光芯片深度報告，下一代芯片革命技術(shù)，國產(chǎn)替代動力十足

光芯片，引領(lǐng)芯片產(chǎn)業(yè)下一輪技術(shù)革命。

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光芯片歸屬于半導體領(lǐng)域，是光電子器件的核心組成部分。其應(yīng)用場景遠不僅僅局限于通信領(lǐng)域，在工業(yè)、消費電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。本期的智能內(nèi)參，我們推薦民生證券的報告《光芯片行業(yè)系列深度一》，揭秘光芯片的技術(shù)細節(jié)及市場格局。 原標題：《光芯片行業(yè)系列深度一》作者：馬天詣 馬佳偉
01.立于時代風口，下一輪科技革命光芯片歸屬于半導體領(lǐng)域，是光電子器件的核心組成部分。半導體整體可以分為分立器件和集成電路兩大類，數(shù)字芯片和模擬芯片等電芯片歸屬于集成電路，光芯片則是分立器件大類下光電子器件的核心組成部分。典型的光電子器件包括了激光器、探測器等。▲光芯片是光電子器件的核心組成部分作為激光器/探測器等光電子器件的核心組成部分，光芯片是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的核心。現(xiàn)代光通信系統(tǒng)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，以光信號進行傳輸信息的系統(tǒng)。從傳輸信號的過程來看，首先****端通過激光器內(nèi)的光芯片進行電光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng)過光纖傳輸至接收端，接收端通過探測器內(nèi)的光芯片進行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其中，核心的光電轉(zhuǎn)換功能由激光器和探測器內(nèi)的光芯片（激光器芯片/探測器芯片）來實現(xiàn)，光芯片直接決定了信息的傳輸速度和可靠性。▲光通信系統(tǒng)示意圖光芯片的應(yīng)用場景遠不僅僅局限于通信領(lǐng)域，廣義上的光芯片在工業(yè)、消費電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。當前光子已站上時代風口，有望引領(lǐng)后摩爾時代的科技革命。未來的時代或?qū)⑹且粋€光子大規(guī)模替換電子的時代，光網(wǎng)絡(luò)傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。光芯片只是光子產(chǎn)業(yè)上游的一小部分，站在整個光子產(chǎn)業(yè)的宏觀視角，根 據(jù) Photonics21 發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示：自 2015 年以來，全球市場規(guī)模以每年 7%的速度增長。其中， 2019 年的全球市場規(guī)模達到 6900 億歐元，預(yù)計 2025 年將進一步增至 9000 億歐元。▲全球光子產(chǎn)業(yè)市場快速發(fā)展規(guī)模從更為具體的應(yīng)用場景的視角，以通過電子躍遷產(chǎn)生光子的激光器芯片為例，其應(yīng)用場景涵蓋各個環(huán)節(jié)。根據(jù)其產(chǎn)生光子的用途，可大致分為能量光子、信息光子和顯示光子。能量光子的應(yīng)用場景涉及光纖激光器、醫(yī)療美容等，信息光子的應(yīng)用場景包括通信、汽車自動駕駛、手機人臉識別、軍工等，顯示光子的典型應(yīng)用場景有激光照明、激光電視、汽車車燈等。▲光子的不同應(yīng)用場景光通信是光芯片最核心的應(yīng)用領(lǐng)域之一，光通信領(lǐng)域的光芯片整體可分為有源和無源兩大類，并可按功能等維度進一步細分。根據(jù)有源芯片功能，可分為****光信號的激光器芯片、接收光信號的探測器芯片、調(diào)制光信號的調(diào)制器芯片等。無源芯片方面，主要由基于平面光波導技術(shù)調(diào)控光路傳輸?shù)?PLC 光分路器芯片、AWG 芯片、VOA 芯片等構(gòu)成。綜合來看，激光器芯片和探測器芯片是應(yīng)用最多、最為核心的兩類光芯片。▲光通信領(lǐng)域激光器/探測器芯片應(yīng)用場景為光模塊▲光通信領(lǐng)域激光器芯片和探測器芯片的特點及應(yīng)用場景激光器芯片可進一步分類，例如 1）按出光結(jié)構(gòu)，可分為面****的 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊****的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調(diào)制激光器）芯片；2）按調(diào)制方式，可分為直接調(diào)制激光器 DML（包括 VCSEL、FP、DFB）芯片和電吸收調(diào)制激光器 EML 芯片（集成了 EAM 調(diào)制器和 DFB 芯片）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。