硅光直流光源全景調研與發(fā)展戰(zhàn)略研究

硅光直流光源全景調研與發(fā)展戰(zhàn)略研究

材料與結構各異，市場規(guī)模約14億美金光芯片類別較多，可從材料和結構兩維度進行區(qū)分。光芯片屬于半導體激光器/探測器，從結構看，激光器常用的結構有面發(fā)射結構的VCSEL，和邊發(fā)射（EEL）的FP、DFB和EML，發(fā)光材料襯底主要有l(wèi)nP和GaAs。而目前商用的探測器主要結構有PIN、APD兩種，材料體系較為多樣，Si/Ge/LnP均是可選用的材料。光發(fā)射芯片種類較多，應用場景各異。其中，VCSEL主要應用于短距離傳輸，成本、功耗較低，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)數(shù)百米內(nèi)占統(tǒng)治地位，已經(jīng)得到廣泛使用；FP是多縱模激射的激光器，主要應用于GPON、EPON等低速率接入場景，工藝已比較成熟；DFB主要在FP上進行改進，使得實現(xiàn)單波長的出射，主要應用于中短距離較高速率的固定接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)，25GDFB是目前廣泛應用在基站前傳、中傳的主力光芯片；EML由于在LnP上集成了DFB激光器和外調制器，需要兩次或多次外延，工藝難，良率低，但其調制和發(fā)射性能較好，可以廣泛應用在10km以上的城域網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等。光接收芯片按內(nèi)部結構分，可分為PN結構、PIN結構和APD結構。其中，PN結構由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN結構廣泛代替。PIN主要應用于短距離（2km以下），成本較低；而APD由于可實現(xiàn)光子的雪崩倍增現(xiàn)象，對光電探測靈敏度有很大提升，但由于成本較為昂貴，廣泛應用于中長距離如城域網(wǎng)、5G中回傳等場景。光收發(fā)芯片約占光模塊20%-25%的成本，光發(fā)射芯片價值量較大。在主要的應用場景光模塊中，以典型的100GCWDM4光模塊成本為例，普遍采用四通道25G速率的LD芯片和PD芯片（或芯片陣列），光芯片約占總成本23%，其中，預計光發(fā)射芯片占比BOM成本達到20%，探測器芯片約占比3%。光纖接入：全球景氣周期，10GPON升級明確光纖接入網(wǎng)絡是家庭寬帶用戶上網(wǎng)的主要承載網(wǎng)絡。通常網(wǎng)絡使用光纖從運營商機房局端設備連接到光分路器，再進入到家庭用戶的光貓?zhí)?，其中在局端設備側將大量使用到OLT光模塊，以及在家庭用戶光貓中的ONU光模塊。局端設備側光模塊通常采用適合高速率、大功率、長距離傳輸?shù)腅ML芯片，價值量較高，而家庭用戶側通常采用DFB芯片。10GPON升級景氣度高，可展望2-3年高景氣。局端（運營商機房）提供高速上網(wǎng)能力，需要運營商提前部署，根據(jù)2022年11月工信部數(shù)據(jù)，我國10GPON端口超過1400萬個，大概滲透率達到存量PON端口的1/3；而家庭端需要家庭用戶自身選擇是否更換上網(wǎng)套餐和網(wǎng)關設備，千兆用戶數(shù)達到約8707萬個，大概占5億家庭用戶15%。從滲透率角度看，預計2023-2025年仍將是國內(nèi)10GPON升級滲透的景氣周期。海外光纖網(wǎng)絡建設迅猛，全球各地區(qū)加大投入。疫情爆發(fā)后，歐洲、北美、發(fā)展中國家及地區(qū)大力投入寬帶網(wǎng)絡設施建設。根據(jù)FTTHGlobalAlliance的數(shù)據(jù)，2021年9月的數(shù)據(jù)顯示，墨西哥滲透率僅19．6%，而美國的滲透率僅21．5%。根據(jù)歐洲FTTHCouncilEurope發(fā)布的2021年9月數(shù)據(jù)，歐盟27國光纖覆蓋率約48．