Markt für photonische integrierte Schaltkreise Größe und Ausblick, 2023-2031

Marktübersicht

Der weltweite Markt für photonische integrierte Schaltkreise hatte im Jahr 2022 einen Wert von 10.314,05 Millionen USD . Bis 2031 soll er voraussichtlich 63.603,49 Millionen USD erreichen und im Prognosezeitraum (2023–2031) mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 22,4 % wachsen.

Die ICs verwenden Photonen zur Datenübertragung, im Gegensatz zu elektronischen ICs, die Elektronen zur Datenübertragung verwenden. Optische Strahlen sind elektrischen Halbleiteransätzen vorzuziehen, da sie mehr Daten transportieren und schnellere Datenübertragungsraten ermöglichen als kupferbasierte Kommunikation. Das System ist diskret, da optische Geräte verwendet werden. Darüber hinaus können diese Chips mit grundlegenden elektronischen Schaltkreisen kombiniert werden, was ihren Einsatzbereich erweitert. Einer der Hauptfaktoren, die den Markt für photonische integrierte Schaltkreise antreiben, ist die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, die diese Schaltkreise ermöglichen, wodurch sie für verschiedene Anwendungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Industrie, Kommunikation, Versorgungswirtschaft und Energie geeignet sind.

Marktdynamik

Globale Markttreiber für photonische integrierte Schaltkreise

Investitionen und Forschung zur Miniaturisierung der PICs

Laut Automobil-, Luftfahrt- und Telekommunikationsunternehmen, die zusammenarbeiten, um Spektrometer für die LiDAR-Industrie herzustellen, besteht ein erheblicher Bedarf an kompakten, preisgünstigen und zuverlässigen integrierten Photonik-Schaltkreisen. Daher besteht eine starke kommerzielle Nachfrage nach Miniaturisierung. Das entsprechende Gerät bestand aus einer Schicht Siliziumdioxid und einer dünnen Beschichtung aus Lithiumniobat (LN), wodurch ein Modulator entstand, der bei hoher Geschwindigkeit arbeiten konnte und gleichzeitig kompakt und energieeffizient war. Das elektrooptische Modalvolumen des Modulators betrug 0,58 m3 und wies eine Modulationsbandbreite von 17,5 GHz und eine Abstimmungseffizienz von 1,98 GHz/V auf. Eine deutliche Verbesserung der Verarbeitungsbandbreite, Latenz und Energieeffizienz ist erwünscht, da integrierte optische Signalprozessoren zusammen mit herkömmlichen elektrischen Signalprozessoren den Weg für fortschrittliche Hardwareplattformen zur Signalverarbeitung ebnen.

Laut Mitsubishi Electric Research Laboratories sucht die Silizium-Photonik-Plattform nach neuen Bausteinen, um die Prozessorleistung zu erweitern und wertvolle Funktionen bereitzustellen, die mit der zunehmenden Miniaturisierung von Geräten Schritt halten. Darüber hinaus soll die ultradichte Integration komplizierter Schaltkreise in Prozessorchips ermöglicht werden.

Globale Marktbeschränkung für photonische integrierte Schaltkreise

Anhaltende Nachfrage nach herkömmlichen ICS

Obwohl hybride photonische integrierte Schaltkreise unglaublich effizient sind und mehrere Vorteile gegenüber ihren Vorgängern/herkömmlichen ICs bieten, ist ihre Marktdurchdringung relativ begrenzt. Viele Gießereien produzieren im aktuellen Marktumfeld erhebliche Mengen hybrider photonischer integrierter Schaltkreise. Es wird noch an den Materialien geforscht, die für die kostengünstige Herstellung von hybriden PICs in großen Mengen erforderlich sind. Die Durchdringung konventioneller ICs in volumengesteuerten Anwendungen erleichtert dank Verbesserungen in diesem Bereich das anhaltende Wachstum in Ermangelung von IoT-Hardware. Ein weiterer Faktor, der den Einsatz von PICs in volumenbasierten Anwendungen behindert, ist der wachsende Bedarf an allgemeinen ICs für smarte oder intelligente Systeme.

