光芯片行业市场前瞻与投资战略规划

光芯片行业市场前瞻与投资战略规划

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，预计光发射芯片占比BOM成本达到20%，探测器芯片约占比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。光电子产业链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。光芯片行业未来发展趋势（一）光传感应用领域的拓展，为光芯片带来更多的市场需求光芯片在消费电子市场的应用领域不断拓展。目前，智能终端方面，已使用基于3DVCSEL激光器芯片的方案，实现3D信息传感，如人脸识别。根据Yole的研究报告，医疗市场方面，智能穿戴设备正在开发基于激光器芯片及硅光技术方案，实现健康医疗的实时监测。同时，随着传统乘用车的电动化、智能化发展，高级别的辅助驾驶技术逐步普及，核心传感器件激光雷达的应用规模将会增大。基于砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的光芯片作为激光雷达的核心部件，其未来的市场需求将会不断增加。（二）下游模块厂商布局硅光方案，大功率、小发散角、宽工作温度DFB激光器芯片将被广泛应用随着电信骨干网络和数据中心流量快速增长，更高速率光模块的市场需求不断凸显。传统技术主要通过多通道方案实现100G以上光模块速度的提升，然而随着数据中心、核心骨干网等场景进入到400G及更高速率时代，单通道所需的激光器芯片速率要求将随之提高。以400GQSFP-DDDR4硅光模块为例，需要单通道激光器芯片速率达到100G。在此背景下，利用CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代硅光技术成为一种趋势。硅光方案中，激光器芯片仅作为外置光源，硅基芯片承担速率调制功能，因此需将激光器芯片发射的光源耦合至硅基材料中。凭借高度集成的制程优势，硅基材料能够整合调制器和无源光路，从而实现调制功能与光路传导功能的集成。例如400G光模块中，硅光技术利用70mW大功率激光器芯片，将其发射的大功率光源分出4路光路，每一光路以硅基调制器与无源光路波导实现100G的调制速率，即可实现400G传输速率。硅光方案使用的大功率激光器芯片，要求同时具备大功率、高耦合效率、宽工作温度的性能指标，对激光器芯片要求更高。（三）磷化铟（InP）集成光芯片方案是满足下一代高性能网络需求的重要发展方向为满足电信中长距离传输市场对光器件高速率、高性能的需求，现阶段广泛应用基于磷化铟（InP）集成技术的EML激光器芯片。随着光纤接入PON市场逐步升级为25G/50G-PON方案，基于激光器芯片、半导体光放大器（SOA）的磷化铟集成方案，如DFB+SOA和EML+SOA，将取代现有的分立DFB激光器芯片方案，提供更高的传输速率和更大的输出功率。此外，下一代数据中心应用400G/800G传输速率方案，传统DFB激光器芯片短期内无法同时满足高带宽性能、高良率的要求，需考虑采用EML激光器芯片以实现单波长100G的高速传输特性。同时，随着应用于数据中心间互联的波分相干技术普及，基于磷化铟（InP）集成技术的光芯片由于具备紧凑小型化、高密集成等特点，可应用于双密度四通道小型可插拔封装（QSFP-DD）等更小型端口光模块，其应用规模将进一步的提升。（四）中美贸易摩擦加快进口替代进程，给我国光芯片企业带来增长机遇近年来中美间频繁产生贸易摩擦，美国对诸多商品征收关税，并加大对部分中国企业的限制。由于高端光芯片技术门槛高，我国核心光芯片的国产化率较低，主要依靠进口。根据《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》，10G速率以下激光器芯片国产化率接近80%，10G速率激光器芯片国产化率接近50%，但25G及以上高速率激光器芯片国产化率不高，国内企业主要依赖于美日领先企业进口。在中美贸易关系存在较大不确定的背景下，国内企业开始测试并验证国内的光芯片产品，寻求，将促进光芯片行业的自主化进程。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。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。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。