5%，歐盟39國光纖覆蓋率約57．0%，而光纖服務訂閱者比覆蓋率更低。而根據(jù)《中國寬帶白皮書2021》，我國光纖接入用戶FTTH/O已經(jīng)超過4．8億戶，在固定寬帶用戶中占比94．1%。對比而言，歐洲、北美光纖覆蓋滲透率提升還有很大空間。北美XGS-PON未來有望高增長。根據(jù)Dell’OroGroup分析，2019-2022年北美地區(qū)XGS-PONOLT端口出貨量增長2231%，從2019年的3．2萬個躍升至2022年的74．8萬個。如果供應鏈問題得到解決，2022年的出貨量數(shù)字或將更高。我國設備商占比較高，國內(nèi)光芯片產(chǎn)業(yè)鏈有望受益。根據(jù)Omdia2022Q1統(tǒng)計，滾動一年中PON設備市場華為市占率達到36%，中興占比22%，烽火占比6%，中國設備商占比超過60%以上?？紤]下游市占率較高的前提下，國內(nèi)的光芯片產(chǎn)業(yè)鏈有望持續(xù)受益。光纖接入市場以2．5G和10G芯片為主，國產(chǎn)化水平已經(jīng)較高。根據(jù)ICC數(shù)據(jù)，2．5G及以下市場，國內(nèi)光芯片企業(yè)如源杰、敏芯、中科光芯、仕佳、光安倫等已經(jīng)占據(jù)主要市場份額。公司主要以差異化競爭，面向附加值更高的1270nm/1490nm為主，所以發(fā)貨量排名不占領先地位。10G光芯片市場中我國光芯片企業(yè)已經(jīng)基本掌握核心技術，根據(jù)ICC統(tǒng)計，全球10GDFB市場中公司占比20%，已經(jīng)超過住友電工、三菱電機等。數(shù)據(jù)中心：光芯片技術高地，國產(chǎn)化空間大海外云廠商持續(xù)升級，100G/400G模塊升級至800G/1．6T。海外互聯(lián)網(wǎng)廠商如Meta、Google、Amazon等擁有規(guī)模較大、技術先進的數(shù)據(jù)中心集群，是每一輪光模塊速率升級需求最先出現(xiàn)的地方。當前，根據(jù)800GMSA白皮書，2022-2023年海外北美市場對光模塊速率需求從200G/400G升級到800G?？紤]到高速率模塊通常采用多通道方案，意味著50G、100G光芯片用量將快速提升。該領域海外企業(yè)歷史悠久，先發(fā)優(yōu)勢明顯。25G以上高速率芯片目前幾乎全部由海外廠商供應，主要有博通、Lumentum、三菱、AOI、住友、Macom等，其中歐美的廠商主要通過收并購核心資產(chǎn)的方式發(fā)展激光器業(yè)務，而日本廠商主要通過自身研發(fā)傳承，因此兩類企業(yè)主要的激光器業(yè)務部門歷史都較長，先發(fā)優(yōu)勢較為明顯。海外廠商在激光器前沿持續(xù)創(chuàng)新能力強。在OFC2020，多家歐美日廠商均公布其前沿的激光器研究成果，主要方向為高速率和PAM4調制來提升單通道速率，主要廠家有II-VI，博通、NTT等廠商。國內(nèi)廠商當前速率仍主要在10G-25G領域，仍有很大的追趕空間。國內(nèi)廠商數(shù)通領域份額高，上游光芯片國產(chǎn)化空間較大。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，我國模塊廠商中際旭創(chuàng)、光迅科技、華工科技、新易盛等均在全球數(shù)通市場占據(jù)較好份額。此外，海外模塊廠商均在國內(nèi)有辦事處或產(chǎn)能，本土光芯片企業(yè)可以實現(xiàn)本土化服務，國產(chǎn)化空間較大。光芯片行業(yè)技術水平及特點（一）光芯片特性實現(xiàn)要求設計與制造的緊密結合光芯片使用III-V族半導體材料，要求芯片設計與晶圓制造環(huán)節(jié)相互反饋與驗證，以實現(xiàn)產(chǎn)品的高性能指標、高可靠性。光芯片特性的實現(xiàn)與提升依靠獨特的設計結構，并根據(jù)晶圓制造過程反饋的測試情況，改良芯片設計結構并優(yōu)化制造工藝，對生產(chǎn)工藝、人員培訓、生產(chǎn)流程制訂與執(zhí)行等環(huán)節(jié)的要求極高。