歐美日國家光芯片行業(yè)起步較早、技術(shù)領(lǐng)先

歐美日國家光芯片行業(yè)起步較早、技術(shù)領(lǐng)先

歐美日國家光芯片行業(yè)起步較早、技術(shù)領(lǐng)先光芯片主要使用光電子技術(shù)，海外在近代光電子技術(shù)起步較早、積累較多，歐美日等發(fā)達國家陸續(xù)將光子集成產(chǎn)業(yè)列入國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，其中，美國建立國家光子集成制造創(chuàng)新研究所，打造光子集成器件研發(fā)制備平臺；歐盟實施地平線2020計劃，集中部署光電子集成研究項目；日本實施先端研究開發(fā)計劃，部署光電子融合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項目。除了襯底需要對外采購，海外領(lǐng)先光芯片企業(yè)可自行完成芯片設(shè)計、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn)25G及以上速率光芯片。此外，海外領(lǐng)先光芯片企業(yè)在高端通信激光器領(lǐng)域已經(jīng)廣泛布局，在可調(diào)諧激光器、超窄線寬激光器、大功率激光器等領(lǐng)域也已有深厚積累。高速模塊增長，國產(chǎn)切入量價齊升高速率模塊以多通道為主，高速芯片需求成倍數(shù)增長。100G以上高速率模塊普遍采用四通道或八通道方案。例如，400GDR4將采用4個100G的光芯片，100GCWDM4將采用4個25G的光芯片，800GDR8將采用8個100G的光芯片。因此，隨著未來光模塊市場高速率占比提升，帶來的高端光芯片用量將是4倍、8倍的增長。100G以上模塊貢獻增量，高速芯片用量快速提升。根據(jù)Lightcounting對電信市場和數(shù)通市場的統(tǒng)計，100G以上模塊占比市場規(guī)模將繼續(xù)提升，電信市場2022年將有超過一半的模塊是100G以上，數(shù)通市場則在2018年已經(jīng)有超過一半的模塊市場是100G以上模塊帶動的。高速率模塊在電信、數(shù)通市場的廣泛應用，將帶動高端光芯片用量的快速提升。芯片速率越高，價值量水平更好。市場上按光芯片速率分，可分為2．5G、10G、25G、50G、100G等主流速率的芯片。一般而言，速率越高，芯片的制作難度越大，供應商也相對較少，價格更高。國內(nèi)光芯片廠商產(chǎn)品結(jié)構(gòu)正向高端切換，有望迎來量價齊升。國內(nèi)廠商平均產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要為2．5G和10G，海外廠商的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要為25G及以上更高速率的光芯片。對于國內(nèi)廠商而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將在高端突破的過程中不斷優(yōu)化，單位芯片價值量有望快速提升。同時整體光芯片需求量每年都有10%-20%的增長，國內(nèi)廠商處于絕佳的量價齊升的上升期。激光雷達：1550DToF和FMCW路徑應用廣泛汽車激光雷達產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，市場規(guī)模有望不斷擴大。當前，汽車正進入更高階智能駕駛階段，作為傳感器的激光雷達因為探測精度高具有廣泛應用前景。根據(jù)Yole最新報告分析，當前激光雷達主要應用領(lǐng)域有汽車ADAS、自動駕駛汽車，工廠自動化、智慧建筑、風能，地理探測等領(lǐng)域。其中，應用在汽車領(lǐng)域的激光雷達市場規(guī)模有望從2020年的2600萬美元，快速增長到2026年的23億美元，年復合增長率有望達到94%。多種技術(shù)路徑并存，當前發(fā)射和接收端成本占比約40%-50%。當前，激光雷達技術(shù)路徑較多，各家廠商路徑不一，但大致可以分為發(fā)射端、接收端和掃描端。根據(jù)SystemPlus拆解，Livox激光雷達成本中，激光二極管、光電二極管大致占比成本約11%；而在SystemPlus對另一款MEMS激光雷達拆解中，發(fā)射端（包含激光器、振鏡）、接收端（探測器芯片、Asic芯片）等大致合計占比成本約40%-50%。激光雷達1550波長方案性能優(yōu)良，有望隨著產(chǎn)業(yè)鏈成熟上量。發(fā)射端技術(shù)方案較多，但若按使用的光波長來劃分，主要分為905nm，1550nm。根據(jù)Yole2021年汽車和工業(yè)應用激光雷達的報告，905nm激光雷達是當前主流，大致占比69%；而1550nm方案緊隨第二，占比約14%。1550方案和905方案各有優(yōu)劣。雖然當前上車方案占比暫時不高，但1550波長因為對人眼無害、抗干擾能力強，被認為在未來有廣泛的應用前景。