從工作原理來看，激光器芯片核心是施加一定的激勵方式（如將電流注入芯片核心量子阱區(qū)域），利用半導體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光以激發(fā)出光子，并在光波導和有光學鍍膜的解理端面（用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡從而組成諧振腔）間進行震蕩、反饋。最后輻射放大形成相位和方向高度一致的光子，即****激光。以上過程需滿足三個條件。探測器芯片同樣種類很多，原理上基于光電效應(yīng)（可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)），通信領(lǐng)域的探測器細分來看可歸為基于內(nèi)光電效應(yīng)的光生伏特探測器，根據(jù)放大與否，可進一步分為非放大的 PIN（二級管探測器）和包含放大的 APD（雪崩二級管探測器）兩種。前者的靈敏度相對較低，但噪聲小，工作電壓低，成本低，適用于中短距離的光通信傳輸。APD 在靈敏度以及接收距離上優(yōu)于 PIN，但成本高于 PIN。PIN 的工作流程分為兩步，一是材料在入射光照射下產(chǎn)生光生載流子，二是光電流與外圍電路間的相互作用并輸出電信號。與 PIN 相較，APD 較之 PIN探測器多了一個雪崩倍增區(qū)域，加上一個較高的反向偏置電壓后，利用雪崩擊穿效應(yīng)，可在 APD 中獲得一個很大的內(nèi)部電流增益，從而實現(xiàn)更高的靈敏度等優(yōu)勢。
02.雙輪驅(qū)動，光芯片成長空間大激光器芯片在數(shù)通市場和電信市場均有廣泛應(yīng)用，在數(shù)通市場應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）場景下的相關(guān)光模塊，在電信市場應(yīng)用于接入網(wǎng)（光纖接入、無線接入）和傳輸網(wǎng)場景下的相關(guān)光模塊。不同應(yīng)用場景下的激光器芯片有所不同，大致而言，數(shù)通市場：短距離（100m 或以下）的 AOC/SR 光模塊主要用 VCSEL 芯片，500m~2km 應(yīng)用場景下的 DR/FR/PSM/CWDM 等光模塊主要用DFB 或 EML 芯片，10km/40km/80km 等長距離應(yīng)用場景下的 LR/ER等光模塊以 EML 芯片為主。電信市場：光纖接入 PON 光模塊以 DFB 和 EML 芯片為主、無線接入的前傳光模塊以 DFB 芯片為主，長距離傳輸場景應(yīng)用于傳輸網(wǎng)的光模塊以EML 芯片為主。數(shù)通領(lǐng)域當前景氣度高企，并有望進一步持續(xù)。北美云巨頭的 CAPEX 是數(shù)通領(lǐng)域景氣度的風向標，整體來看 CAPEX 成長性突出，同時伴隨云巨頭階段性去庫存、IDC 建設(shè)節(jié)奏等原因，CAPEX 也會呈現(xiàn)一定波動性。近期來看，自 21 年初以來 CAPEX 持續(xù)處于上升通道。根據(jù) 22Q2 數(shù)據(jù)，亞馬遜/Meta/微軟/谷歌四家的 CAPEX 合計為 370.0 億美元，同比增長 19.9%，環(huán)比增長 4.2%。從全年的指引來看，亞馬遜預(yù)計 AWS 相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施投入比重將從 2021 年的約四成提升至一半以上，Meta 小幅上調(diào)了指引下限（從之前的 290~340 億美元，調(diào)整至300~340 億美元），谷歌預(yù)計全年 CAPEX 同比增加。同時也可以看到，雖然宏觀經(jīng)濟壓力、美元走強等因素對北美云巨頭的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)有一定影響，但各家的云業(yè)務(wù)仍是核心增長引擎，亞馬遜 AWS/微軟 Azure/谷歌云連續(xù)多季度保持至少 30%以上的同比增長。綜合來看，中短期而言數(shù)通領(lǐng)域景氣度仍將持續(xù)攀升。中長期維度來看，未來隨著 5G 相關(guān)應(yīng)用進程加快，云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的進一步發(fā)展，元宇宙布局加速推進，都將推動算力需求和數(shù)據(jù)流量的加速增長，各大云計算巨頭的基礎(chǔ)設(shè)施投入預(yù)計持續(xù)保持高位，我們認為新一輪數(shù)據(jù)流量投資浪潮已經(jīng)啟動，數(shù)通市場已邁入 3~5 年的景氣上行周期。