而光芯片制造涉及的流程長，相關技術、經(jīng)驗與管理制度需要長時間積累，對光芯片商用化制造能力提出嚴苛的要求，提高了制造準入門檻，因此長期且持續(xù)的工藝制造投入所積累的生產(chǎn)與管理經(jīng)驗，是行業(yè)中非常必要的條件。（二）光芯片行業(yè)IDM模式，有助于生產(chǎn)流程的自主可控光芯片生產(chǎn)工序較多，依序為MOCVD外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等。IDM模式更有利于各環(huán)節(jié)的自主可控，一方面，IDM模式能及時響應各類市場需求，靈活調整產(chǎn)品設計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)及產(chǎn)線的生產(chǎn)計劃，無需因規(guī)格需求的變更重新采購適配的大型自動化設備。另一方面，IDM模式能高效排查問題原因，精準指向產(chǎn)品設計、生產(chǎn)工序或測試環(huán)節(jié)等問題點。此外，IDM模式能有效保護產(chǎn)品設計結構與工藝制程的知識產(chǎn)權。（三）光芯片設計與制作需同時兼顧光性能與電性能的專業(yè)知識光芯片設計與制作追求電與光轉換效能的提升，涵蓋的專業(yè)領域較廣。激光器芯片方面，需先在半導體材料中，有效地控制電流通道，將電載子引入有源發(fā)光區(qū)進行電光轉換，同時要求電光轉換高效完成，最后需考量激光器芯片中光的傳輸路徑與行為表現(xiàn)，順利激射光子而避免噪聲干擾。相關專業(yè)領域涵蓋半導體材料、半導體制作、二極管、激光諧振、光波導等電光領域，涵蓋面廣且深，需匯集相關專業(yè)領域的人才。（四）光芯片產(chǎn)品可靠性驗證項目多樣且耗時長久光芯片的終端應用客戶主要為運營商及互聯(lián)網(wǎng)廠商，在產(chǎn)品性能滿足的前提下，更關注產(chǎn)品的可靠性及長期使用的穩(wěn)定性。光芯片的應用場景可能涉及戶外高溫、高濕、低溫等惡劣的應用場景，對其可靠性驗證的項目指標多樣且耗時長久，如高溫大電流長時間（5，000小時）老化測試、高低溫溫循驗證、高溫高濕環(huán)境驗證等，用于確保嚴苛環(huán)境產(chǎn)品長時間操作不失效。光芯片設計定型后需進行高溫老化驗證，周期通常超過二至三個季度。市場需求急迫時，光芯片供應商需提前導入可靠性驗證方案，以確保供需及時。光芯片行業(yè)的市場競爭格局根據(jù)LightCounting并結合行業(yè)數(shù)據(jù)測算，2021全球光通信用光芯片市場規(guī)模為146．70億元，其中2．5G、10G及25G及以上光芯片市場規(guī)模分別為11．67億元、27．48億元、107．55億元。結合ICC數(shù)據(jù)測算，2021年我國光芯片廠商的銷售規(guī)模為37．37億元。我國光芯片廠商包括專業(yè)化光芯片企業(yè)、光芯片光模塊一體化企業(yè)。其中，專業(yè)化光芯片企業(yè)專注于光芯片領域且產(chǎn)品種類齊全，而光芯片光模塊一體化企業(yè)為確保光芯片供應安全，除直接對外采購光芯片外，會通過自研或收購光芯片業(yè)務開發(fā)部分型號光芯片產(chǎn)品，與專業(yè)化光芯片企業(yè)存在合作大于競爭的關系。光芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，光芯片與其他基礎構件（電芯片、結構件、輔料等）構成光通信產(chǎn)業(yè)上游，產(chǎn)業(yè)中游為光器件，包括光組件與光模塊，產(chǎn)業(yè)下游組裝成系統(tǒng)設備，最終應用于電信市場，如光纖接入、4G/5G移動通信網(wǎng)絡，云計算、互聯(lián)網(wǎng)廠商數(shù)據(jù)中心等領域。