光芯片行业专题研究

1.数字经济时代瑰宝，光芯片高成长赛道1.1.半导体重要分支，数据驱动绝佳赛道光电子技术实现光与电优势互补，系全球半导体应用的重要分支。当前光子技术传输容量已经被人们充分发掘，但光子计算处理能力仍处于早期操控阶段。电子技术由于发展时间较长，在运算功能上仍难被光子取代，在现有技术条件下，各取所长是人类技术发展的必然趋势。光电子领域已是全球半导体应用重要分支，广泛应用在光通信和消费电子领域。根据2022年8月全球半导体协会WTI的统计及预测数据，2022年光电子市场空间约435亿美元，在半导体四大分支排名第二，约占7%的空间。光通信应用是光电子产业链的重要分支。根据《中国光电子器件产业技术发展路线图2018-2022》，光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。从光电子器件的应用看，主要包括用于通信领域的光通信器件和光纤光缆，显示领域的显示面板、OLED显示面板，用于照明领域的LED照明芯片/模块等光照明器件，以及应用于传感领域的图像传感器等光传感器件。其中，按利用光的属性区分（信息传输属性和能量属性），光通信、光传感均属于信息光子，光照明、光显示均属于能量光子。光通信芯片是伴随流量增长的绝佳赛道。根据Omdia预测，综合蜂窝网，有线接入和Wifi等三种接入渠道统计，全球总网络流量2019-2024年复合增长率28%，预计到2024年，全球流量将达到576万PB。在流量增长的需求带动下，通信基础设施如数据中心、电信传输网光口速率、密度不断提升。目前，无线接入网已经从10G转向25G，城域网线路侧也从10GDWDM到目前将大量采用100G相干高速率端口，领先的云厂商数据中心光芯片从25G逐渐向50G/100G/200G速率进行升级。流量应用端带来的需求增长是光通信芯片发展的核心驱动因素。光芯片是光通信核心元件，广泛应用于光收发模块中。光芯片属主要应用于光通信系统的发射和接收端，实现光电信号的相互转化，可分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要实现电信号转换为光信号，探测器芯片则将光信号还原为电信号。具体地，光芯片广泛应用于光收发模块中。制作工序上百道，行业以IDM模式为主。GaAs、lnP等三五族半导体材料。由于三五族半导体材料并不如集成电路可大规模标准化使用，而是需要很多产线、工艺的Knowhow积累，因此各家光芯片厂商的制作方案各不相同。但大体的制造流程，主要需要经过四大步骤：购买衬底-外延生长-后端工艺-测试封装。光芯片厂商主要向成熟的磷化铟、砷化镓衬底厂商购买衬底。接下来主要是光芯片厂商自己的设计和生产工序。以常见的RWGDFB激光器芯片为例，主要流程可以用两次外延、四次光刻与刻蚀、掩膜层制备、两次金属电极制备，以及减薄、解理、镀膜、耦合封装等工艺，加上各个流程中材料准备、仪器调整、清洁等辅助流程，25GDFB激光器生产工序超过280道，而中低速率激光器也需要200-230道工序。光芯片厂商在每个步骤的差距，都会导致最终产品巨大数量级的影响。为此，除了少数玩家，国内专业光芯片厂商、光芯片模块厂商通常采用IDM模式。1.2.材料与结构各异，市场规模约14亿美金光芯片类别较多，可从材料和结构两维度进行区分。光芯片属于半导体激光器/探测器，从结构看，激光器常用的结构有面发射结构的VCSEL，和边发射(EEL)的FP、DFB和EML，发光材料衬底主要有lnP和GaAs。而目前商用的探测器主要结构有PIN、APD两种，材料体系较为多样，Si/Ge/LnP均是可选用的材料。光发射芯片种类较多，应用场景各异。