光芯片

摘要：随着移动互联网和云计算的发展，光芯片作为实现数据中心内部互联及连接的核心器件，需求不断攀升。随着网络架构的发展所需光芯片数量成倍增加，且向高速率芯片转移。目前中国光芯片行业高端光芯片国产替代率仍较低国内相关企业仅在2.5G和10G光芯片领域实现核心技术的掌握。2015年，我国光芯片市场规模仅为5.56亿美元，此后受益于互联网快速发展带来的大量新型基础设施需求，光通信市场带动光芯片市场加速发展，至2023年我国光芯片市场规模已上升至19.74亿美元，过去九年CAGR为13.16%。未来几年5G设备升级和相关应用落地将会持续进行，同时大量数据中心设备更新和新数据中心落地也会持续助力光芯片市场规模的增长。

一、定义及分类

光芯片是实现光转电、电转光、分路、衰减、合分波等基础光通信功能的芯片，是光器件和光模块的核心。光芯片的原理是基于光子学原理，即利用光的波动性和粒子性来传输和处理信息。光芯片的工作过程可简单分为三个步骤：光发射、光传输和光检测。首先，激光器将电信号转换为光信号，其次，光波导将光信号在芯片内传输；最后，光探测器将光信号转换为电信号。光芯片通过加工封装为光发射组件（TOSA）及光接收组件（ROSA），再将光收发组件、电芯片、结构件等进一步加工成光模块。光芯片的性能直接决定光模块的传输速率。

光芯片细分品类多，广泛应用于各个领域。光芯片主要分为有源光器件芯片和无源光器件芯片。有源光芯片包括激光器芯片和探测器芯片，而无源光芯片则包括PLC和AWG芯片。激光器芯片和探测器芯片分别用于将电信号转换为光信号和将光信号转换为电信号。激光器芯片可以进一步分为边发射激光器芯片(EEL)和面发射激光器芯片(VCSEL)。探测器芯片使用最广泛的是PIN光电二极管(PIN-PD)和APD(雪崩光电二极管)。

二、发展历程

中国光芯片行业始于20世纪80年代末至90年代初的起步阶段，经历了初步发展、快速增长、技术突破和国际合作等阶段，近年来逐步走向国际化舞台。随着政策支持和市场需求的不断增长，中国光芯片行业正迈向更广阔的未来，将继续在全球光通信和高科技领域发挥重要作用。

三、行业政策

光芯片目前已广泛应用于通信、工业、消费、照明等领域，下游市场不断拓展。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，光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。国家及各地方政府相继出台政策扶持中国光芯片行业的发展，例如2024年3月发布的《关于印发河南省加快制造业“六新”突破实施方案的通知》中指出：开展千公里级激光雷达、星间骨干网激光通信等关键部组件研发。带动光通信行业的同时也扶持光芯片行业的发展。

四、行业壁垒

1、生产工艺和流程较为复杂，投入极高同时回报偏慢

一枚光芯片的出产需要经过设计、流片、技术验证、定型、量产等数个环节，在工艺和流程均成熟的情况下，整体需要1-2年的时间，而进入量产阶段后还需要工艺经验的积累来解决散热、封装和稳定性等多重技术难题，从而有效提升良品率。整体的回报时长被进一步拉长。

2、光刻机严重依赖进口，国产化水平明显不足

在芯片生产中，光刻机是生产芯片最为核心的设备，其功能主要为将掩膜版上的芯片电路转移到硅片上。：由于光刻机设备对光学技术和供应链要求严苛，形成了极高技术壁垒，致使其成为高度垄断行业。荷兰ASML是全球唯一一家生产高精度光刻机的公司，旗下产品覆盖全部级别光刻机设备，其中高端领域形成绝对垄断。除此之外，中低端领域由尼康和佳能两大龙头主导，与ASML共同占据整个市场份额的90%以上。当前美国禁止所有半导体企业在未经审核的情况下向中国供应半导体设备和技术，这进一步促进了光刻机领域高生态壁垒的形成，不利于中国光芯片的研发及生产。

