什么是AI硅光芯片？光芯片技術(shù)原理 光芯片生產(chǎn)流程

1 光芯片——AI浪潮下算力基座

光芯片基本概念

光芯片系實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)元件，其性能直接決定了光通信系統(tǒng) 的傳輸效率。光通信是以光信號為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)，通 過電光轉(zhuǎn)換，以光信號進(jìn)行傳輸信息的系統(tǒng)。光通信系統(tǒng)傳輸信號過程 中，發(fā)射端通過激光器芯片進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng) 過光纖傳輸至接收端，接收端通過探測器芯片進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號 轉(zhuǎn)換為電信號。光纖接入、4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 里，光芯片都是決定信息傳輸速度和網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵。 從光通信產(chǎn)業(yè)鏈來看，光芯片處于光通信的上游，光芯片可以與電芯片、 PCB、結(jié)構(gòu)件、套管進(jìn)一步組裝加工成光電子器件，再集成到光通信設(shè) 備的收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用，光通信下游的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡娦胚\(yùn)營商 以及云計(jì)算數(shù)據(jù)廠商等。

光芯片按功能分類：分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光器芯片主要用于發(fā)射信號，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，探測器芯片主要用 于接收信號，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。激光器芯片，按出光結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步分為面發(fā)射芯片和邊發(fā)射芯片，面發(fā)射芯片包括 VCSEL 芯片， 邊發(fā)射芯片包括FP、DFB 和 EML 芯片；探測器芯片，主要有PIN和APD兩類。

光芯片技術(shù)原理

激光器芯片：電轉(zhuǎn)光。原理是以電激勵(lì)源方式，以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，通過光學(xué)諧振放大選模，從而輸出激光， 實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。增益介質(zhì)與襯底主要為摻雜III-V族化合物的半導(dǎo)體材料，如 GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、Si（硅基）等。 按照諧振腔制造工藝差異，激光器光芯片可分為邊發(fā)射激光器芯片（EEL）與面發(fā)射激光器芯片（VCSEL）兩類。EEL在芯片兩側(cè)鍍光學(xué)膜形成 諧振腔，光子經(jīng)諧振腔選模放大后，將沿平行于襯底表面的方向形成激光；VCSEL在芯片上下兩面鍍光學(xué)膜形成諧振腔，由于諧振腔與襯底垂 直，光子經(jīng)選模放大后將垂直于芯片表面形成激光。

EEL又細(xì)分為FP、DFB和EML。FP、DFB為獨(dú)立器件，通過控制電流的有無來調(diào)制信息輸出激光，被稱為直接調(diào)制激光器芯片(DML)。FP激光 器誕生較早，主要用于低速率短距離傳輸；DFB在FP激光器的基礎(chǔ)上采用光柵濾光器件實(shí)現(xiàn)單縱模輸出，主要用于高速中長距離傳輸。DML通 過調(diào)制注入電流來實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制，注入電流的大小會改變激光器有源區(qū)的折射率，造成波長漂移從而產(chǎn)生色散，限制了傳輸距離；同時(shí)DML帶 寬有限，調(diào)制電流大時(shí)激光器容易飽和，難以實(shí)現(xiàn)較高的消光比。EML緩解了色散問題，由EAM電吸收調(diào)制器與DFB激光器集成，信號傳輸質(zhì) 量高，易實(shí)現(xiàn)高速率長距離的傳輸。

光芯片材料對比

光芯片的原材料主要為半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體材料主要有三類，包括：單元素半導(dǎo)體材料、III-V 族化合物半導(dǎo)體材料、寬禁帶半導(dǎo)體。 通常采用三五族化合物磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)作為芯片的襯底材料，相關(guān)材料具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，符合高頻通信的特點(diǎn)，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。其中，磷化銦(InP)襯底用于制作 FP、DFB、EML邊發(fā)射激光 器芯片和PIN、APD探測器芯片，主要應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長距離傳輸；砷化鎵(GaAs)襯底用于制作VCSEL面發(fā)射激光器芯片， 主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、3D感測等領(lǐng)域。

