Marktbericht für photonische integrierte Schaltungen: Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Komponententyp (Laser (optische Laser), Modulatoren, Detektoren, Transceiver, Multiplexer/Demultiplexer, optische Verstärker), nach Rohmaterialtyp (III-V-Material, Lithiumniobat, Siliziumdioxid auf Silizium, sonstige Rohmaterialien), nach Integrationsprozess (hybrid, monolithisch), nach Anwendung (Telekommunikation, Biomedizin, Rechenzentren, sonstige Anwendungen) und nach Region (Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik, Naher Osten und Afrika, Lateinamerika) – Prognosen für 2025–2033

Wachstumsfaktoren des Marktes für photonische integrierte Schaltungen

Investitionen und Forschung zur Miniaturisierung der Bilder

Laut Unternehmen aus den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Telekommunikation, die gemeinsam Spektrometer für die [fehlende Angabe] herstellen, besteht ein erheblicher Bedarf an kompakten, preisgünstigen und zuverlässigen integrierten Photonik-Schaltungen.LiDAR-IndustrieDaher besteht eine starke kommerzielle Nachfrage nach Miniaturisierung. Das zugehörige Bauelement bestand aus einer Siliziumdioxidschicht und einer dünnen Lithiumniobat-Beschichtung (LN). Dadurch entstand ein Modulator, der schnell, kompakt und energieeffizient arbeitet. Das elektrooptische Modenvolumen des Modulators betrug 0,58 m³, die Modulationsbandbreite 17,5 GHz und die Abstimmeffizienz 1,98 GHz/V. Eine deutliche Verbesserung der Verarbeitungsbandbreite, der Latenz und der Energieeffizienz ist wünschenswert, da integrierte optische Signalprozessoren, zusammen mit herkömmlichen elektrischen Signalprozessoren, den Weg für fortschrittliche Hardwareplattformen zur Signalverarbeitung ebnen.

Laut den Mitsubishi Electric Research Laboratories sucht die Siliziumphotonik-Plattform ebenfalls nach neuen Bausteinen, um die Prozessorleistung zu erweitern und im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung von Geräten wertvolle Funktionen bereitzustellen. Darüber hinaus soll die extrem dichte Integration komplexer Schaltungen in Prozessorchips ermöglicht werden.

Marktbeschränkung

Anhaltende Nachfrage nach traditionellen ICs

Obwohl hybride photonische integrierte Schaltungen (Hybrid-PICs) äußerst effizient sind und gegenüber herkömmlichen ICs zahlreiche Vorteile bieten, ist ihre Marktdurchdringung noch relativ gering. Viele Halbleiterhersteller produzieren derzeit große Mengen an Hybrid-PICs. Die Forschung an den benötigten Materialien für die kostengünstige Massenproduktion von Hybrid-PICs ist weiterhin im Gange. Dank Fortschritten in der IoT-Hardware-Entwicklung trägt die zunehmende Verbreitung konventioneller ICs in Anwendungen mit hohem Volumenanteil zum anhaltenden Wachstum bei, auch wenn IoT-Hardware noch nicht weit verbreitet ist. Ein weiterer Faktor, der den Einsatz von PICs in solchen Anwendungen hemmt, ist der steigende Bedarf an universellen ICs für intelligente Systeme.

Marktchance

Zunehmende Anwendungen in der Telekommunikation und in Rechenzentren

Rechenzentren und die Telekommunikationsbranche profitieren erheblich vom Einsatz hybrider PICs. Hauptgrund für den zunehmenden Einsatz hybrider PICs in den Telekommunikations- und Rechenzentrumsmärkten ist der Bedarf an hohen Datenübertragungsraten, die herkömmliche ICs nicht erfüllen können. Der Fortschritt von 5G und Hochgeschwindigkeitsnetzen hat diese Entwicklung weiter beschleunigt. Die Entwicklung und der weitverbreitete Einsatz von Transceivern und passiven Bauelementen haben PICs zu einer etablierten Technologie in der Telekommunikationsbranche gemacht. Mit dem Aufkommen von 5G hat die Bedeutung von drahtloser Technologie und Funktechnik weiter zugenommen. Photonik undGlasfaserSie spielten eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung zur und von der neuen Basisstationsgeneration. Hohe Innovationsraten unterstützen zudem andere Hersteller bei der Entwicklung kostengünstiger Hybrid-PIC-Hardware, die ihren Bedarf deckt. Darüber hinaus wächst das Datenverkehrsaufkommen in Rechenzentren aufgrund des zunehmenden Einsatzes von Cloud-Anwendungen rasant.