3、技术不成熟，较国外具有较大差距

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。根据设计需求，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垒最高环节。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。

五、产业链

中国光芯片产业链上游包括磷化铟衬底材料、砷化镓衬底材料、工业气体、封装材料、光刻机、刻蚀机等；中游为光芯片，可分为有源光器件芯片及无源光器件芯片；下游应用光通信、消费电子、汽车电子、工业制造、医疗等领域。

光芯片行业产业链

磷化铟衬底材料

北京通美晶体技术股份有限公司

云南临沧鑫圆锗业股份有限公司

广东先导先进材料股份有限公司

苏州长光华芯光电技术股份有限公司

三安光电股份有限公司

砷化镓衬底材料

台湾英特磊科技股份有限公司

中科晶电信息材料(北京)有限公司

天津晶明电子材料有限责任公司

北京中科镓英半导体有限公司

工业气体

林德集团

液化空气（中国）投资有限公司

气体动力科技有限公司

封装材料

上海飞凯材料科技股份有限公司

宏昌电子材料股份有限公司

潮州三环（集团）股份有限公司

宁波康强电子股份有限公司

深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司

深南电路股份有限公司

长沙岱勒新材料科技股份有限公司

珠海越亚半导体股份有限公司

上游

苏州长光华芯光电技术股份有限公司

武汉锐晶激光芯片技术有限公司

陕西源杰半导体科技股份有限公司

武汉光迅科技股份有限公司

中游

光通信

消费电子

汽车电子

工业制造

下游

六、行业现状

随着移动互联网和云计算的发展，光芯片作为实现数据中心内部互联及连接的核心器件，需求不断攀升。随着网络架构的发展所需光芯片数量成倍增加，且向高速率芯片转移。目前中国光芯片行业高端光芯片国产替代率仍较低国内相关企业仅在2.5G和10G光芯片领域实现核心技术的掌握。2015年，我国光芯片市场规模仅为5.56亿美元，此后受益于互联网快速发展带来的大量新型基础设施需求，光通信市场带动光芯片市场加速发展，至2023年我国光芯片市场规模已上升至19.74亿美元，过去九年CAGR为13.16%。未来几年5G设备升级和相关应用落地将会持续进行，同时大量数据中心设备更新和新数据中心落地也会持续助力光芯片市场规模的增长。

七、发展因素

1、有利因素

（1）受益于光模块市场的加速扩张

光芯片分为有源和无源光芯片两大类，据统计，有源的光模块芯片市场在整体光芯片市场中占据绝大比例。作为光模块的核心，光芯片市场将在较大程度上受光模块市场驱动。光模块是构建我国现代高速信息网络基础设施的关键设备，是国家重点支持的高新技术产品，这也使得中国光模块市场保持快速增长势头。随着我国光模块企业技术水平的提升以及更大的研发投入，中国光模块厂商将在未来逐步引领市场，再加上5G和数据中心的需求持续扩大，这为中国光模块市场实现更高速增长注入动力，

（2）数据中心扩容升级助力光模块及光芯片需求不断增大

数据流量增长是光模块以及光芯片增长的核心动力。随着云服务、5G商用、物联网、人工智能、虚拟现实等场景的发展及疫情催化，全球数据流量出现了爆发式增长。当前市场在巨头激烈竞争的格局下，超大型数据中心容量不断提升，这为购置更多高速光芯片和替换升级旧光芯片奠定基础。国内数据中心机架数量持续增长，市场规模加速扩大，将有力拉动光模块以及光芯片的需求增长。