光芯片行业的市场竞争格局根据LightCounting并结合行业数据测算，2021全球光通信用光芯片市场规模为146．70亿元，其中2．5G、10G及25G及以上光芯片市场规模分别为11．67亿元、27．48亿元、107．55亿元。结合ICC数据测算，2021年我国光芯片厂商的销售规模为37．37亿元。我国光芯片厂商包括专业化光芯片企业、光芯片光模块一体化企业。其中，专业化光芯片企业专注于光芯片领域且产品种类齐全，而光芯片光模块一体化企业为确保光芯片供应安全，除直接对外采购光芯片外，会通过自研或收购光芯片业务开发部分型号光芯片产品，与专业化光芯片企业存在合作大于竞争的关系。光芯片的发展概况光通信指的是以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式，通过光芯片和传输介质实现对光的控制。20世纪60年代，激光器芯片技术和低损耗光纤技术出现，激光器芯片材料和结构不断发展，逐步实现对激光运行波长、色散问题、光谱展宽等的控制。经过结构设计、组件集成和生产工艺的改进，目前EML激光器芯片大规模商用的最高速率已达到100G，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50G。在不断满足高带宽、高速率要求的同时，光芯片的应用逐渐从光通信拓展至包括医疗、消费电子和车载激光雷达等更广阔的应用领域。光芯片行业产业链从产业链角度看，光芯片与其他基础构件（电芯片、结构件、辅料等）构成光通信产业上游，产业中游为光器件，包括光组件与光模块，产业下游组装成系统设备，最终应用于电信市场，如光纤接入、4G/5G移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等领域。光通信产业链中，组件可分为光无源组件和光有源组件。光无源组件在系统中消耗一定能量，实现光信号的传导、分流、阻挡、过滤等交通功能，主要包括光隔离器、光分路器、光开关、光连接器、光背板等;光有源组件在系统中将光电信号相互转换，实现信号传输的功能。（一）市场规模不断扩大，5G助力光芯片需求增长近年来，中国逐渐成为全球最大的光通信市场，光芯片市场规模也逐年扩大。2015-2021年，国内光芯片市场从8亿美元扩大到20．8亿美元，年均复合增长率超过15%。中国光芯片市场的扩大与市场需求的增长密不可分。从中国光芯片终端应用市场来看，电信市场、数据中心市场和消费电子市场是其主要应用市场。其中，电信市场份额约占60%；数据中心市场份额约占30%；电子市场的市场份额约占10%。随着中国5G时代的到来，国内电信市场、数据中心市场、消费电子市场也面临发展机遇。据悉，早在去年8月，我国已建成99．3万个5G基站，居世界第一。5G基站已覆盖全国所有地级市、95%以上的县和35%的乡镇。随着国内5G基站的大规模建设，对光模块的需求再次被拉动，对光芯片的需求也在增加。而且一般来说，5G单基站光模块的数量比4G单基站光模块多2-4个，5G基站的建设对光芯片需求的拉动作用很大。据测算，5G基站光芯片的市场规模约为4G基站的2．8倍。（二）低端光学芯片技术相对成熟，高端光学芯片技术欠缺资料显示，中国通信设备占全球份额的40%-70%，光模块约占全球份额的18%-20%；光器件约占全球市场份额的25%-30%，但光芯片仅占全球市场份额的1%左右。作为光通信产业的上游技术密集型产业，光器件中光芯片的成本一直居高不下，在30%-60%之间。这主要是因为我国光芯片产业还存在产能不足、国产化率低、缺乏高端光芯片技术等问题。从我国光芯片的产能和产量来看，我国能生产光芯片的企业约30家，实现量产的企业仅5家左右；光芯片技术方面，大部分企业可以量产低端芯片，只有少数厂商可以生产高端芯片，产能有限，占市场份额不到1%。目前，国产光芯片仍以低端产品为主；但是高端外延片需要从国际外延厂购买，限制了高端光芯片的发展。以激光芯片为例，我国能够量产10G及以下的中低速激光芯片，只有少数25Gb/s激光器的厂商接近成熟，实现了批量交付，而25G以上的激光芯片大部分厂商还处于研发或小规模试制阶段。总体来看，高速光芯片严重依赖进口，与国外行业领先水平存在一定差距。（三）政策助力，企业积极布局国内高端光芯片技术的匮乏仍然是行业的一大痛点。然而，高速光学芯片的稳定性和大规模生产能力取决于设备的精度和参数、人的经验和资金投入。光芯片设备投资大，如果没有资本介入，只靠一家公司很难投资R&D和生产。目前国内的人才引进环境和政策都比较