其中，VCSEL主要应用于短距离传输，成本、功耗较低，在数据中心内数百米内占统治地位，已经得到广泛使用；FP是多纵模激射的激光器，主要应用于GPON、EPON等低速率接入场景，工艺已比较成熟；DFB主要在FP上进行改进，使得实现单波长的出射，主要应用于中短距离较高速率的固定接入网和无线接入网，25GDFB是目前广泛应用在基站前传、中传的主力光芯片；EML由于在LnP上集成了DFB激光器和外调制器，需要两次或多次外延，工艺难，良率低，但其调制和发射性能较好，可以广泛应用在10km以上的城域网、传输网等。光接收芯片按内部结构分，可分为PN结构、PIN结构和APD结构。其中，PN结构由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN结构广泛代替。PIN主要应用于短距离（2km以下），成本较低；而APD由于可实现光子的雪崩倍增现象，对光电探测灵敏度有很大提升，但由于成本较为昂贵，广泛应用于中长距离如城域网、5G中回传等场景。光收发芯片约占光模块20%-25%的成本，光发射芯片价值量较大。在主要的应用场景光模块中，以典型的100GCWDM4光模块成本为例，普遍采用四通道25G速率的LD芯片和PD芯片（或芯片阵列），光芯片约占总成本23%，其中，我们预计光发射芯片占比BOM成本达到20%，探测器芯片约占比3%。采用成本占比法谨慎测算下，全球光芯片市场约14亿美金。我们采用较为谨慎的测算方法，过程如下：采用光模块市场规模×光模块营业成本×光芯片成本占比测算。1).光模块市场规模采用Lightcounting预测值；2.光模块平均毛利率30%；3.考虑光芯片在成本中占比20%。测算下2022年全球约14亿美金，2026年将快速上升到23.2亿美金。1.3.面向全球竞争，高端亟需突破光芯片属于光通信产业最上游，是不可或缺的环节。光芯片是下游有源器件、光模块中必不可少的元件。国内厂商按覆盖环节主要分专业光芯片厂商和光芯片模块综合厂商。其中，专业光芯片企业包括源杰科技、武汉敏芯、中科光芯、光安伦、云岭光电、仕佳光子等；而综合光芯片模块厂商包括光迅科技、海信宽带、华为海思等。高端光芯片国产供给与下游需求错配。需求侧，下游光通信模块、设备厂商在全球份额市占率已经较高。以模块为例，根据Lightcounting统计2021年前十模块供应商中，我国模块厂商占了5家。此外，2021年87亿美金的全球光模块销售额中，我国模块供应商占比超过一半以上。上下游的供需错配将成为我国光芯片产业持久的发展动力。绝大多数模块厂商并不具备光芯片研发自给能力，需要国内产业链的大力支持。国内仅少数模块厂商如光迅科技、华为海思、海信宽带、华工正源等具备光芯片研发和生产能力，绝大部分厂商需要依赖外部合作或者海外光芯片供应商的长期供应。对于大多数模块厂商而言，当前时点自研光芯片投入大，短期产出缓慢，亟需国内产业链的大力支持。本土光芯片将参与全球竞争，成长不止于国产替代。除了下游国内模块厂商市占率已经较高以外，由于我国具备人口红利、工程师红利和市场红利等三大红利优势，全球海外知名模块厂商均在我国拥有办事处、产能、代工厂或销售服务部门，这也意味着，本土的光芯片企业不仅有机会参与到国内客户的供应链，也有接触海外客户的机遇。1.4.高速模块增长，国产切入量价齐升高速率模块以多通道为主，高速芯片需求成倍数增长。100G以上高速率模块普遍采用四通道或八通道方案。例如，400GDR4将采用4个100G的光芯片，100GCWDM4将采用4个25G的光芯片，800GDR8将采用8个100G的光芯片。因此，随着未来光模块市场高速率占比提升，带来的高端光芯片用量将是4倍、8倍的增长。100G以上模块贡献增量，高速芯片用量快速提升。