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光芯片行业研究:AI时代“芯”核心

日期：2023-08-06 12:08:02 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：26 评论：0

来源｜行业报告研究院

作者｜报告出品方：西南证券

1 光芯片——AI浪潮下算力基座

光芯片基本概念

光芯片系实现光电信号转换的基础元件，其性能直接决定了光通信系统的传输效率。光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。光通信系统传输信号过程中，发射端通过激光器芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端，接收端通过探测器芯片进行光电转换，将光信号转换为电信号。光纤接入、4G/5G移动通信网络和数据中心等网络系统里，光芯片都是决定信息传输速度和网络可靠性的关键。从光通信产业链来看，光芯片处于光通信的上游，光芯片可以与电芯片、 PCB、结构件、套管进一步组装加工成光电子器件，再集成到光通信设备的收发模块实现广泛应用，光通信下游的主要应用领域为电信运营商以及云计算数据厂商等

光芯片按功能分类：分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片，主要有PIN和APD两类。

光芯片技术原理

激光器芯片：电转光。原理是以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，通过光学谐振放大选模，从而输出激光，实现电光转换。增益介质与衬底主要为掺杂III-V族化合物的半导体材料，如 GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、Si（硅基）等。按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光。

EEL又细分为FP、DFB和EML。FP、DFB为独立器件，通过控制电流的有无来调制信息输出激光，被称为直接调制激光器芯片(DML)。FP激光器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。DML通过调制注入电流来实现信号调制，注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移从而产生色散，限制了传输距离；同时DML带宽有限，调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。EML缓解了色散问题，由EAM电吸收调制器与DFB激光器集成，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输。

光芯片材料对比

光芯片的原材料主要为半导体材料，半导体材料主要有三类，包括：单元素半导体材料、III-V 族化合物半导体材料、宽禁带半导体。通常采用三五族化合物磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。其中，磷化铟(InP)衬底用于制作 FP、DFB、EML边发射激光器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓(GaAs)衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。

光芯片生产流程

相较于Fabless模式，IDM模式是光芯片行业主流方向。逻辑芯片新晋厂商多采用 Fabless 模式，以此减少资本开支。IDM模式是解决高端光芯片技术及量产瓶颈的最佳生产模式，能够缩短产品开发周期，实现光芯片制造的自主可控，快速响应客户并高效提供解决方案，迅速应对动态市场需求。通过IDM模式，公司能够掌握从设计转化到生产制造的纵向生产链各环节，从而有效控制生产良率、周期交付、产品迭代与风险管控等多个方面。光芯片的生产工序依序为 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，其制备流程同样包含了外延、光刻、刻蚀、芯片封测等环节。

衬底价值量最高（原材料成本1/3以上），主要指InP/GaAs等材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底即基板，这是光芯片规模制造的第一个重要环节。基板制造的技术关键是提纯，当前能实现高纯度单晶体衬底批量生产的全球仅有几家企业，均为海外企业。外延技术壁垒最高，生产企业用基板和有机金属气体在MOCVD/MBE设备里长晶，制成外延片。外延片是决定光芯片性能的关键一环，生成条件较为严苛，因此是光芯片行业技术壁全最高环节。成熟技术工艺主要集中于中国台湾以及美日企业，国内企业量产能力相对有限。

未来技术方向——硅光技术

传统光模块：可调制、接收光信号，包含光发射组件、光接受组件、光芯片等器件，在磷化铟基底上利用封装技术进行集成。硅光光模块：采用硅光子技术的光模块。硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如Si, SiGe, SOI等）上，利用CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其核心理念用激光束代替电子信号进行数据传输。逐渐从光子集成向光电集成发展，目前通信领域主要是光子集成的硅光模块。硅光模块最大特点高度集成。硅光芯片通过硅晶圆技术，在硅基上制备调制器，接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学器件的高度集成。