Regionalanalyse

Der asiatisch-pazifische Raum ist der wichtigste Umsatzträger und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 25,2 % wachsen. Das Wachstum der Elektronik- und Telekommunikationsbranche sowie die rasche Verlagerung vieler Halbleiterproduktionsstätten nach Südostasien haben den asiatisch-pazifischen Raum, einschließlich China, zu einem bedeutenden Markt gemacht. Chinas PIC-Technologien haben sich in den letzten zehn Jahren rasant weiterentwickelt. Im Land wurden mehr als neun wichtige PIC-Projekte realisiert. Verschiedene Materialtechnologien und Plattformen wurden für zahlreiche Anwendungen im Bereich der Breitbandkommunikation entwickelt, darunter optische und drahtlose Netzwerke, optische Verbindungen und kohärente optische Kommunikation.

Markttrends in Europa

Für Europa wird im Prognosezeitraum ein jährliches Wachstum von 22,6 % erwartet. Die Europäische Kommission, das Exekutivorgan der EU, investiert seit Jahren in die Technologie photonischer integrierter Schaltungen (PIC). Dies umfasst wegweisende Investitionen in die Grundlagenforschung, die Entwicklung von Prototypen und Software sowie, in jüngster Zeit, in die Pilotfertigung. Dadurch ist in den Regionen ein florierendes PIC-Ökosystem entstanden, das das Potenzial birgt, die Leistungsfähigkeit der PIC-Technologien voll auszuschöpfen und den Bürgern in vielfältiger Weise wirtschaftliche und soziale Vorteile zu bringen.

Darüber hinaus wurden mehrere weitere Initiativen gestartet, um die Entwicklung von PICs in Europa voranzutreiben. Beispielsweise bietet das Pilotprojekt InPulse Unternehmen mit vielversprechenden Ideen, aber ohne eigene Produktionsanlagen für PICs, Zugang zu modernster Fertigungstechnologie für PICs auf Indiumphosphidbasis. Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen aus den europäischen Telekommunikations- und Mikroelektronikbranchen erarbeiten derzeit einen strategischen Fahrplan für grundlegende Technologien zukünftiger Verbindungs- und Kommunikationssysteme und -komponenten, der auf die nächste Generation von Telekommunikationsnetzen und -diensten abzielt.

Markttrends in Nordamerika

In Nordamerika treiben Rechenzentren und WAN-Anwendungen (Wide Area Network) mit Glasfaserkommunikation den Markt für Geräte auf Basis photonischer integrierter Schaltungen (PICs) an. Die rasante Verbreitung des Internets der Dinge (IoT) und die steigende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung haben den Datenverkehr im Cloud Computing erhöht. Die Region verfügt nun über eine potenziell stark wachsende PIC-Industrie. Bis Ende 2021 wird Nordamerika voraussichtlich den höchsten Anteil an Cloud-Nutzung verzeichnen. Das US-Militär plant die Entwicklung photonischer integrierter Schaltungen für hochleistungsfähige Positions-, Navigations- und Zeitmessgeräte (PNT). Diese könnten GPS in Situationen ohne GPS-Signal ersetzen, was von Vorteil ist.

Markttrends im Nahen Osten

Im Nahen Osten haben Elektronik- und Photoniktechnologien in den letzten Jahren aufgrund des verstärkten Fokus auf den Ausbau der technologischen Infrastruktur an Bedeutung gewonnen. So wurden beispielsweise im Nationalen Wissenschafts-, Technologie- und Innovationsplan Innovationen in Saudi-Arabien anerkannt. Die König-Abdulaziz-Stadt für Wissenschaft und Technologie (KACST) ist eine private, gemeinnützige und unabhängige nationale Forschungs- und Entwicklungseinrichtung, die Saudi-Arabiens wissensbasierte Gesellschaft und Wirtschaft fördert. Um die steigende Nachfrage nach Dienstleistungen von Unternehmen in der Region zu bedienen, kündigte IBM die Eröffnung zweier Rechenzentren in den Vereinigten Arabischen Emiraten an. Dies ist der erste Schritt des Unternehmens in den Cloud-Speichersektor des Nahen Ostens und Afrikas.

Einblicke in die Komponententypen

Der globale Markt ist in Laser (optische Laser), Modulatoren, Detektoren, Transceiver, Multiplexer/Demultiplexer und optische Verstärker unterteilt.