Globale Marktchancen für photonische integrierte Schaltkreise

Zunehmende Anwendungen in Telekommunikation und Rechenzentren

Rechenzentren und die Telekommunikationsbranche profitieren erheblich von der Verwendung von Hybrid-PICs. Der Hauptgrund für den zunehmenden Einsatz von Hybrid-PICs in den Telekommunikations- und Rechenzentrumsmärkten ist der hohe Bedarf an Datenübertragungsraten, den herkömmliche ICs nicht unterstützen können. Die Weiterentwicklung von 5G und Hochgeschwindigkeitsnetzen wird für eine weitere Beschleunigung verantwortlich gemacht. Die Entwicklung und weit verbreitete Verwendung von Transceivern und passiven Komponenten hat PICs zu einer bekannten Technologie in der Telekommunikationsbranche gemacht. Das Aufkommen von 5G hat die drahtlose und Funktechnologie bekannter gemacht. Photonik und Glasfaser haben jedoch eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung zu und von der neuen Basisstationsgeneration gespielt. Ein hohes Maß an Innovation hilft auch anderen Herstellern bei der Entwicklung kostengünstiger Hybrid-PIC-Hardware, um ihre Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus wächst das Verkehrsvolumen, das Rechenzentren bewältigen müssen, aufgrund des Anstiegs von Cloud-Anwendungen (DC) schnell.

Regionalanalyse

Der globale Markt für photonische integrierte Schaltkreise ist in vier Regionen unterteilt: Nordamerika, Europa, Asien-Pazifik und LAMEA.

Asien-Pazifik dominiert den Weltmarkt

Der asiatisch-pazifische Raum leistet den größten Umsatzbeitrag und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 25,2 % wachsen. Die wachsenden Elektronik- und Telekommunikationssektoren und die rasche Verlagerung vieler Halbleiterproduktionsstandorte in südostasiatische Länder haben den asiatisch-pazifischen Raum, einschließlich China, zu einem bedeutenden Markt gemacht. Chinas PIC-Technologien haben sich in den letzten zehn Jahren schnell weiterentwickelt. Im Land wurden mehr als neun wichtige PIC-Projekte gestartet. Es wurden verschiedene Materialtechnologien und Plattformen für zahlreiche Anwendungen mit Schwerpunkt auf Breitbandkommunikation entwickelt, darunter optische und drahtlose Netzwerke, optische Verbindungen und kohärente optische Kommunikation.

Europa wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 22,6 % wachsen. Die Europäische Kommission, das Exekutivorgan der EU, hat über mehrere Jahre in die Technologie photonischer integrierter Schaltkreise (IC) investiert. Dabei handelt es sich um hochmoderne Investitionen in Grundlagenforschung, die Entwicklung von Proof-of-Concept-Geräten und -Software und seit kurzem auch in die Pilotfertigung. Infolgedessen gibt es in den Regionen derzeit ein florierendes PIC-Ökosystem, das das Potenzial hat, die Leistungsfähigkeit der PIC-Technologien freizusetzen und seinen Bewohnern in vielerlei Hinsicht wirtschaftliche und soziale Vorteile zu bringen.

Darüber hinaus wurden mehrere andere Initiativen gestartet, um die PIC-Entwicklung in Europa voranzutreiben. InPulse ist beispielsweise eine Pilotinitiative, die Unternehmen mit großartigen Ideen, aber ohne PIC-Produktionsanlagen, Zugang zur neuesten Produktionstechnologie für PICs auf Indiumphosphid-Basis bietet. Industrie- und F&E-Unternehmen aus den europäischen Telekommunikations- und Mikroelektroniksektoren entwickeln derzeit eine hochrangige strategische Roadmap grundlegender Technologien für zukünftige Verbindungssysteme und -komponenten, die auf die nächste Generation von Telekommunikationsnetzen und -diensten abzielen.