（3）硅光模块市场后续增长将有效助力硅光芯片需求增长

传统光模块一般采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成，本质上属于“电互联”。随着晶体管加工尺寸的持续缩小，电互联会逐渐面临传输瓶颈，硅光技术应运而生。硅光芯片内的功能部件主要通过光子介质传输信息，连接速度更快，因此更适合数据中心和中长距离相干通信等应用场景。硅光技术能有效降低成本并控制能耗。传统光模块采用分立式结构，光器件部件多，封装工序复杂且需要较多人工成本。而硅光模块将多路激光器，调制器和多路探测器等光芯片都集成在硅光芯片上，体积大幅减小，有效降低材料成本、芯片成本、封装成本，同时也能有效控制功耗。

2、不利因素

（1）技术门槛高与研发投入不足

光芯片行业技术壁垒较高，生产工艺和流程复杂，特别是外延生长环节是技术壁垒最高的环节。国内企业在高端光芯片领域与国际领先水平存在一定差距，且研发投入相对不足，导致在核心技术上难以突破。

（2）对外依赖度高

尽管中国在低速光芯片领域取得了一定进展，但在高速光芯片领域，特别是25G及以上速率的光芯片严重依赖进口。国内能够量产的高速率激光器芯片的厂商较少，许多关键技术和高端产品仍需向国际外延厂进行采购，这限制了国内光芯片行业的自主可控能力。

（3）产业集中度不高与市场竞争压力大

中国光芯片产业集中度相对较低，存在众多中小企业，这些企业普遍规模较小，自主研发能力较弱，产品同质化严重。同时，国际市场上的竞争也非常激烈，国外寡头企业占据先发优势并把控产业链高端，挤压国内厂商市场空间。

八、竞争格局

随着光通信市场需求的持续扩大，再加上光通信领域中的器件、芯片、模块等技术壁垒高、生产工艺复杂的特征，产业链上下游企业的互联互通程度逐步加深，龙头企业垂直整合进程不断加快，产业链的交互融合也使得光芯片市场竞争格局与光器件和光模块市场竞争格局基本保持一致。国产光芯片行业同时面临低端产品竞争激烈，高端产品突破困难的国产替代挑战。光芯片行业具有较高的准入门槛。特别是采用IDM模式的企业，光芯片产品设计、良率的提升需要较长周期。光芯片导入下游光器件和模块，需要经过性能测试、可靠性测试等过程。目前行业中主要企业为陕西源杰半导体科技股份有限公司、苏州长光华芯光电技术股份有限公司、武汉光迅科技股份有限公司、武汉敏芯半导体股份有限公司等。

源杰科技经过多年研发与产业化积累，公司已建立了包含芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的

IDM全流程业务体系，拥有多条覆盖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、可靠性测试验证等全流程自主可控的生产线，公司逐步发展为国内领先的光芯片供应商。公司将继续深耕光芯片行业，致力成为国际一流光电半导体

芯片和技术服务供应商。2023年源杰科技由于电信市场类业务及数据中心类业务不达预期，导致收入有所下降，2023年公司收入为1.44亿元。

九、发展趋势

随着传统乘用车的电动化、智能化发展，高级别的辅助驾驶技术逐步普及，核心传感器件激光雷达的应用规模将会增大。基于砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的光芯片作为激光雷达的核心部件，其未来的市场需求将会不断增加。下一代数据中心应用400G/800G传输速率方案，传统DFB激光器芯片短期内无法同时满足高带宽性能、高良率的要求，需考虑采用EML激光器芯片以实现单波长100G的高速传输特性。

在硅光方案中，激光器芯片作为外置光源，而硅基芯片承担了速率调制功能。为了实现这一目标，需要将激光器芯片发射的光源耦合至硅基材料中。硅基材料凭借其高度集成的制程优势，能够整合调制器和无源光路，实现调制功能与光路传导功能的集成。在400G光模块中，利用硅光技术将大功率激光器芯片的光源分为4路光路，每一路通过硅基调制器与无源光路波导实现100G的调制速率，从而实现整体的400G传输速率。这要求激光器芯片具备大功率、高耦合效率、宽工作温度等性能指标。