根据Lightcounting对电信市场和数通市场的统计，100G以上模块占比市场规模将继续提升，电信市场2022年将有超过一半的模块是100G以上，数通市场则在2018年已经有超过一半的模块市场是100G以上模块带动的。我们认为，高速率模块在电信、数通市场的广泛应用，将带动高端光芯片用量的快速提升。芯片速率越高，价值量水平更好。市场上按光芯片速率分，可分为2.5G、10G、25G、50G、100G等主流速率的芯片。一般而言，速率越高，芯片的制作难度越大，供应商也相对较少，价格更高。以源杰招股书披露的数据为例，2.5G芯片平均价格在3元左右，但10G、25G芯片的价格是其3-4倍，甚至接近10倍。同时，最高端的100GEML一颗可达十几美金以上，这也意味着，高速率芯片不仅需求量跟随高速模块提升，使用的单个模块的芯片价值量也在成倍提升。国内光芯片厂商产品结构正向高端切换，有望迎来量价齐升。国内厂商平均产品结构主要为2.5G和10G，海外厂商的产品结构主要为25G及以上更高速率的光芯片。对于国内厂商而言，产品结构将在高端突破的过程中不断优化，单位芯片价值量有望快速提升。同时整体光芯片需求量每年都有10%-20%的增长，国内厂商处于绝佳的量价齐升的上升期。2.国产高端突破主旋律，新应用领域正快速扩展光芯片应用场景主要分三大类。三大场景包括4G/5G无线网络，固定宽带网络，数据中心场景。光芯片的市场增长中，一是跟随下游光模块的用量走，二是跟随高价值量芯片最集中的场景。从发展历史看，光纤接入市场由于贴近家庭、企业用户，光模块需求量上亿，是全球用量最大的场景；数据中心则是高端、高价值量芯片最集中的场景，当前广泛应用的100G/200G/400G/800G模块需要大量的25G/50G/100G光芯片，合计达到数千万量级，也是值得重视的市场。移动通信市场前传达到千万量级，中回传达到百万量级，技术难度较高，属于需要继续突破的市场。我们认为光纤接入和数据中心两个场景将在2023-2025年迎来较为明显的确定性机遇。边际上，光纤接入场景迎来国内外10GPON升级，家庭端和运营商机房局端将迎来明显机会。数通场景是传统的高端光芯片主力市场，长期被日本、美国芯片厂商垄断，也是国内产业链往高端突破绕不开的路。移动通信市场周期性较强，以较为成熟的10G、25G为主，市场有望平稳发展。2.1.光纤接入：全球景气周期，10GPON升级明确光纤接入网络是家庭宽带用户上网的主要承载网络。通常网络使用光纤从运营商机房局端设备连接到光分路器，再进入到家庭用户的光猫处，其中在局端设备侧将大量使用到OLT光模块，以及在家庭用户光猫中的ONU光模块。局端设备侧光模块通常采用适合高速率、大功率、长距离传输的EML芯片，价值量较高，而家庭用户侧通常采用DFB芯片。光纤接入市场光模块用量以亿为量级，也是光芯片用量最多的场景。根据Omdia统计，终端ONU、OLT模块每年需求量在数亿量级。运营商局端OLT侧，我们考虑单个PONOLT模块中含有1个光芯片（少数模块例如ComboPONOLT模块需要向下兼容以往的GPON，拥有不同波长的2个光芯片），考虑OLT端口每年全球约千万量级；而ONU端考虑每年出货量有望达到2亿片，则OLT和ONU全球FTTH光芯片用量加总大致在2-3亿片，是光芯片用量最多的场景。10GPON升级景气度高，可展望2-3年高景气。局端（运营商机房）提供高速上网能力，需要运营商提前部署，根据2022年11月工信部数据，我国10GPON端口超过1400万个，大概渗透率达到存量PON端口的1/3；而家庭端需要家庭用户自身选择是否更换上网套餐和网关设备，千兆用户数达到约8707万个，大概占5亿家庭用户15%。