光芯片生產(chǎn)流程

相較于Fabless模式，IDM模式是光芯片行業(yè)主流方向。邏輯芯片新晉廠商多采用 Fabless 模式，以此減少資本開支。IDM模式是解決高端光芯 片技術(shù)及量產(chǎn)瓶頸的最佳生產(chǎn)模式，能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)光芯片制造的自主可控，快速響應(yīng)客戶并高效提供解決方案，迅速應(yīng)對動(dòng)態(tài)市 場需求。通過IDM模式，公司能夠掌握從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)制造的縱向生產(chǎn)鏈各環(huán)節(jié)，從而有效控制生產(chǎn)良率、周期交付、產(chǎn)品迭代與風(fēng)險(xiǎn)管控等 多個(gè)方面。光芯片的生產(chǎn)工序依序?yàn)?MOCVD外延生長、光柵工藝、光波導(dǎo)制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動(dòng)化芯片測試、芯片高頻測試、可 靠性測試驗(yàn)證等，其制備流程同樣包含了外延、光刻、刻蝕、芯片封測等環(huán)節(jié)。

襯底價(jià)值量最高（原材料成本1/3以上），主要指InP/GaAs等材料經(jīng)提純、拉晶、切割、拋光、研磨制成單晶體襯底即基板，這是光芯片規(guī)模制 造的第一個(gè)重要環(huán)節(jié)?；逯圃斓募夹g(shù)關(guān)鍵是提純，當(dāng)前能實(shí)現(xiàn)高純度單晶體襯底批量生產(chǎn)的全球僅有幾家企業(yè)，均為海外企業(yè)。外延技術(shù)壁壘 最高，生產(chǎn)企業(yè)用基板和有機(jī)金屬氣體在MOCVD/MBE設(shè)備里長晶，制成外延片。外延片是決定光芯片性能的關(guān)鍵一環(huán)，生成條件較為嚴(yán)苛， 因此是光芯片行業(yè)技術(shù)壁全最高環(huán)節(jié)。成熟技術(shù)工藝主要集中于中國臺灣以及美日企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)量產(chǎn)能力相對有限。

未來技術(shù)方向——硅光技術(shù)

傳統(tǒng)光模塊：可調(diào)制、接收光信號，包含光發(fā)射組件、光接受組件、光芯片等器件，在磷化銦基底上利用封裝技術(shù)進(jìn)行集成。 硅光光模塊：采用硅光子技術(shù)的光模塊。硅光技術(shù)是在硅和硅基襯底材料（如Si, SiGe, SOI等）上，利用CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā) 和集成的新一代技術(shù)，其核心理念用激光束代替電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。逐漸從光子集成向光電集成發(fā)展，目前通信領(lǐng)域主要是光子 集成的硅光模塊。 硅光模塊最大特點(diǎn)高度集成。硅光芯片通過硅晶圓技術(shù)，在硅基上制備調(diào)制器，接收器等器件，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制器、接收器、無源光學(xué) 器件的高度集成。

2 國產(chǎn)替代空間廣闊，下游應(yīng)用多點(diǎn)開花

政策推動(dòng)

近年來相關(guān)政策頻出，國產(chǎn)替代迎來重要發(fā)展機(jī)遇。2017年《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》中明確 2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片國產(chǎn)化率超過 60%，提高核心光電子芯片國產(chǎn)化；2021年1月《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展 行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年）中提到重點(diǎn)發(fā)展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提及到 2025 年， 信息通信行業(yè)整體規(guī)模進(jìn)一步壯大目標(biāo)，光芯片作為通信底層基座，有望持續(xù)受益。

市場規(guī)模

全球市場規(guī)模：根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)，全球光芯片市場規(guī)模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元，CAGR為15.7%。 中國市場規(guī)模：中國光芯片市場2022年市場規(guī)模為7.8億美元，預(yù)計(jì)2025年增長到11.2億美元，CAGR為12.8%。國內(nèi)光芯片市場中， 2.5G/10G光芯片市場國產(chǎn)化程度較高， 據(jù)ICC數(shù)據(jù)，2021年2.5G國產(chǎn)光芯片占全球比重超過90%、10G國產(chǎn)光芯片占全球比重約 60%；2021年25G光芯片的國產(chǎn)化率約20%，25G以上光芯片的國產(chǎn)化率約5%。

競爭格局

我國光芯片企業(yè)已基本掌握 10G 及以下速率光芯片的核心技術(shù)。2.5G光芯片主要應(yīng)用于光纖接入市場，產(chǎn)品技術(shù)成熟，國產(chǎn)化程度高，國外光 芯片廠商由于成本競爭等因素已基本退出相關(guān)市場。10G 光芯片在光纖接入市場、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)市場和數(shù)據(jù)中心市場均有應(yīng)用。其中，10G 1270nm DFB 激光器芯片主要用于 10G-PON 數(shù)據(jù)上傳光模塊，10G 1310 光芯片主要應(yīng)用于4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)公司目前主要使用 40G/100G 光模塊并開始向更高速率模塊過渡，其中 40G 光模塊使用4顆10G DFB 激光器芯片的方案。