光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，組件可分為光無源組件和光有源組件。光無源組件在系統(tǒng)中消耗一定能量，實現(xiàn)光信號的傳導、分流、阻擋、過濾等交通功能，主要包括光隔離器、光分路器、光開關、光連接器、光背板等;光有源組件在系統(tǒng)中將光電信號相互轉換，實現(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ?。（一）市場?guī)模不斷擴大，5G助力光芯片需求增長近年來，中國逐漸成為全球最大的光通信市場，光芯片市場規(guī)模也逐年擴大。2015-2021年，國內(nèi)光芯片市場從8億美元擴大到20．8億美元，年均復合增長率超過15%。中國光芯片市場的擴大與市場需求的增長密不可分。從中國光芯片終端應用市場來看，電信市場、數(shù)據(jù)中心市場和消費電子市場是其主要應用市場。其中，電信市場份額約占60%；數(shù)據(jù)中心市場份額約占30%；電子市場的市場份額約占10%。隨著中國5G時代的到來，國內(nèi)電信市場、數(shù)據(jù)中心市場、消費電子市場也面臨發(fā)展機遇。據(jù)悉，早在去年8月，我國已建成99．3萬個5G基站，居世界第一。5G基站已覆蓋全國所有地級市、95%以上的縣和35%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。隨著國內(nèi)5G基站的大規(guī)模建設，對光模塊的需求再次被拉動，對光芯片的需求也在增加。而且一般來說，5G單基站光模塊的數(shù)量比4G單基站光模塊多2-4個，5G基站的建設對光芯片需求的拉動作用很大。據(jù)測算，5G基站光芯片的市場規(guī)模約為4G基站的2．8倍。（二）低端光學芯片技術相對成熟，高端光學芯片技術欠缺資料顯示，中國通信設備占全球份額的40%-70%，光模塊約占全球份額的18%-20%；光器件約占全球市場份額的25%-30%，但光芯片僅占全球市場份額的1%左右。作為光通信產(chǎn)業(yè)的上游技術密集型產(chǎn)業(yè)，光器件中光芯片的成本一直居高不下，在30%-60%之間。這主要是因為我國光芯片產(chǎn)業(yè)還存在產(chǎn)能不足、國產(chǎn)化率低、缺乏高端光芯片技術等問題。從我國光芯片的產(chǎn)能和產(chǎn)量來看，我國能生產(chǎn)光芯片的企業(yè)約30家，實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)僅5家左右；光芯片技術方面，大部分企業(yè)可以量產(chǎn)低端芯片，只有少數(shù)廠商可以生產(chǎn)高端芯片，產(chǎn)能有限，占市場份額不到1%。目前，國產(chǎn)光芯片仍以低端產(chǎn)品為主；但是高端外延片需要從國際外延廠購買，限制了高端光芯片的發(fā)展。以激光芯片為例，我國能夠量產(chǎn)10G及以下的中低速激光芯片，只有少數(shù)25Gb/s激光器的廠商接近成熟，實現(xiàn)了批量交付，而25G以上的激光芯片大部分廠商還處于研發(fā)或小規(guī)模試制階段?？傮w來看，高速光芯片嚴重依賴進口，與國外行業(yè)領先水平存在一定差距。（三）政策助力，企業(yè)積極布局國內(nèi)高端光芯片技術的匱乏仍然是行業(yè)的一大痛點。然而，高速光學芯片的穩(wěn)定性和大規(guī)模生產(chǎn)能力取決于設備的精度和參數(shù)、人的經(jīng)驗和資金投入。光芯片設備投資大，如果沒有資本介入，只靠一家公司很難投資R&D和生產(chǎn)。目前國內(nèi)的人才引進環(huán)境和政策都比較好，也可以在海外設立研究院，所以各大企業(yè)也在布局。隨著產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)利好，光通信芯片的市場前景對企業(yè)來說是廣闊的，因此國內(nèi)通信企業(yè)紛紛加大投入，積極布局光芯片產(chǎn)業(yè)。