In Nordamerika treiben Rechenzentren und WAN-Anwendungen (Wide Area Network) der Glasfaserkommunikation den Markt für Geräte auf Basis photonischer integrierter Schaltkreise (PIC) an. Die schnelle Verbreitung des IoT und die steigende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung haben den Datenverkehr im Cloud Computing erhöht. Die Region verfügt nun über eine potenziell aufstrebende Branche für photonische integrierte Schaltkreise. Bis Ende 2021 wird Nordamerika voraussichtlich die höchste Verbreitung des Cloud-Marktes aufweisen. Das US-Militär beabsichtigt, photonische integrierte Schaltkreise für Hochleistungsgeräte zur Positionsbestimmung, Navigation und Zeitmessung (PNT) zu bauen. Dies könnte das GPS in Situationen ohne GPS-Signale ersetzen, was von Vorteil ist. Das US-Militär beabsichtigt, photonische integrierte Schaltkreise für Hochleistungsgeräte zur Positionsbestimmung, Navigation und Zeitmessung (PNT) zu bauen. Dies könnte das GPS in Situationen ohne GPS-Signale ersetzen, was von Vorteil ist.

Im Nahen Osten haben Elektronik- und Photoniktechnologien in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da der Schwerpunkt verstärkt auf dem Aufbau der technologischen Grundlagen liegt. So wurden im National Science Technology and Innovation Plan beispielsweise Innovationen in Saudi-Arabien anerkannt. King Abdulaziz City for Science and Technology (KACST) ist eine private, gemeinnützige, unabhängige nationale Forschungs- und Entwicklungsagentur, die Saudi-Arabiens wissensbasierte Gesellschaft und Wirtschaft unterstützt. Um die steigende Nachfrage nach Dienstleistungen von Unternehmen in der Region zu nutzen, kündigte IBM die Eröffnung von zwei Rechenzentren in den Vereinigten Arabischen Emiraten an. Dies ist das erste Vorstoß des Unternehmens in den Cloud-Speichersektor im Nahen Osten und Afrika.

Segmentanalyse

Der globale Markt für photonische integrierte Schaltkreise ist nach Komponententyp, Rohstoffart, Integrationsprozess und Anwendung segmentiert.

Basierend auf der Art der Komponente ist der globale Markt in Laser (optischer Laser), Modulatoren, Detektoren, Transceiver, Multiplexer/Demultiplexer und optische Verstärker unterteilt.

Das Segment Laser (optischer Laser) leistet den größten Beitrag zum Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 22,3 % wachsen. Ein Laser dient als Quelle und ist für den effektiven Betrieb photonischer integrierter Schaltkreise von entscheidender Bedeutung. Laser können in photonische integrierte Schaltkreise (ICs) eingebaut oder extern verwendet werden. Der beliebteste Halbleiter für hybride photonische integrierte Schaltkreise sind Distributed-Feedback-Laser (DFB). DFB-Halbleiterlaser können mithilfe einer integrierten Gitterstruktur hergestellt werden, die einem gewellten Wellenleiter ähnelt. DFB ist ein Faser- oder Halbleiterlaser mit einem einzigen Resonatormodus (Einzelfrequenzbetrieb). Bei der Faserlasermethode erfolgt die gestreute Reflexion in einem Faser-Bragg-Gitter, typischerweise mit einer Länge von einigen Zentimetern oder Millimetern. Neben einer breiten Palette neuartiger Anwendungen wie Fasersensorik, 3D-Sensorik, Gassensorik und Krankheitsdiagnose wie Atem- und Gefäßüberwachung wird ein DFB hauptsächlich als optisches Signal für optische Fernkommunikation mit hoher Kapazität verwendet.

Ein Halbleiterbauelement namens Elektroabsorptionsmodulator wird verwendet, um die Intensität eines Laserstrahls mithilfe einer elektrischen Spannung zu verändern (optischer Modulator). Es funktioniert, indem es das Absorptionsspektrum verändert, das durch ein angelegtes elektrisches Feld hervorgerufen wird, wodurch die Bandlückenenergie modifiziert wird, die Anregung von Trägern jedoch weitgehend ausgeschlossen wird. Im Vergleich zu elektrooptischen Modulatoren können EAMs mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten und niedrigeren Spannungen betrieben werden. Da diese Bauelemente Modulationsbandbreiten von mehreren zehn GHz erreichen können, sind sie für hybride photonische ICs nützlich. EAMs werden in externen Modulationsverbindungen in der Telekommunikation und in internen Verbindungen in integrierten photonischen und elektrischen Geräteschaltungen verwendet. EAMs können mit zehnmal niedrigeren Spannungen betrieben werden, erzeugen zehnmal weniger Wärme und ermöglichen eine schnellere Signalübertragung als aktuelle Modulationsmethoden.