Das Segment der optischen Laser ist der größte Marktteilnehmer und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 22,3 % wachsen. Laser dienen als Lichtquelle und sind für den effektiven Betrieb photonischer integrierter Schaltungen (PCIs) unerlässlich. Sie können in PCIs integriert oder extern eingesetzt werden. Der am häufigsten verwendete Halbleiter für hybride PCIs sind verteilte Rückkopplungslaser (DFB-Laser). DFB-Halbleiterlaser lassen sich mithilfe einer integrierten Gitterstruktur realisieren, die einem gewellten Wellenleiter ähnelt. DFB-Laser sind Faser- oder Halbleiterlaser mit einem einzigen Resonatormodus (Betrieb mit einer einzigen Frequenz). Bei der Faserlaser-Methode findet die dispergierte Reflexion in einem Faser-Bragg-Gitter statt, das typischerweise einige Zentimeter oder Millimeter lang ist. Neben einer Vielzahl neuartiger Anwendungen wie Fasersensorik, 3D-Sensorik, Gassensorik und Krankheitsdiagnostik (z. B. Atemwegs- und Gefäßüberwachung) werden DFB-Laser primär als optische Signalgeber für die optische Kommunikation über große Entfernungen mit hoher Kapazität eingesetzt.

Ein Halbleiterbauelement, der sogenannte elektroabsorptionsmodulator (EAM), dient zur Änderung der Intensität eines Laserstrahls mittels elektrischer Spannung (optischer Modulator). Er funktioniert, indem er das Absorptionsspektrum durch ein angelegtes elektrisches Feld verändert. Dies modifiziert die Bandlückenenergie, verhindert aber weitgehend die Anregung von Ladungsträgern. Im Vergleich zu elektrooptischen Modulatoren arbeiten EAMs deutlich schneller und mit niedrigeren Spannungen. Da diese Bauelemente Modulationsbandbreiten von mehreren zehn GHz erreichen, eignen sie sich für hybride photonische ICs. EAMs werden in externen Modulationsverbindungen in der Telekommunikation und in internen Verbindungen integrierter photonischer und elektrischer Schaltungen eingesetzt. EAMs arbeiten mit zehnmal niedrigeren Spannungen, erzeugen zehnmal weniger Wärme und ermöglichen eine schnellere Signalübertragung als herkömmliche Modulationsverfahren.

Einblicke in die Art des Rohmaterials

Der globale Markt ist in III-V-Materialien, Lithiumniobat, Silica-on-Silicium und andere Rohstoffe unterteilt.

Das Segment der III-V-Materialien hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,8 % wachsen. Zu den gängigsten III-V-Materialien zählen Materialien wie GaAs, InP, GaN, InAs und InSb. Indiumphosphid und Galliumarsenid sind zwei Beispiele für III-V-Halbleiter, die als Lichtquellen eingesetzt werden. Diese Materialien werden häufig als diskrete, gekapselte Bauelemente realisiert. Solche externen Lichtquellen weisen typischerweise höhere Kopplungsverluste, einen größeren Bauraum und hohe Verpackungskosten auf. Das III-V-Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs) findet in zahlreichen integrierten Schaltungen (ICs) und Feldeffekttransistoren (FETs) Verwendung. Optoelektronische Bauelemente auf GaAs-Basis eignen sich aufgrund ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit für schnelle elektronische Schaltanwendungen mit Frequenzen über 200 GHz.

Eine der Schlüsselkomponenten für zukünftige optische Kommunikationsnetze ist Siliziumdioxid auf Silizium (SoS). Die monolithische Integration passiver dielektrischer Komponenten mit aktiven Halbleiterschaltungen und photonischen Bauelementen stellt eine Herausforderung für den Trend zu planaren Lichtwellenleiterschaltungen (PLCs) auf Siliziumbasis dar. Aufgrund ihrer Vorteile wie geringem Gewicht und begrenztem Platzbedarf eignen sich Verbindungsanwendungen besonders gut für die Leistungsfähigkeit von SOS. Die Eigenschaften der Schichten, aus denen die Struktur planarer SoS-Wellenleiterbauelemente besteht, beeinflussen deren Leistung jedoch maßgeblich. In optischen WDM-Systemen (Wellenlängenmultiplex), als wellenlängenselektive Bauelemente sowie in der optischen Sensorik, einschließlich Biosensoren und bioanalytischer Mikrotechniken, finden Bauelemente auf Basis der SoS-Wellenleitertechnologie mit integrierten Bragg-Gittern zunehmend Anwendung.