从渗透率角度看，我们预计2023-2025年仍将是国内10GPON升级渗透的景气周期。海外光纤网络建设迅猛，全球各地区加大投入。疫情爆发后，欧洲、北美、发展中国家及地区大力投入宽带网络设施建设。根据FTTHGlobalAlliance的数据，2021年9月的数据显示，墨西哥渗透率仅19.6%，而美国的渗透率仅21.5%。根据欧洲FTTHCouncilEurope发布的2021年9月数据，欧盟27国光纤覆盖率约48.5%，欧盟39国光纤覆盖率约57.0%，而光纤服务订阅者比覆盖率更低。而根据《中国宽带白皮书2021》，我国光纤接入用户FTTH/O已经超过4.8亿户，在固定宽带用户中占比94.1%。对比而言，欧洲、北美光纤覆盖渗透率提升还有很大空间。北美XGS-PON未来有望高增长。根据Dell’OroGroup分析，2019-2022年北美地区XGS-PONOLT端口出货量增长2231%，从2019年的3.2万个跃升至2022年的74.8万个。如果供应链问题得到解决，2022年的出货量数字或将更高。我国设备商占比较高，国内光芯片产业链有望受益。根据Omdia2022Q1统计，滚动一年中PON设备市场华为市占率达到36%，中兴占比22%，烽火占比6%，中国设备商占比超过60%以上。考虑下游市占率较高的前提下，国内的光芯片产业链有望持续受益。光纤接入市场以2.5G和10G芯片为主，国产化水平已经较高。根据ICC数据，2.5G及以下市场，国内光芯片企业如源杰、敏芯、中科光芯、仕佳、光安伦等已经占据主要市场份额。公司主要以差异化竞争，面向附加值更高的1270nm/1490nm为主，所以发货量排名不占领先地位。10G光芯片市场中我国光芯片企业已经基本掌握核心技术，根据ICC统计，全球10GDFB市场中公司占比20%，已经超过住友电工、三菱电机等。2.2.数据中心：光芯片技术高地，国产化空间大海外云厂商持续升级，100G/400G模块升级至800G/1.6T。海外互联网厂商如Meta、Google、Amazon等拥有规模较大、技术先进的数据中心集群，是每一轮光模块速率升级需求最先出现的地方。当前，根据800GMSA白皮书，2022-2023年海外北美市场对光模块速率需求从200G/400G升级到800G。考虑到高速率模块通常采用多通道方案，意味着50G、100G光芯片用量将快速提升。该领域海外企业历史悠久，先发优势明显。25G以上高速率芯片目前几乎全部由海外厂商供应，主要有博通、Lumentum、三菱、AOI、住友、Macom等，其中欧美的厂商主要通过收并购核心资产的方式发展激光器业务，而日本厂商主要通过自身研发传承，因此两类企业主要的激光器业务部门历史都较长，先发优势较为明显。海外厂商在激光器前沿持续创新能力强。在OFC2020，多家欧美日厂商均公布其前沿的激光器研究成果，主要方向为高速率和PAM4调制来提升单通道速率，主要厂家有II-VI，博通、NTT等厂商。国内厂商当前速率仍主要在10G-25G领域，仍有很大的追赶空间。国内厂商数通领域份额高，上游光芯片国产化空间较大。根据Omdia数据，我国模块厂商中际旭创、光迅科技、华工科技、新易盛等均在全球数通市场占据较好份额。此外，海外模块厂商均在国内有办事处或产能，本土光芯片企业可以实现本土化服务，国产化空间较大。2.3.移动通信：前传国产应用广泛，中回传仍需突破5G光模块速率较4G时代有明显提升。2020年起，我国5G网络开始规模建设。其中，5G网络结构可大致分为前传、中回传，其中前传传输距离一般在10km以内，主要是基站侧和机房的连接，4G时代普遍采用10G光模块，当前主要使用10G/25G的光模块，未来有望升级到50G。中回传速率要求比较高，主要是汇聚层或核心网络层级的长距离连接，通常需要的模块速率达到100G及以上。