硅光直流光源全景调研与发展战略研究

硅光直流光源全景调研与发展战略研究

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%。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。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，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。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。光芯片行业技术水平及特点（一）光芯片特性实现要求设计与制造的紧密结合光芯片使用III-V族半导体材料，要求芯片设计与晶圆制造环节相互反馈与验证，以实现产品的高性能指标、高可靠性。光芯片特性的实现与提升依靠独特的设计结构，并根据晶圆制造过程反馈的测试情况，改良芯片设计结构并优化制造工艺，对生产工艺、人员培训、生产流程制订与执行等环节的要求极高。而光芯片制造涉及的流程长，相关技术、经验与管理制度需要长时间积累，对光芯片商用化制造能力提出严苛的要求，提高了制造准入门槛，因此长期且持续的工艺制造投入所积累的生产与管理经验，是行业中非常必要的条件。（二）光芯片行业IDM模式，有助于生产流程的自主可控光芯片生产工序较多，依序为MOCVD外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等。IDM模式更有利于各环节的自主可控，一方面，IDM模式能及时响应各类市场需求，灵活调整产品设计、生产环节的工艺参数及产线的生产计划，无需因规格需求的变更重新采购适配的大型自动化设备。另一方面，IDM模式能高效排查问题原因，精准指向产品设计、生产工序或测试环节等问题点。此外，IDM模式能有效保护产品设计结构与工艺制程的知识产权。（三）光芯片设计与制作需同时兼顾光性能与电性能的专业知识光芯片设计与制作追求电与光转换效能的提升，涵盖的专业领域较广。激光器芯片方面，需先在半导体材料中，有效地控制电流通道，将电载子引入有源发光区进行电光转换，同时要求电光转换高效完成，最后需考量激光器芯片中光的传输路径与行为表现，顺利激射光子而避免噪声干扰。相关专业领域涵盖半导体材料、半导体制作、二极管、激光谐振、光波导等电光领域，涵盖面广且深，需汇集相关专业领域的人才。（四）光芯片产品可靠性验证项目多样且耗时长久光芯片的终端应用客户主要为运营商及互联网厂商，在产品性能满足的前提下，更关注产品的可靠性及长期使用的稳定性。光芯片的应用场景可能涉及户外高温、高湿、低温等恶劣的应用场景，对其可靠性验证的项目指标多样且耗时长久，如高温大电流长时间（5，000小时）老化测试、高低温温循验证、高温高湿环境验证等，用于确保严苛环境产品长时间操作不失效。光芯片设计定型后需进行高温老化验证，周期通常超过二至三个季度。市场需求急迫时，光芯片供应商需提前导入可靠性验证方案，以确保供需及时。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好，也可以在海外设立研究院，所以各大企业也在布局。随着产业政策的持续利好，光通信芯片的市场前景对企业来说是广阔的，因此国内通信企业纷纷加大投入，积极布局光芯片产业。其中，华为、霍峰等通信巨头对光通信芯片投入巨大，中兴、海信等公司也在积极布局。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