Einblicke in den Integrationsprozess

Der globale Markt ist in hybride und monolithische Systeme unterteilt.

Das monolithische Segment trägt am meisten zum Markt bei und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,8 % wachsen. Bei der monolithischen Integration werden unterschiedliche Materialien auf demselben Wafer-Substrat hergestellt. Im Vergleich zu Hybridsystemen weist die monolithische Integration einige Leistungsnachteile auf. Sie erlaubt keine individuelle Optimierung und Prüfung aller Komponenten vor der Montage. Daher kann die Hybridintegration eine höhere Leistung und größere Designfreiheit bieten. Monolithisch integrierte photonische Schaltkreise werden in verschiedenen aktiven und passiven optischen Bauelementen mit nur einem Material eingesetzt, um Probleme durch die Verwendung mehrerer Materialien zu vermeiden. Diese photonischen Ein-Chip-Schaltkreise bieten gegenüber hybriden photonischen Schaltkreisen mehrere Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz und Zuverlässigkeit.

Ein photonischer integrierter Schaltkreis wird mithilfe der Hybridintegrationstechnik aus zwei oder mehr Materialien hergestellt. Der Hauptvorteil dieser Hybridtechnologie liegt darin, dass für jede spezifische optische Funktion die optimalen Materialien ausgewählt werden können. Die Kombination mehrerer Materialien ist jedoch notwendig, da jedes Material ein einzigartiges Design aufweist. Jüngste Fortschritte in der chipbasierten photonischen Quantenschaltungstechnologie haben die Quanteninformationsverarbeitung maßgeblich beeinflusst. Monolithische photonische Plattformen konnten die hohen Anforderungen der meisten Quantenanwendungen bisher nur schwer erfüllen. Diese Einschränkungen monolithischer photonischer Schaltkreise lassen sich durch Hybridplattformen überwinden, die verschiedene photonische Technologien in einer einzigen Funktionseinheit vereinen. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und geringeren Herstellungskosten finden hybride photonische integrierte Schaltkreise vielfältige Anwendung, unter anderem in der drahtlosen Kommunikation, im High-End-Computing, in Servern, Rechenzentren, Medizingeräten sowie in Produkten für Militär und Luft- und Raumfahrt.

Anwendungseinblicke

Der globale Markt ist in Telekommunikation, Biomedizin, Rechenzentren und sonstige Anwendungen unterteilt.

Das Segment der Rechenzentren hält den größten Marktanteil und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 21,9 % wachsen. Die Serverracks in den Rechenzentren sind über ein komplexes Netz von Glasfaserkabeln mittels optischer Verbindungen miteinander verbunden. Aktuell wird der Datenverkehr innerhalb der Rechenzentren durch optische Leitungen mit 4 x 25 Gbit/s (Einzelkanal) oder 100 Gbit/s (Lane) unterstützt. Singlemode-Faser ist die bevorzugte optische Technologie für die Übertragung großer Entfernungen in diesen Netzwerken, die Daten über Faserlängen von wenigen Metern bis zu 2 Kilometern übertragen. Um den steigenden Datenbedarf zu decken, ist es wahrscheinlich, dass Rechenzentrumsbetreiber ihre Netzwerke in den nächsten Jahren auf optische Verbindungen mit 400 Gbit/s aufrüsten werden (durch die Bündelung von 4 x 100 Gbit/s pro Verbindung). Die Nachfrage nach kostengünstiger und energieeffizienter optischer Kommunikation wird in Rechenzentren exponentiell steigen und den Markt für photonische integrierte Schaltungen (ICs) antreiben.

Neue Dienste wie Videodienste mit extrem hoher Bandbreite, Cloud-Verbindungen für Rechenzentren und 5G-Mobilfunknetze fördern die Entwicklung optischer Transportnetztechnologien. Diese Dienste werden die zukünftige Entwicklung der optischen Kommunikationsbranche und den damit einhergehenden Architekturwandel vorantreiben. Der mobile Zugriff, der durch Videoclients auf allen Smartphones und Tablets das Ansehen von Videos über Netzwerkverbindungen vereinfacht, beschleunigt diese Entwicklung zusätzlich. Da Kupferkabel an ihre Grenzen der Datenübertragungskapazität stoßen, setzen Netzbetreiber zunehmend auf Laserlichtquellen anstelle elektrischer Leiter zur Datenübertragung. Um den Bedarf datenhungriger Verbraucher zu decken, werden daher Transceiver entwickelt, die einen verbesserten Datentransport und eine optimierte Kommunikation ermöglichen.