目前，全球Luminar、圖達通、一徑科技、鐳神等是采用1550波長的知名激光雷達廠商，同時其他主流激光雷達廠商也有報道投入到1550方案的研究中。1550nmdToF方案需使用磷化銦材料體系的激光器和探測器，光通信芯片廠商切入有明顯優(yōu)勢。由于1550波長也是光通信里應用廣泛的通信波段，主要基于的發(fā)光材料體系為磷化銦（LnP），封裝形式可為TO、蝶形等。發(fā)射端，為實現(xiàn)大功率、遠距離探測，1550nm當前主要采用光纖激光器方案，其主要由種子源、泵浦源、合束器、增益光纖等組成，具有輸出功率高、光束質(zhì)量好、速度快的優(yōu)點。其中，種子源模組主要用脈沖式DFB激光器芯片。探測端，1550nm近紅外波段可使用InGaAs近紅外探測器，光通信芯片廠商也較為熟悉。在1550nm方案逐漸發(fā)展的背景下，源杰切入該賽道，具有較大的技術(shù)積累優(yōu)勢。集成光學：大功率DFB應用伊始，當前標準仍在制定硅光應用現(xiàn)有成熟的CMOS工藝進行光器件開發(fā)和集成，在光模塊領(lǐng)域應用逐漸廣泛。硅光的特點是可以實現(xiàn)高密度的光電集成，然后通過類似芯片一樣的大規(guī)模生產(chǎn)，持續(xù)降低模塊生產(chǎn)成本，與傳統(tǒng)模塊相比具備更高的成本優(yōu)勢。據(jù)Lightcounting預測，硅光模塊有望在2024年全球銷售額超過40億美金。大功率DFB激光器是隨硅光模塊興起的新應用需求。在實際BOM成本中，硅光方案的光模塊主要應用高速率的光模塊，如400G/800G等，其優(yōu)勢在于可以將多通道的器件元件進行集成，大幅降低多通道模塊的尺寸和體積，適應交換機端口更加密集的要求。由于硅自身能級結(jié)構(gòu)的原因，天然無法高效率發(fā)光，因此目前主要有兩種方案。一種為在硅光芯片上異質(zhì)集成激光器，這種方案依賴于自有晶圓工廠，絕大部分模塊器件廠商不具備這樣的能力；另一種是將連續(xù)發(fā)光的DFB激光器通過外部耦合的方法導入硅光芯片，其中的關(guān)鍵點在于提高耦合效率和彌補硅光的損耗，往往需要大功率、小發(fā)散角、寬工作溫度的DFB激光器。共封裝光學系統(tǒng)有望是硅光技術(shù)的進一步延續(xù)，同樣提出高功率、低噪聲、低功耗的要求。OIF組織以及在CPO標準化下做了不少工作，定義了1個3．2T的光模塊，可用于最終51．2T容量的CPO。2021年光通信行業(yè)組織發(fā)布了《CW-WDMMSATechnicalSpecificationsRev1．0》，其對硅基高密度共封裝光學等外置光源應用進行了初步的規(guī)范，同樣要求外置激光器光源滿足單模、高功率、低噪聲、低功耗、連續(xù)穩(wěn)定工作。材料與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兩維度進行區(qū)分。光芯片屬于半導體激光器/探測器，從結(jié)構(gòu)看，激光器常用的結(jié)構(gòu)有面發(fā)射結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(diào)制器，需要兩次或多次外延，工藝難，良率低，但其調(diào)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(jié)構(gòu)分，可分為PN結(jié)構(gòu)、PIN結(jié)構(gòu)和APD結(jié)構(gòu)。其中，PN結(jié)構(gòu)由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN結(jié)構(gòu)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%。光芯片行業(yè)市場需求分析隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量需求持續(xù)增長，根據(jù)Omdia的統(tǒng)計，2017年至2020年，全球固定網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量從92萬PB增長至217萬PB，年均復合增長率為33．1%，預計2024年將增長至575萬PB，年均復合增長率為27．6%。同時，光電子、云計算技術(shù)等不斷成熟，將促進更多終端應用需求出現(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，預測2025年全球光模塊市場將達到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。面向全球競爭，高端亟需突破光芯片屬于光通信產(chǎn)業(yè)最上游，是不可或缺的環(huán)節(jié)。光芯片是下游有源器件、光模塊中必不可少的元件。國內(nèi)廠商按覆蓋環(huán)節(jié)主要分專業(yè)光芯片廠商和光芯片模塊綜合廠商。其中，專業(yè)光芯片企業(yè)包括源杰科技、武漢敏芯、中科光芯、光安倫、云嶺光電、仕佳光子等；而綜合光芯片模塊廠商包括光迅科技、海信寬帶、華為海思等。