其中，華為、霍峰等通信巨頭對光通信芯片投入巨大，中興、海信等公司也在積極布局。光芯片行業(yè)未來發(fā)展趨勢（一）光傳感應用領域的拓展，為光芯片帶來更多的市場需求光芯片在消費電子市場的應用領域不斷拓展。目前，智能終端方面，已使用基于3DVCSEL激光器芯片的方案，實現(xiàn)3D信息傳感，如人臉識別。根據(jù)Yole的研究報告，醫(yī)療市場方面，智能穿戴設備正在開發(fā)基于激光器芯片及硅光技術方案，實現(xiàn)健康醫(yī)療的實時監(jiān)測。同時，隨著傳統(tǒng)乘用車的電動化、智能化發(fā)展，高級別的輔助駕駛技術逐步普及，核心傳感器件激光雷達的應用規(guī)模將會增大。基于砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）的光芯片作為激光雷達的核心部件，其未來的市場需求將會不斷增加。（二）下游模塊廠商布局硅光方案，大功率、小發(fā)散角、寬工作溫度DFB激光器芯片將被廣泛應用隨著電信骨干網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心流量快速增長，更高速率光模塊的市場需求不斷凸顯。傳統(tǒng)技術主要通過多通道方案實現(xiàn)100G以上光模塊速度的提升，然而隨著數(shù)據(jù)中心、核心骨干網(wǎng)等場景進入到400G及更高速率時代，單通道所需的激光器芯片速率要求將隨之提高。以400GQSFP-DDDR4硅光模塊為例，需要單通道激光器芯片速率達到100G。在此背景下，利用CMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成的新一代硅光技術成為一種趨勢。硅光方案中，激光器芯片僅作為外置光源，硅基芯片承擔速率調制功能，因此需將激光器芯片發(fā)射的光源耦合至硅基材料中。憑借高度集成的制程優(yōu)勢，硅基材料能夠整合調制器和無源光路，從而實現(xiàn)調制功能與光路傳導功能的集成。例如400G光模塊中，硅光技術利用70mW大功率激光器芯片，將其發(fā)射的大功率光源分出4路光路，每一光路以硅基調制器與無源光路波導實現(xiàn)100G的調制速率，即可實現(xiàn)400G傳輸速率。硅光方案使用的大功率激光器芯片，要求同時具備大功率、高耦合效率、寬工作溫度的性能指標，對激光器芯片要求更高。（三）磷化銦（InP）集成光芯片方案是滿足下一代高性能網(wǎng)絡需求的重要發(fā)展方向為滿足電信中長距離傳輸市場對光器件高速率、高性能的需求，現(xiàn)階段廣泛應用基于磷化銦（InP）集成技術的EML激光器芯片。隨著光纖接入PON市場逐步升級為25G/50G-PON方案，基于激光器芯片、半導體光放大器（SOA）的磷化銦集成方案，如DFB+SOA和EML+SOA，將取代現(xiàn)有的分立DFB激光器芯片方案，提供更高的傳輸速率和更大的輸出功率。此外，下一代數(shù)據(jù)中心應用400G/800G傳輸速率方案，傳統(tǒng)DFB激光器芯片短期內(nèi)無法同時滿足高帶寬性能、高良率的要求，需考慮采用EML激光器芯片以實現(xiàn)單波長100G的高速傳輸特性。同時，隨著應用于數(shù)據(jù)中心間互聯(lián)的波分相干技術普及，基于磷化銦（InP）集成技術的光芯片由于具備緊湊小型化、高密集成等特點，可應用于雙密度四通道小型可插拔封裝（QSFP-DD）等更小型端口光模塊，其應用規(guī)模將進一步的提升。（四）中美貿(mào)易摩擦加快進口替代進程，給我國光芯片企業(yè)帶來增長機遇近年來中美間頻繁產(chǎn)生貿(mào)易摩擦，美國對諸多商品征收關稅，并加大對部分中國企業(yè)的限制。由于高端光芯片技術門檻高，我國核心光芯片的國產(chǎn)化率較低，主要依靠進口。根據(jù)《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展路線圖（2018-2022年）》，10G速率以下激光器芯片國產(chǎn)