to proceed deeper into the communications structure easily. Moreover, the largest volume demand for PICs is for data center interconnects (or DCIs) in data and telecom networks, with new applications coming, such as 5G wireless technology, automotive or medical sensors. Indium phosphide (InP) is the most used, but silicon photonics is growing at a faster rate. Silicon photonics technology is being adopted in system-to-system connections in various data centers. The technology is further expected to move between the sections on the chips within the servers as well.
Silicon photonics is rapidly gaining maturity in high bandwidth optical communication, with applications in datacom, access networks, and I/O for bandwidth-intensive electronics along with emerging applications in spectroscopy and sensing. The integration of photonics and electronics is needed to get the most optimum performance out of the photonics, such as side-by-side, stacked, or on the same chip. However, the combination of photonics and electronics can create a range of new problems on the design side, such as codesign and co-simulation of complex photonic and electronic circuits, verification algorithms that can handle photonic circuits, and tolerance to variability.
There are still major challenges in the fabrication processes, design platforms, and specific device design for system-level applications. The fundamental value proposition of silicon photonics is that it can leverage mature fabrication processes using lower resolution CMOS processing compared to current state-of-the-art microelectronic chips. However, the existing fabrication techniques for high-quality electronic devices do not necessarily realize high-quality optical devices in large volumes. Monolithic integration of CMOS with photonics in silicon photonic devices is strongly dependent on the design rules of the specific fabrication processes, leading to devices that currently must be post-processed to achieve high yield.
Packaging plays a significant role in system-level implementations of silicon photonics devices. Cost-effective, robust packaging is required for silicon photonic devices to be marketable. For silicon photonics to be a viable platform, there is a requirement for the automation of packaging. Significant problems in packaging are high-volume optical connections, thermal stability, and proper packaging of electronic components. Most commercial silicon photonics devices are transceivers. Grating couplers typically provide optical connections, as they are less sensitive to misalignment, as compared to edge-coupling. However, grating couplers are wavelength-selective, making their use for large spectral-bandwidth solutions difficult.
Thermal stability is also a significant issue in the packaging of silicon photonic devices. Some of these devices use large thermally induced changes in the refractive index. The devices must be packaged such that external temperature fluctuations do not alter the operation of the device. Moreover, the physical properties of silicon photonics, which lead to this excess thermal generation, is two-photon absorption, a process in which an electron-hole pair is excited with the help of a pair of photons. This process, however, generates unwanted heat and light. Due to thermal heat generation, silicon photonics technology is considered a non-ecofriendly technology, as thermal pollution increases the surrounding temperature significantly. Therefore, packaging with thermal electric coolers (TEC) is becoming more common. However, these components add to the overall power and cost of the device.
The global silicon photonics market is segmented into component, application, waveguide, product, material, and region. Based on component, the market is segmented into lasers, modulators, PICs, photodetectors, ultra-low-loss waveguides. Based on application, the market is segmented into data centers, telecommunication, consumer electronics, healthcare, automotive, and others. Based on waveguide, the market is segmented into 400-1,500 NM, 1,310-1,550 NM, 900-7000 NM. Based on product, the market is segmented into transceivers, variable optical attenuators, switches, cables, sensors. Based on material, the market is segmented into silicon or silicon-based alloys, indium phosphide, and others. Based on region, the market is segmented into North America, Asia-Pacific, Europe, South America, and Middle East & Africa.
Major market players in the global silicon photonics market are Intel Corporation, Luxtera Inc. (Subsidiary of Cisco Systems, Inc.), Acacia Communications, Inc., Infinera Corporation, IBM Corporation, Finisar Corporation, STMicroelectronics N.V., Fujitsu Ltd., OneChip Photonics Inc., and NeoPhotonics Corporation
In this report, global silicon photonics market has been segmented into following categories, in addition to the industry trends which have also been detailed below:
(Note: The companies list can be customized based on the client requirements)