2.5G 及以下光芯片市場中，國內(nèi)光芯片企業(yè)占據(jù)主要市場份額。2.5G 及以下光芯片市場中，國內(nèi)光芯片企業(yè)已經(jīng)占據(jù)主要市場份額，其中武 漢敏芯和中科光芯在全球2.5G及其以下的FP/DFB激光器芯片市場份額均為17%，并列榜首。同時(shí)，我國光芯片企業(yè)已基本掌握 10G 光芯片的 核心技術(shù)，但部分型號產(chǎn)品仍存在較高技術(shù)門檻，依賴進(jìn)口。根據(jù) ICC 統(tǒng)計(jì)，2021 年全球 10G DFB 激光器芯片市場中，源杰科技發(fā)貨量占比 為 20%，位居第一，已超過住友電工、三菱電機(jī)等海外企業(yè)。

應(yīng)用場景

受益于信息應(yīng)用流量需求的增長和光通信技術(shù)的升級，光模塊作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長。同時(shí)近日AI引領(lǐng)算力 爆發(fā)，光模塊作為AI背景下最直接受益、確定性最高品種，光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。 隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量需求持續(xù)增長。根據(jù)Omdia的統(tǒng)計(jì)，2017年至2020年，全球固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量從92萬 PB增長至217萬PB，CAGR為33.1%，預(yù)計(jì)2024年將增長至575萬PB，CAGR為27.6%。同時(shí)，光電子、云計(jì)算技術(shù)等不斷成熟，將 促進(jìn)更多終端應(yīng)用需求出現(xiàn)，并對通信技術(shù)提出更高的要求。受益于信息應(yīng)用流量需求的增長和光通信技術(shù)的升級，光模塊作為光通 信產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2016年至2020年，全球光模塊市場規(guī)模從58.6億美元增長到 66.7億美元，預(yù)測 2025年全球光模塊市場將達(dá)到113億美元，為2020年的1.7倍。光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。

3 復(fù)盤海外龍頭成長路徑

Lumentum復(fù)盤

Lumentum是一家全球領(lǐng)先的光通信廠商，擁有全球領(lǐng)先的VCSEL、EEL技術(shù)。Lumentum于2015年2月10日成立，總部位于加利福 尼亞州圣何塞，是JDSU的全資子公司。2015年，Lumentum從JDSU中分離，成為一家獨(dú)立上市公司。Lumentum主要有兩大業(yè)務(wù)板 塊，分別是光通信和激光器，光通信的產(chǎn)品主要面向電信、數(shù)通、消費(fèi)者和工業(yè)市場，下游客戶包含Accelink, Alphabet, Amazon, Apple等一系列龍頭企業(yè)；激光器的產(chǎn)品主要面向鈑金加工、通用制造、生物技術(shù)、圖形和成像、遙感等市場，下游客戶包含Amada, ASM Pacific Technology, DISCO, KLA-Tencor, Lasertec等一系列龍頭企業(yè)。

II-VI復(fù)盤

II-VI是一家工程材料和光電元器件的全球領(lǐng)軍企業(yè)。II-VI于1971年成立，1987年在納斯達(dá)克上市，總部位于美國賓夕法尼亞州，產(chǎn) 品主要用于光通信、工業(yè)、航空航天和國防、消費(fèi)電子、半導(dǎo)體資本設(shè)備、生命科學(xué)和汽車應(yīng)用終端市場。2022年7月，II-VI完成對 Coherent的收購，Coherent是世界領(lǐng)先的微電子、生命科學(xué)、工業(yè)制造、科學(xué)和國防市場的激光解決方案和光學(xué)器件供應(yīng)商之一， 收購合并后的公司更名為Coherent。合并后的公司將主要包括三個(gè)部門，分別是材料部門、網(wǎng)絡(luò)部門和激光部門。主要客戶包括 ASML、KLA、Nikon等。