为高效利用已有光纤资源，前传波分复用方案部署规模扩大。当前5G前传主要有四种波分方案，分别为CWDM、LWDM、MWDM和DWDM可调谐。其中，CWDM实际上在4G时代也已经逐渐使用，4G大量采用的仍是光纤直驱方案，仅采用少量CWDM；但5G时代为了提升系统容量，业务光波长的间隔逐渐减少或者产生偏移，产生如LWDM、MWDM等应用于前传的种类，，需要产业链尤其是光芯片上游进行快速的研发和量产来进行配合。当前，由于可以复用已有的产业链，CWDM、MWDM、LWDM应用进展较快，25G波分侧芯片需求量不断上升。产业协作下，25G前传光芯片国产厂商基本覆盖，成为良好替代机遇。在5G建设早期，国内主要使用10G超频等方案进行过渡，而在国内三大运营商提出四种主流彩光方案后，国内产业链协作不断加深，模块厂与芯片厂的互动更加频繁，使得大陆众多领先光芯片厂商均在短时间内可参加送样、测试和量产的全流程，打破了主要由日本等厂商把持高速率芯片和组件的格局，25G前传光芯片有望成为国内高端芯片崛起和高端替代的良好机遇。中回传光芯片难度大，国内厂商有望突破。中回传光模块通常传输距离超过10km，最高达到40或80km，且传输速率往往大于100G，需要采用25GBaud及以上速率EML芯片或者高波特率的探测器芯片。中回传接收端和发射端要求芯片产品性能好，但技术难度较大，而且电信级应用对可靠性要求较高，国产化率也较低。2.4.集成光学：大功率DFB应用伊始，当前标准仍在制定硅光应用现有成熟的CMOS工艺进行光器件开发和集成，在光模块领域应用逐渐广泛。硅光的特点是可以实现高密度的光电集成，然后通过类似芯片一样的大规模生产，持续降低模块生产成本，与传统模块相比具备更高的成本优势。据Lightcounting预测，硅光模块有望在2024年全球销售额超过40亿美金。大功率DFB激光器是随硅光模块兴起的新应用需求。在实际BOM成本中，硅光方案的光模块主要应用高速率的光模块，如400G/800G等，其优势在于可以将多通道的器件元件进行集成，大幅降低多通道模块的尺寸和体积，适应交换机端口更加密集的要求。由于硅自身能级结构的原因，天然无法高效率发光，因此目前主要有两种方案。一种为在硅光芯片上异质集成激光器，这种方案依赖于自有晶圆工厂，绝大部分模块器件厂商不具备这样的能力；另一种是将连续发光的DFB激光器通过外部耦合的方法导入硅光芯片，其中的关键点在于提高耦合效率和弥补硅光的损耗，往往需要大功率、小发散角、宽工作温度的DFB激光器。共封装光学系统有望是硅光技术的进一步延续，同样提出高功率、低噪声、低功耗的要求。OIF组织以及在CPO标准化下做了不少工作，定义了1个3.2T的光模块，可用于最终51.2T容量的CPO。2021年光通信行业组织发布了《CW-WDMMSATechnicalSpecificationsRev1.0》，其对硅基高密度共封装光学等外置光源应用进行了初步的规范，同样要求外置激光器光源满足单模、高功率、低噪声、低功耗、连续稳定工作。2.5.激光雷达：1550DToF和FMCW路径应用广泛汽车激光雷达产业蓬勃发展，市场规模有望不断扩大。当前，汽车正进入更高阶智能驾驶阶段，作为传感器的激光雷达因为探测精度高具有广泛应用前景。根据Yole最新报告分析，当前激光雷达主要应用领域有汽车ADAS、自动驾驶汽车，工厂自动化、智慧建筑、风能，地理探测等领域。其中，应用在汽车领域的激光雷达市场规模有望从2020年的2600万美元，快速增长到2026年的23亿美元，年复合增长率有望达到94%。多种技术路径并存，当前发射和接收端成本占比约40%-50%。当前，激光雷达技术路径较多，各家厂商路径不一，但大致可以分为发射端、接收端和扫描端。