從行業(yè)層面來看，根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2020 年和 2021 年由于新冠疫情，人們開始轉(zhuǎn)向居家辦公，因而對更快、更高可靠性的網(wǎng)絡(luò)的需求更為強烈。因此雖然供應(yīng)鏈短缺因素仍在持續(xù)，但是行業(yè)能夠很大程度上克服這些問題，光模塊行業(yè)在 2020 年和 2021 年實現(xiàn)了 17%和 9%的增長，并且Lightcounting 預(yù)測2022年有望再次實現(xiàn) 17%的收入增長。中長期維度來看，Lightcounting 提高了 2022~2027 年的整體預(yù)期，同時預(yù)計 2022~2027 年光模塊行業(yè)整體的年復(fù)合增速為 12%。這其中，用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的以太網(wǎng)光模塊及可用于數(shù)通中心互聯(lián)的 DWDM 光模塊預(yù)計將在 2022~2027 年引領(lǐng)增長。從部分數(shù)通光模塊頭部廠商的業(yè)績來看，2020 年光模塊行業(yè)迎來 100G向 400G 迭代所帶來的需求放量，先發(fā)優(yōu)勢顯著的高端數(shù)通光模塊龍頭中際旭創(chuàng)和新晉突破海外數(shù)通大客戶的新易盛，業(yè)績迎來顯著增長。2022H1，受益于客戶加快部署 200G/400G 等高端光模塊，光模塊廠商業(yè)績繼續(xù)保持高增速。中際旭創(chuàng) 22H1 實現(xiàn)營業(yè)收入 42.31 億元，同比增長 28.3%，實現(xiàn)歸母凈利潤 4.92 億元，同比增長 44.5%。新易盛 22H1實現(xiàn)營業(yè)收入 14.79 億元，同比增長 2.6%，實現(xiàn)歸母凈利潤 4.61 億元，同比增長 42.8%。另一方面，800G 需求有望在年末迎來放量，數(shù)通光模塊行業(yè)即將進入 400 向 800G 迭代期，整體高景氣有望延續(xù)。從電信市場來看，光纖接入光模塊整體保持平穩(wěn)增長。根據(jù) LightCounting的統(tǒng)計，2020 年全球 FTTx 光模塊市場出貨量約 6289 萬只，市場規(guī)模為 4.73 億美元，Lightcounting 預(yù)計至 2025 年全球出貨量將達到 9208 萬只，市場規(guī)模將 達 6.31 億美元，2020~2025 年的年復(fù)合增速分別為 7.9%和 5.9%。國內(nèi)千兆寬帶加速建設(shè)助力具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的 10G PON 光模塊市場持續(xù)火熱。隨著光纖到戶向千兆接入演進，光纖接入光模塊從 GPON 向 10G PON升級。2020 年以來，國內(nèi)電信運營商加速千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，整體超前完成政策目標，帶動 10G PON 光模塊市場持續(xù)火熱。從工信部公布的 2022 年 6 月的數(shù)據(jù)來看，千兆寬帶用戶數(shù)已達 6111 萬戶，具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的 10G PON 端口數(shù)已達 1103 萬個，與工信部 2021 年發(fā)布的《“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動計劃（2021-2023）》和《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中的目標相比較，2023年目標已超前達成，2025 年的千兆寬帶用戶數(shù)目標也已超前達成。伴隨 10G PON 需求火熱，國內(nèi)主要廠商的業(yè)績也迎來加速增長，從而推動10G PON 相關(guān)的激光器芯片需求持續(xù)走高。國內(nèi)主要的 10G PON 廠商包括了博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)、華工科技、光迅科技等。以頭部企業(yè)博創(chuàng)科技為例，伴隨著 10GPON 需求的火熱，公司光有源器件的收入在 2020 年迎來顯著提升，從 2019 年 的 1.81 億元提升至 2020 年的 5.13 億元。2021 年，公司的 10G ComboPONOLT 局端光模塊出貨量超 100 萬只。從激光器芯片龍頭源杰科技的 2.5G/10G 激光器芯片的合計收入來看，從 2019 年的 0.81 億元增至 2021 年的 1.96 億元，年復(fù)合增速達 55.9%。除了 10G PON 局端光模塊（OLT）的持續(xù)火熱外，當前運營商已開始加大10G PON 終端光模塊（ONU）的需求。展望未來，考慮到當前國內(nèi)千兆寬帶用戶的滲透率剛過 10%，伴隨著用戶基數(shù)的不斷增大，10G PON 終端光模塊的空間非常大。