4 國內(nèi)重點(diǎn)公司分析

AI 浪潮下，國產(chǎn)替代有望加速

AI浪潮、政策扶持雙輪驅(qū)動(dòng)，國產(chǎn)替代有望加速。 1）從下游傳導(dǎo)至上游。中國光模塊企業(yè)占據(jù)全球60%以上的市場份額，進(jìn)入市場較早，先發(fā)優(yōu)勢顯著，拿下北美訂單具有高確 定性，同時(shí)業(yè)績能見度高、落地性強(qiáng)。從光模塊企業(yè)自身來看，以中際旭創(chuàng)、新易盛為首的全球光模塊龍頭公司，客戶粘性強(qiáng)， 產(chǎn)品矩陣豐富，實(shí)現(xiàn)光模塊全品類覆蓋；尤其在800G光模塊持續(xù)加單中，中際旭創(chuàng)占據(jù)最高份額；同時(shí)在光模塊未來發(fā)展路徑上， 龍頭搶先布局LPO/CPO/硅光技術(shù)，技術(shù)積累深厚。隨著國內(nèi)光模塊廠商全球份額持續(xù)提升，一體化降本增效需求不斷提高，疊 加光芯片技術(shù)不斷成熟，國內(nèi)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈有望進(jìn)一步優(yōu)化整合，光芯片國產(chǎn)替代流程有望提速。 2）由低速升級至高速。在低速率市場競爭中，中國廠商已經(jīng)完成國產(chǎn)替代，考慮到成本、利潤等因素，海外廠商已退出相關(guān)市 場競爭。隨著AI算力需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長，800G至1.6T產(chǎn)品升級迭代有望加速，50G/100G甚至200G光芯片需求提上日程。目 前國內(nèi)廠商正加速50G及以上光芯片的開發(fā)節(jié)奏，未來有望實(shí)現(xiàn)較大突破。

國內(nèi)公司成長路徑對比

國內(nèi)光芯片公司通過收購資產(chǎn)以擴(kuò)展業(yè)務(wù)領(lǐng)域、提高研發(fā)能力，有助于公司長期發(fā)展。仕佳光子先后收購和光同誠全部股權(quán)以及河南 杰科剩余股權(quán)，以拓展業(yè)務(wù)領(lǐng)域。光迅科技2012年收購生產(chǎn)基于PECVD技術(shù)芯片的IPX公司，建立高端芯片平臺。光庫科技收購加華 微捷以進(jìn)入數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域，收購Lumentum的鈮酸鋰系列高速調(diào)制器產(chǎn)品線，用于豐富自身產(chǎn)品線。

公司管理層對比

各公司管理層均擁有雄厚的技術(shù)背景。源杰科技董事長張欣剛本科畢業(yè)于清華大學(xué)并擁有美國南加州大學(xué)材料學(xué)博士學(xué)位，其董事 楊斌畢業(yè)于北京大學(xué)微電子專業(yè)。光迅科技背靠華中科技大學(xué)，共5人獲得華中科技大學(xué)碩士或博士學(xué)歷且技術(shù)相關(guān)管理層人員均 具備正高級工程師認(rèn)證。

部分公司管理層同時(shí)具備其他領(lǐng)域的精英。源杰科技董秘程碩通信專業(yè)碩士出身，具有多年券商研究所通信行業(yè)首席分析師任職經(jīng) 驗(yàn)。仕佳光子董事丁建華擁有豐富的投資管理經(jīng)驗(yàn)，曾就職于多家該領(lǐng)域相關(guān)公司。光迅科技財(cái)務(wù)總監(jiān)向明也具備了高級會計(jì)師、 注冊會計(jì)師、國際內(nèi)部注冊審計(jì)師等認(rèn)證，財(cái)務(wù)經(jīng)驗(yàn)豐富。光庫科技董事長雖非技術(shù)人員處身，但具有20余年金融、投資及上市 公司運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)，董秘吳煒為法學(xué)碩士學(xué)歷，同時(shí)具備15年證券金融投資領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)。

國內(nèi)公司產(chǎn)品矩陣對比

國內(nèi)廠家多在低速率光芯片市場布局，具備相應(yīng)技術(shù)實(shí)力和批量出貨能力。我國光芯片企業(yè)已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核 心技術(shù)，并在全球市場上占據(jù)相當(dāng)份額。但在高端產(chǎn)品上國產(chǎn)化水平較低，產(chǎn)品落后于海外2～3代；50G及以上市場中，海外產(chǎn)品占 據(jù)主要份額，目前最高速率可達(dá)200G。國內(nèi)尚處于小批量或驗(yàn)證測試階段。

源杰科技：作為國內(nèi)光芯片龍頭，目前已實(shí)現(xiàn)了50G EML產(chǎn)品的小批量出貨；100G產(chǎn)品研發(fā)較為順利，目前在跟客戶對標(biāo)送樣中。

長光華芯：今年5月56G PAM4 EML芯片的發(fā)布，意味著公司實(shí)現(xiàn)在光通信領(lǐng)域的橫向擴(kuò)展。2023年公司將加大光通信業(yè)務(wù)進(jìn)展，以 10G和25G產(chǎn)品為主；現(xiàn)階段公司主要提供EML芯片，后續(xù)規(guī)劃將發(fā)展硅光平臺。

審核編輯：劉清