2 国产替代空间广阔，下游应用多点开花

政策推动

近年来相关政策频出，国产替代迎来重要发展机遇。2017年《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》中明确 2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片国产化率超过 60%，提高核心光电子芯片国产化；2021年1月《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年）中提到重点发展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行业发展规划》中提及到 2025 年，信息通信行业整体规模进一步壮大目标，光芯片作为通信底层基座，有望持续受益。

市场规模

全球市场规模：根据LightCounting数据，全球光芯片市场规模将从2022年的27亿美元增长至2027年的56亿美元，CAGR为15.7%。中国市场规模：中国光芯片市场2022年市场规模为7.8亿美元，预计2025年增长到11.2亿美元，CAGR为12.8%。国内光芯片市场中， 2.5G/10G光芯片市场国产化程度较高，据ICC数据，2021年2.5G国产光芯片占全球比重超过90%、10G国产光芯片占全球比重约 60%；2021年25G光芯片的国产化率约20%，25G以上光芯片的国产化率约5%。

竞争格局

我国光芯片企业已基本掌握 10G 及以下速率光芯片的核心技术。2.5G光芯片主要应用于光纤接入市场，产品技术成熟，国产化程度高，国外光芯片厂商由于成本竞争等因素已基本退出相关市场。10G 光芯片在光纤接入市场、移动通信网络市场和数据中心市场均有应用。其中，10G 1270nm DFB 激光器芯片主要用于 10G-PON 数据上传光模块，10G 1310 光芯片主要应用于4G移动通信网络，国内互联网公司目前主要使用 40G/100G 光模块并开始向更高速率模块过渡，其中 40G 光模块使用4颗10G DFB 激光器芯片的方案。

2.5G 及以下光芯片市场中，国内光芯片企业占据主要市场份额。2.5G 及以下光芯片市场中，国内光芯片企业已经占据主要市场份额，其中武汉敏芯和中科光芯在全球2.5G及其以下的FP/DFB激光器芯片市场份额均为17%，并列榜首。同时，我国光芯片企业已基本掌握 10G 光芯片的核心技术，但部分型号产品仍存在较高技术门槛，依赖进口。根据 ICC 统计，2021 年全球 10G DFB 激光器芯片市场中，源杰科技发货量占比为 20%，位居第一，已超过住友电工、三菱电机等海外企业。

应用场景

受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。同时近日AI引领算力爆发，光模块作为AI背景下最直接受益、确定性最高品种，光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。随着信息技术快速发展，全球数据量需求持续增长。根据Omdia的统计，2017年至2020年，全球固定网络和移动网络数据量从92万 PB增长至217万PB，CAGR为33.1%，预计2024年将增长至575万PB，CAGR为27.6%。同时，光电子、云计算技术等不断成熟，将促进更多终端应用需求出现，并对通信技术提出更高的要求。受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。根据LightCounting的数据，2016年至2020年，全球光模块市场规模从58.6亿美元增长到 66.7亿美元，预测 2025年全球光模块市场将达到113亿美元，为2020年的1.7倍。光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。

3 复盘海外龙头成长路径

Lumentum复盘

Lumentum是一家全球领先的光通信厂商，拥有全球领先的VCSEL、EEL技术。Lumentum于2015年2月10日成立，总部位于加利福尼亚州圣何塞，是JDSU的全资子公司。2015年，Lumentum从JDSU中分离，成为一家独立上市公司。Lumentum主要有两大业务板块，分别是光通信和激光器，光通信的产品主要面向电信、数通、消费者和工业市场，下游客户包含Accelink, Alphabet, Amazon, Apple等一系列龙头企业；激光器的产品主要面向钣金加工、通用制造、生物技术、图形和成像、遥感等市场，下游客户包含Amada, ASM Pacific Technology, DISCO, KLA-Tencor, Lasertec等一系列龙头企业。