高端光芯片國產(chǎn)供給與下游需求錯配。需求側(cè)，下游光通信模塊、設(shè)備廠商在全球份額市占率已經(jīng)較高。以模塊為例，根據(jù)Lightcounting統(tǒng)計2021年前十模塊供應商中，我國模塊廠商占了5家。此外，2021年87億美金的全球光模塊銷售額中，我國模塊供應商占比超過一半以上。上下游的供需錯配將成為我國光芯片產(chǎn)業(yè)持久的發(fā)展動力。絕大多數(shù)模塊廠商并不具備光芯片研發(fā)自給能力，需要國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的大力支持。國內(nèi)僅少數(shù)模塊廠商如光迅科技、華為海思、海信寬帶、華工正源等具備光芯片研發(fā)和生產(chǎn)能力，絕大部分廠商需要依賴外部合作或者海外光芯片供應商的長期供應。對于大多數(shù)模塊廠商而言，當前時點自研光芯片投入大，短期產(chǎn)出緩慢，亟需國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的大力支持。本土光芯片將參與全球競爭，成長不止于。除了下游國內(nèi)模塊廠商市占率已經(jīng)較高以外，由于我國具備人口紅利、工程師紅利和市場紅利等三大紅利優(yōu)勢，全球海外知名模塊廠商均在我國擁有辦事處、產(chǎn)能、代工廠或銷售服務部門，這也意味著，本土的光芯片企業(yè)不僅有機會參與到國內(nèi)客戶的供應鏈，也有接觸海外客戶的機遇。移動通信：前傳國產(chǎn)應用廣泛，中回傳仍需突破5G光模塊速率較4G時代有明顯提升。2020年起，我國5G網(wǎng)絡開始規(guī)模建設(shè)。其中，5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可大致分為前傳、中回傳，其中前傳傳輸距離一般在10km以內(nèi)，主要是基站側(cè)和機房的連接，4G時代普遍采用10G光模塊，當前主要使用10G/25G的光模塊，未來有望升級到50G。中回傳速率要求比較高，主要是匯聚層或核心網(wǎng)絡層級的長距離連接，通常需要的模塊速率達到100G及以上。為高效利用已有光纖資源，前傳波分復用方案部署規(guī)模擴大。當前5G前傳主要有四種波分方案，分別為CWDM、LWDM、MWDM和DWDM可調(diào)諧。其中，CWDM實際上在4G時代也已經(jīng)逐漸使用，4G大量采用的仍是光纖直驅(qū)方案，僅采用少量CWDM；但5G時代為了提升系統(tǒng)容量，業(yè)務光波長的間隔逐漸減少或者產(chǎn)生偏移，產(chǎn)生如LWDM、MWDM等應用于前傳的種類，，需要產(chǎn)業(yè)鏈尤其是光芯片上游進行快速的研發(fā)和量產(chǎn)來進行配合。當前，由于可以復用已有的產(chǎn)業(yè)鏈，CWDM、MWDM、LWDM應用進展較快，25G波分側(cè)芯片需求量不斷上升。產(chǎn)業(yè)協(xié)作下，25G前傳光芯片國產(chǎn)廠商基本覆蓋，成為良好替代機遇。在5G建設(shè)早期，國內(nèi)主要使用10G超頻等方案進行過渡，而在國內(nèi)三大運營商提出四種主流彩光方案后，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作不斷加深，模塊廠與芯片廠的互動更加頻繁，使得大陸眾多領(lǐng)先光芯片廠商均在短時間內(nèi)可參加送樣、測試和量產(chǎn)的全流程，打破了主要由日本等廠商把持高速率芯片和組件的格局，25G前傳光芯片有望成為國內(nèi)高端芯片崛起和高端替代的良好機遇。中回傳光芯片難度大，國內(nèi)廠商有望突破。中回傳光模塊通常傳輸距離超過10km，最高達到40或80km，且傳輸速率往往大于100G，需要采用25GBaud及以上速率EML芯片或者高波特率的探測器芯片。中回傳接收端和發(fā)射端要求芯片產(chǎn)品性能好，但技術(shù)難度較大，而且電信級應用對可靠性要求較高，國產(chǎn)化率也較低。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(shè)備連接到光分路器，再進入到家庭用戶的光貓?zhí)帲渲性诰侄嗽O(shè)備側(cè)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(shè)備側(cè)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(cè)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(guān)設(shè)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(shè)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(shè)施建設(shè)。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%。