另一方面，從國外的情況來看，歐美光纖到戶整體的滲透率相對更低，當前處于高速增長期，特別是在疫情大背景下對家庭寬帶有更高需求，歐美運營商對10G PON 的需求也開始顯著提升，因而光纖接入市場高景氣預(yù)計延續(xù)。▲國內(nèi)千兆用戶滲透率情況（單位：萬戶）除了光纖接入領(lǐng)域，電信市場的核心波分領(lǐng)域（CWDM/DWDM）預(yù)計也將保持高景氣。根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2020 年全球電信側(cè)光模塊市場無線前傳、（中）回傳和核心波分（CWDM/DWDM）對應(yīng)的規(guī)模分別為 8.21 億美元、2.61 億美元、10.84 億美元。Lightcounting 預(yù)測，2025 年，無線前傳光模塊市場由于 5G 建設(shè)回落，市場規(guī)模將降至 5.88 億美元，（中）回傳光模塊市場整體平穩(wěn)，小幅降至 2.48 億美元。增長將主要來源于核心波分領(lǐng)域的高速增長，2025 年 達 25.18 億美元，2020~2025 年的年復(fù)合增速達 18.4%。▲全球電信側(cè)光模塊市場規(guī)模及預(yù)測（單位，百萬美元，不包括 FTTx）光通信領(lǐng)域激光器芯片當前全球整體市場規(guī)模預(yù)計超 10 億美元。源杰科技《首次公開發(fā)行股****并在科創(chuàng)板上市申請文件的第二輪審核問詢函的回復(fù)》中，基于下列前提條件及假設(shè)進行了粗略測算。根據(jù)測算結(jié)果，2021 年光通信領(lǐng)域激光器芯片和探測器芯片的合計市場規(guī)模約 22.7 億美元。考慮到激光器芯片價格大致與探測器芯片價格較為相近，因而 2021 年光通信領(lǐng)域激光器芯片大致的市場規(guī)模約 11.4 億美元。根據(jù)以上測算同時可以發(fā)現(xiàn)，用于中低速率（10G 及以下速率）光模塊的激光器芯片市場規(guī)模約 3.0 億美元，小于用于高速率光模塊里的激光器芯片市場規(guī)模億 8.3 億美元。▲光通信領(lǐng)域光芯片（激光器芯片+探測器芯片）市場規(guī)模測算（單位：億美元）展望未來，根據(jù) Lightcounting 預(yù)測，2022 年全球光模塊行業(yè)整體增速 17%，同時 2022~2027 年的年復(fù)合增速為 12%，因此 2021~2027 年全球光模塊行業(yè)的年復(fù)合增速為 12.8%。粗略假設(shè)上游光通信領(lǐng)域激光器芯片行業(yè)保持同樣增速，則 2027 年光通信領(lǐng)域激光器芯片市場規(guī)模約為 23.5 億美元?？紤]到當前國內(nèi)廠商激光器芯片業(yè)務(wù)規(guī)模多在千萬級或剛剛過億級，國內(nèi)廠商整體成長空間廣闊。
03.國產(chǎn)替代動力十足高端產(chǎn)品替代加速啟動從產(chǎn)業(yè)鏈來看，光通信產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化替代加速從下游向上游傳導，上游芯片作為“卡脖子”環(huán)節(jié)亟待國產(chǎn)替代的進一步深入。下游以華為、中興為代表的設(shè)備商已是行業(yè)領(lǐng)軍者，而光模塊領(lǐng)域在過去十年依托工程師紅利、勞動力紅利、供應(yīng)鏈優(yōu)勢等因素也快速完成了國產(chǎn)化替代。根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2010 年僅一家國內(nèi)廠商躋身前十之列，到了 2021 年，前十大之中國內(nèi)廠商已占據(jù)半壁江山。與之相較，海外光模塊廠商在人力成本、供應(yīng)鏈完善程度逐漸處于劣勢，因而更多側(cè)重于高端光器件及門檻較高的上游光芯片等環(huán)節(jié)。光芯片而言，當前高端產(chǎn)品仍是海外主導，國內(nèi)廠商的整體實力與海外龍頭仍有差距。▲2010~2021 年全球光模塊前十大廠商排名近年來相關(guān)政策頻出，國產(chǎn)替代迎來重要發(fā)展機遇。伴隨近年來中美貿(mào)易摩擦等因素影響，國家層面聚焦于加強光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)布局：1) 2017 年 12 月，中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布了《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》，在分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)展思路與發(fā)展目標，并明確了光芯片領(lǐng)域的重點發(fā)展產(chǎn)品，為行業(yè)發(fā)展定下了重要基調(diào)，行業(yè)由此開啟迎來了重要發(fā)展期，國產(chǎn)替代開始全速推進。