Basierend auf der Art des Rohmaterials ist der globale Markt in III-V-Material, Lithiumniobat, Silica-on-Silicium und andere Rohstoffe unterteilt.

Das III-V-Materialsegment besitzt den größten Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 21,8 % wachsen. Materialien wie GaAs, InP, GaN, InAs und InSb sind die gängigsten III-V-Materialien. Indiumphosphid und Galliumarsenid sind zwei Beispiele für III-V-Halbleiter, die als Lichtquellen verwendet werden. Diese Materialien werden häufig als diskret verpackte Komponenten implementiert. Diese externen Lichtquellen weisen typischerweise einen größeren Kopplungsverlust, einen großen physischen Formfaktor und hohe Verpackungskosten auf. Das III-V-Halbleiterverbindungsmaterial Galliumarsenid (GaAs) wird in mehreren integrierten Schaltkreisen und Feldeffekttransistoren (FETs) (ICs) verwendet. GaAs-basierte optoelektronische Komponenten sind aufgrund ihrer hohen Elektronenmobilität hilfreich für schnelle elektronische Schaltanwendungen, die bei Frequenzen über 200 GHz arbeiten.

Eines der wesentlichen Elemente für künftige rein optische Kommunikationsnetze ist Silica-on-Silicon (SoS). Die monolithische Integration passiver dielektrischer Komponenten mit aktiven Halbleiterschaltkreisen und photonischen Geräten stellt den Trend hin zu planaren Lichtwellenschaltungen (PLCs) auf Siliziumplattformbasis in Frage. Aufgrund ihrer Vorteile wie geringes Gewicht und begrenzte Einsatzmöglichkeiten sind Verbindungsanwendungen für die SOS-Leistung am vorteilhaftesten. Die Eigenschaften der Schichten, aus denen die Struktur planarer SoS-Wellenleitergeräte besteht, wirken sich jedoch erheblich auf deren Leistung aus. In optischen WDM-Kommunikationssystemen (Wellenlängenmultiplex), als wellenlängenselektive Geräte und in der optischen Sensorik, einschließlich Biosensoren und bioanalytischer Mikrotechniken, finden Geräte auf Basis der SoS-Wellenleitertechnologie mit eingeprägten Bragg-Gittern zunehmend Anwendung.

Basierend auf dem Integrationsprozess ist der globale Markt in einen hybriden und einen monolithischen Markt unterteilt.

Das monolithische Segment leistet den größten Beitrag zum Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 21,8 % wachsen. Bei der monolithischen Integration werden verschiedene Materialien auf demselben Wafersubstrat hergestellt. Im Vergleich zu Hybridsystemen weist die monolithische Integration einige Nachteile in Bezug auf die Leistung auf. Bei der monolithischen Integration ist keine individuelle Optimierung und Prüfung aller Komponenten vor der Montage möglich. Daher kann die Hybridintegration eine bessere Leistung und Designfreiheit bieten. Ein monolithisch integrierter photonischer integrierter Schaltkreis wurde in verschiedenen aktiven und passiven optischen Geräten mit einem einzigen Material verwendet, um Probleme bei der Verwendung mehrerer Materialien zu vermeiden. Diese photonischen integrierten Schaltkreise auf einem Chip haben gegenüber hybriden photonischen integrierten Schaltkreisen mehrere Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz und Zuverlässigkeit.