根据SystemPlus拆解，Livox激光雷达成本中，激光二极管、光电二极管大致占比成本约11%；而在SystemPlus对另一款MEMS激光雷达拆解中，发射端（包含激光器、振镜）、接收端（探测器芯片、Asic芯片）等大致合计占比成本约40%-50%。激光雷达1550波长方案性能优良，有望随着产业链成熟上量。发射端技术方案较多，但若按使用的光波长来划分，主要分为905nm，1550nm。根据Yole2021年汽车和工业应用激光雷达的报告，905nm激光雷达是当前主流，大致占比69%；而1550nm方案紧随第二，占比约14%。1550方案和905方案各有优劣。虽然当前上车方案占比暂时不高，但1550波长因为对人眼无害、抗干扰能力强，被认为在未来有广泛的应用前景。目前，全球Luminar、图达通、一径科技、镭神等是采用1550波长的知名激光雷达厂商，同时其他主流激光雷达厂商也有报道投入到1550方案的研究中。1550nmdToF方案需使用磷化铟材料体系的激光器和探测器，光通信芯片厂商切入有明显优势。由于1550波长也是光通信里应用广泛的通信波段，主要基于的发光材料体系为磷化铟（LnP），封装形式可为TO、蝶形等。发射端，为实现大功率、远距离探测，1550nm当前主要采用光纤激光器方案，其主要由种子源、泵浦源、合束器、增益光纤等组成，具有输出功率高、光束质量好、速度快的优点。其中，种子源模组主要用脉冲式DFB激光器芯片。探测端，1550nm近红外波段可使用InGaAs近红外探测器，光通信芯片厂商也较为熟悉。我们认为，在1550nm方案逐渐发展的背景下，源杰切入该赛道，具有较大的技术积累优势。大功率、窄线宽、高频谱线性度的DFB激光器有望应用到FMCW激光雷达。FMCW激光雷达主要依赖光学的相干探测原理，通过傅里叶变换获得距离和速度两个参数。由于采用频率变化的原理获得参数，需要采用高度线性化、窄线宽、大功率的激光器，才能满足相应要求。同时FMCW芯片通常采用硅光集成方案，与硅光模块结构也有相通之处。3.重点公司分析3.1.光迅科技：全球领先的全链条厂商光迅科技是全球领先的光通信器件及系统解决方案供应商，也是我国光电产业稀缺的产品能力覆盖芯片、器件、模块、子系统的全链条供应商。公司前身是我国邮电部固体器件研究所，自2001年成立以来，一直专注于我国核心光电器件的研发，多次承担国家重点科研攻坚项目，有能力对光电子器件进行系统性、战略性研究开发。公司2009年在深交所挂牌上市，是国内首家上市的光电子器件企业。公司产品囊括各类有源、无源光器件及子系统解决方案。从应用领域看，电信市场公司产品囊括接入网、汇聚网、核心网、骨干网等各类场景，数通市场产品包括主流的10G/40G、100G、400G等各速率光模块解决方案。兼具无源和有源光芯片能力，多领域实现芯片自给。公司芯片能力发展历史悠久，一方面通过2013年收购海外芯片厂商IPX及2016年收购Almae，获得了核心的AWG、PLC无源芯片及lnP基EML、DFB有源芯片能力，另一方面通过自研及国家光电子创新中心合作研发，已经形成较强的技术储备，当前公司10G及以下速率光芯片已经十分成熟，25GVCSEL、DFB已得到广泛应用。光纤接入领域10GEML已经应用于10GPONOLT模块中，移动通信领域10G/25GDFB已实现大部分自给，数通领域25GVCSEL等也实现自用。根据公司交流纪要，内部应用的光芯片换算成销售额大致为5-6亿元。此外，公司凭借原有技术能力，自2022年起进军激光雷达领域，并在2022年下半年发布一系列1550车载用激光器和探测器芯片。3.2.仕佳光子：无源龙头，有源新星硅基无源芯片龙头，首家登陆A