2) 2021 年 3 月，工信部發(fā)布《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2021-2023 年》，對于光通信領(lǐng)域，強調(diào)了要重點發(fā)展高速光通信芯片、高速高精度光探測器、高速直調(diào)和外調(diào)制激光器、高速調(diào)制器芯片、高功率激光器、光傳輸用數(shù)字信號處理器芯片、高速驅(qū)動器和跨阻抗放大器芯片。3) 2022 年 6 月，在《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》的基礎(chǔ)上，工信部進一步開啟編制《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2023-2027 年）》，行業(yè)預(yù)計將加速邁入下一個高速發(fā)展期。▲近年來光芯片相關(guān)的部分重要政策整體來看，從產(chǎn)品的角度，當前 10G 及以下的中低端產(chǎn)品國產(chǎn)程度已經(jīng)較高，25G 已有少部分廠商能批量發(fā)貨，25G 以上處于研究或小規(guī)模試產(chǎn)階段，近年來頭部廠商在高端產(chǎn)品領(lǐng)域的進展加速明顯。從應(yīng)用領(lǐng)域的角度，當前國內(nèi)廠商在電信市場的光纖接入和無線接入領(lǐng)域參與程度較高，同時在以中高端需求為主的數(shù)通市場也開始加速推進。從外延能力角度，雖然國內(nèi)廠商激光器芯片核心的外延技術(shù)整體仍有較大提升空間，高端的外延片仍需要向國際外延廠采購，但同時也可以看到越來越多的光芯片廠商開始強化自身的外延能力，開始向 IDM 模式發(fā)展。因而，技術(shù)能力突出聚焦高端產(chǎn)品國產(chǎn)替代，具備自主外延設(shè)計和制備能力以 IDM 模式發(fā)展的國內(nèi)廠商競爭優(yōu)勢顯著有望迎來重要發(fā)展機遇，伴隨高端產(chǎn)品開啟國產(chǎn)替代&數(shù)通領(lǐng)域滲透啟動，有望充分打開未來成長空間。首先，從產(chǎn)品角度，10G 及以下的中低端芯片國產(chǎn)替代持續(xù)深入，國產(chǎn)化程度已經(jīng)較高。國內(nèi)廠商基本掌握了 2.5G 和 10G 產(chǎn)品的核心技術(shù)，除了部分型號產(chǎn)品（如 10G EML 激光器芯片）國產(chǎn)化率相對較低，大部分產(chǎn)品已基本能實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。具體來看，根據(jù) ICC 咨詢的統(tǒng)計，1）中低端的 2.5G 及以下 DFB/FP：基本全由國內(nèi)廠商主導，市場份額相對分散整體競爭激烈，國外廠商出于成本等因素的考慮已基本退出了相關(guān)市場，2021 年國產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品占全球市場比重超 90%；2）10G DFB：國內(nèi)廠商同樣份額居前，2020 年源杰科技以 20%的市占率居首，云嶺光電/中電 13 所/中科光芯分居 3~5 位，國產(chǎn)占全球市場比重約 60%。從高端的激光器芯片（如 25G DFB，10G/25G/50G EML 等）情況來看,雖 然根據(jù) ICC 統(tǒng)計，2020 年，25G 光芯片的國產(chǎn)化率約 20%，25G 以上光芯片的國產(chǎn)化率仍較低約 5%。但可以明顯看到，近年來技術(shù)實力相對強勁的國內(nèi)頭部廠商進展明顯迅速，用于 5G 前傳的 25G DFB、用于光纖接入的 10G EML 國產(chǎn)替代進程加速度明顯，同時 50G EML 也開始推進。光芯片位于整個產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，占據(jù)光模塊成本的50%以上，是整個光通訊產(chǎn)業(yè)鏈條中技術(shù)最復(fù)雜、價值最高的環(huán)節(jié)。隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術(shù)已經(jīng)成為目前半導體領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。將光子和集成電路的電子結(jié)合在一起，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實現(xiàn)對現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑，正成為半導體行業(yè)數(shù)個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。

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