Ein photonischer integrierter Schaltkreis wird aus zwei oder mehr Materialien unter Verwendung der Hybridintegrationstechnik hergestellt. Diese Hybridtechnologie hat den Hauptvorteil, dass für jede spezifische optische Funktion die optimalen Materialien ausgewählt werden können. Das Mischen mehrerer Materialien ist jedoch notwendig, da jedes Material ein einzigartiges Design hat. Jüngste Fortschritte in der chipbasierten photonischen Quantenschaltkreistechnologie haben die Quanteninformationsverarbeitung dramatisch beeinflusst. Es hat sich für monolithische photonische Plattformen als schwierig erwiesen, die hohen Anforderungen der meisten Quantenanwendungen zu erfüllen. Diese Einschränkungen monolithischer photonischer Schaltkreise können durch Hybridplattformen gelöst werden, die mehrere photonische Technologien in einer einzigen Funktionseinheit kombinieren. Aufgrund ihrer hohen Effizienz und niedrigeren Herstellungskosten haben hybride photonische integrierte Schaltkreise viele Verwendungsmöglichkeiten, darunter drahtlose Kommunikation, High-End-Computer, Server, Rechenzentren, medizinische Geräte sowie Militär- und Luftfahrtprodukte.

Basierend auf der Anwendung ist der globale Markt in Telekommunikation, Biomedizin, Rechenzentren und andere Anwendungen unterteilt.

Das Segment der Rechenzentren besitzt den größten Markt und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich um durchschnittlich 21,9 % wachsen. Die Server-Racks sind in den Rechenzentren über ein komplexes Netz aus Glasfaserkabeln durch optische Verbindungen verbunden. Derzeit unterstützen optische Leitungen mit 4x25 Gb/s (Einzelkanal) oder 100 Gb/s (Lane) den Datenverkehr innerhalb des Rechenzentrums. Singlemode-Glasfasern sind die bevorzugte optische Technologie zum Überbrücken großer Entfernungen in diesen Netzwerken, die Daten über Glasfaserlängen von einigen Metern bis zu 2 Kilometern übertragen. Um den wachsenden Datenbedarf zu decken, ist es wahrscheinlicher, dass die Betreiber von Rechenzentren ihre Netzwerke in den nächsten Jahren auf optische Verbindungen mit 400 Gb/s aufrüsten werden (indem sie 4x100 Gb/s-Lanes pro Verbindung zusammenfassen). Die Nachfrage nach kostengünstiger, energieeffizienter optischer Kommunikation wird in Rechenzentren exponentiell steigen und den Markt für photonische integrierte Schaltkreise (ICs) antreiben.

Neue Dienste wie Ultrabandbreiten-Videodienste, Cloud-Verbindungsdienste für Rechenzentren und 5G-Mobilfunkdienste fördern die Entwicklung der optischen Transportnetztechnologie. Diese Dienste werden die zukünftige Entwicklung der optischen Kommunikationsbranche und die Transformation der Architektur vorantreiben. Der mobile Zugriff, der mit Videoclients auf allen Smartphones und Tablets ausgestattet ist und das Ansehen von Videos über Netzwerkverbindungen erleichtert, beschleunigt den Ausbau weiter. Da Kupferkabel ihre Grenzen bei der Datenübertragungskapazität erreichen, greifen Netzbetreiber zur Datenübertragung zunehmend auf Laserlichtquellen statt auf elektrische Leiter zurück. Um die Anforderungen datenhungriger Verbraucher zu erfüllen, werden daher Transceiver entwickelt, die einen verbesserten Datentransport und eine verbesserte Kommunikation ermöglichen.

jüngsten Entwicklungen

• Februar 2022 – POET Technologies Inc., Designer und Entwickler des POET Optical Interposer™ und der Photonic Integrated Circuits (PICs) für den Rechenzentrums- und Telekommunikationsmarkt, gab eine Zusammenarbeit mit Liobate Technologies bekannt, um fortschrittliche Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulatoren („TFLN“) in die optischen Motoren von POET zu integrieren, die eine energieeffiziente elektrooptische Konvertierung mit ultrahoher Bandbreite für Rechenzentrums- und Telekommunikationsanwendungen unterstützen.
• November 2022 – II-VI Incorporated tätigte 11 Akquisitionen und eine Investition. Das Unternehmen gab für die Akquisitionen über 3,66 Milliarden USD aus. II-VI Incorporated investierte in mehrere Sektoren wie Telekommunikationsinfrastrukturtechnologie, analoge und gemischte Signal-ICs, Photonik und mehr.