II-VI复盘

II-VI是一家工程材料和光电元器件的全球领军企业。II-VI于1971年成立，1987年在纳斯达克上市，总部位于美国宾夕法尼亚州，产品主要用于光通信、工业、航空航天和国防、消费电子、半导体资本设备、生命科学和汽车应用终端市场。2022年7月，II-VI完成对 Coherent的收购，Coherent是世界领先的微电子、生命科学、工业制造、科学和国防市场的激光解决方案和光学器件供应商之一，收购合并后的公司更名为Coherent。合并后的公司将主要包括三个部门，分别是材料部门、网络部门和激光部门。主要客户包括 ASML、KLA、Nikon等。

4 国内重点公司分析

AI 浪潮下，国产替代有望加速

AI浪潮、政策扶持双轮驱动，国产替代有望加速。1）从下游传导至上游。中国光模块企业占据全球60%以上的市场份额，进入市场较早，先发优势显著，拿下北美订单具有高确定性，同时业绩能见度高、落地性强。从光模块企业自身来看，以中际旭创、新易盛为首的全球光模块龙头公司，客户粘性强，产品矩阵丰富，实现光模块全品类覆盖；尤其在800G光模块持续加单中，中际旭创占据最高份额；同时在光模块未来发展路径上，龙头抢先布局LPO/CPO/硅光技术，技术积累深厚。随着国内光模块厂商全球份额持续提升，一体化降本增效需求不断提高，叠加光芯片技术不断成熟，国内光模块产业链有望进一步优化整合，光芯片国产替代流程有望提速。2）由低速升级至高速。在低速率市场竞争中，中国厂商已经完成国产替代，考虑到成本、利润等因素，海外厂商已退出相关市场竞争。随着AI算力需求呈现指数级增长，800G至1.6T产品升级迭代有望加速，50G/100G甚至200G光芯片需求提上日程。目前国内厂商正加速50G及以上光芯片的开发节奏，未来有望实现较大突破。

国内公司成长路径对比

国内光芯片公司通过收购资产以扩展业务领域、提高研发能力，有助于公司长期发展。仕佳光子先后收购和光同诚全部股权以及河南杰科剩余股权，以拓展业务领域。光迅科技2012年收购生产基于PECVD技术芯片的IPX公司，建立高端芯片平台。光库科技收购加华微捷以进入数据中心和云计算产业链领域，收购Lumentum的铌酸锂系列高速调制器产品线，用于丰富自身产品线。

公司管理层对比

各公司管理层均拥有雄厚的技术背景。源杰科技董事长张欣刚本科毕业于清华大学并拥有美国南加州大学材料学博士学位，其董事杨斌毕业于北京大学微电子专业。光迅科技背靠华中科技大学，共5人获得华中科技大学硕士或博士学历且技术相关管理层人员均具备正高级工程师认证。

部分公司管理层同时具备其他领域的精英。源杰科技董秘程硕通信专业硕士出身，具有多年券商研究所通信行业首席分析师任职经验。仕佳光子董事丁建华拥有丰富的投资管理经验，曾就职于多家该领域相关公司。光迅科技财务总监向明也具备了高级会计师、注册会计师、国际内部注册审计师等认证，财务经验丰富。光库科技董事长虽非技术人员处身，但具有20余年金融、投资及上市公司运营管理经验，董秘吴炜为法学硕士学历，同时具备15年证券金融投资领域经验。

国内公司产品矩阵对比

国内厂家多在低速率光芯片市场布局，具备相应技术实力和批量出货能力。我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核心技术，并在全球市场上占据相当份额。但在高端产品上国产化水平较低，产品落后于海外2～3代；50G及以上市场中，海外产品占据主要份额，目前最高速率可达200G。国内尚处于小批量或验证测试阶段。源杰科技：作为国内光芯片龙头，目前已实现了50G EML产品的小批量出货；100G产品研发较为顺利，目前在跟客户对标送样中。长光华芯：今年5月56G PAM4 EML芯片的发布，意味着公司实现在光通信领域的横向扩展。2023年公司将加大光通信业务进展，以 10G和25G产品为主；现阶段公司主要提供EML芯片，后续规划将发展硅光平台。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

END

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