摘要：隨著移動互聯網和云計算的發(fā)展，光芯片作為實現數據中心內部互聯及連接的核心器件，需求不斷攀升。隨著網絡架構的發(fā)展所需光芯片數量成倍增加，且向高速率芯片轉移。目前中國光芯片行業(yè)高端光芯片國產替代率仍較低國內相關企業(yè)僅在2.5G和10G光芯片領域實現核心技術的掌握。2015年，我國光芯片市場規(guī)模僅為5.56億美元，此后受益于互聯網快速發(fā)展帶來的大量新型基礎設施需求，光通信市場帶動光芯片市場加速發(fā)展，至2023年我國光芯片市場規(guī)模已上升至19.74億美元，過去九年CAGR為13.16%。未來幾年5G設備升級和相關應用落地將會持續(xù)進行，同時大量數據中心設備更新和新數據中心落地也會持續(xù)助力光芯片市場規(guī)模的增長。

一、定義及分類

光芯片是實現光轉電、電轉光、分路、衰減、合分波等基礎光通信功能的芯片，是光器件和光模塊的核心。光芯片的原理是基于光子學原理，即利用光的波動性和粒子性來傳輸和處理信息。光芯片的工作過程可簡單分為三個步驟：光發(fā)射、光傳輸和光檢測。首先，激光器將電信號轉換為光信號，其次，光波導將光信號在芯片內傳輸；最后，光探測器將光信號轉換為電信號。光芯片通過加工封裝為光發(fā)射組件（TOSA）及光接收組件（ROSA），再將光收發(fā)組件、電芯片、結構件等進一步加工成光模塊。光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率。

光芯片細分品類多，廣泛應用于各個領域。光芯片主要分為有源光器件芯片和無源光器件芯片。有源光芯片包括激光器芯片和探測器芯片，而無源光芯片則包括PLC和AWG芯片。激光器芯片和探測器芯片分別用于將電信號轉換為光信號和將光信號轉換為電信號。激光器芯片可以進一步分為邊發(fā)射激光器芯片(EEL)和面發(fā)射激光器芯片(VCSEL)。探測器芯片使用最廣泛的是PIN光電二極管(PIN-PD)和APD(雪崩光電二極管)。

二、發(fā)展歷程

中國光芯片行業(yè)始于20世紀80年代末至90年代初的起步階段，經歷了初步發(fā)展、快速增長、技術突破和國際合作等階段，近年來逐步走向國際化舞臺。隨著政策支持和市場需求的不斷增長，中國光芯片行業(yè)正邁向更廣闊的未來，將繼續(xù)在全球光通信和高科技領域發(fā)揮重要作用。

三、行業(yè)政策

光芯片目前已廣泛應用于通信、工業(yè)、消費、照明等領域，下游市場不斷拓展。受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術的升級，光模塊作為光通信產業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長，光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。國家及各地方政府相繼出臺政策扶持中國光芯片行業(yè)的發(fā)展，例如2024年3月發(fā)布的《關于印發(fā)河南省加快制造業(yè)“六新”突破實施方案的通知》中指出：開展千公里級激光雷達、星間骨干網激光通信等關鍵部組件研發(fā)。帶動光通信行業(yè)的同時也扶持光芯片行業(yè)的發(fā)展。

四、行業(yè)壁壘

1、生產工藝和流程較為復雜，投入極高同時回報偏慢

一枚光芯片的出產需要經過設計、流片、技術驗證、定型、量產等數個環(huán)節(jié)，在工藝和流程均成熟的情況下，整體需要1-2年的時間，而進入量產階段后還需要工藝經驗的積累來解決散熱、封裝和穩(wěn)定性等多重技術難題，從而有效提升良品率。整體的回報時長被進一步拉長。

2、光刻機嚴重依賴進口，國產化水平明顯不足

在芯片生產中，光刻機是生產芯片最為核心的設備，其功能主要為將掩膜版上的芯片電路轉移到硅片上。：由于光刻機設備對光學技術和供應鏈要求嚴苛，形成了極高技術壁壘，致使其成為高度壟斷行業(yè)。荷蘭ASML是全球唯一一家生產高精度光刻機的公司，旗下產品覆蓋全部級別光刻機設備，其中高端領域形成絕對壟斷。除此之外，中低端領域由尼康和佳能兩大龍頭主導，與ASML共同占據整個市場份額的90%以上。當前美國禁止所有半導體企業(yè)在未經審核的情況下向中國供應半導體設備和技術，這進一步促進了光刻機領域高生態(tài)壁壘的形成，不利于中國光芯片的研發(fā)及生產。

3、技術不成熟，較國外具有較大差距

主要指InP/GaAs等材料經提純、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)模制造的第一個重要環(huán)節(jié)?；逯圃斓募夹g關鍵是提純，當前能實現高純度單晶體襯底批量生產的全球僅有幾家企業(yè)，均為海外企業(yè)。根據設計需求，生產企業(yè)用基板和有機金屬氣體在MOCVD/MBE設備里長晶，制成外延片。外延片是決定光芯片性能的關鍵一環(huán)，生成條件較為嚴苛，因此是光芯片行業(yè)技術壁壘最高環(huán)節(jié)。成熟技術工藝主要集中于中國臺灣以及美日企業(yè)，國內企業(yè)量產能力相對有限。

五、產業(yè)鏈

中國光芯片產業(yè)鏈上游包括磷化銦襯底材料、砷化鎵襯底材料、工業(yè)氣體、封裝材料、光刻機、刻蝕機等；中游為光芯片，可分為有源光器件芯片及無源光器件芯片；下游應用光通信、消費電子、汽車電子、工業(yè)制造、醫(yī)療等領域。

光芯片行業(yè)產業(yè)鏈

磷化銦襯底材料

北京通美晶體技術股份有限公司

云南臨滄鑫圓鍺業(yè)股份有限公司

廣東先導先進材料股份有限公司

蘇州長光華芯光電技術股份有限公司

三安光電股份有限公司

砷化鎵襯底材料

臺灣英特磊科技股份有限公司

中科晶電信息材料(北京)有限公司

天津晶明電子材料有限責任公司

北京中科鎵英半導體有限公司

工業(yè)氣體

林德集團

液化空氣（中國）投資有限公司

氣體動力科技有限公司

封裝材料

上海飛凱材料科技股份有限公司

宏昌電子材料股份有限公司

潮州三環(huán)（集團）股份有限公司

寧波康強電子股份有限公司

深圳市興森快捷電路科技股份有限公司

深南電路股份有限公司

長沙岱勒新材料科技股份有限公司

珠海越亞半導體股份有限公司

上游

蘇州長光華芯光電技術股份有限公司

武漢銳晶激光芯片技術有限公司

陜西源杰半導體科技股份有限公司

武漢光迅科技股份有限公司

中游

光通信

消費電子

汽車電子

工業(yè)制造

下游

六、行業(yè)現狀

隨著移動互聯網和云計算的發(fā)展，光芯片作為實現數據中心內部互聯及連接的核心器件，需求不斷攀升。隨著網絡架構的發(fā)展所需光芯片數量成倍增加，且向高速率芯片轉移。目前中國光芯片行業(yè)高端光芯片國產替代率仍較低國內相關企業(yè)僅在2.5G和10G光芯片領域實現核心技術的掌握。2015年，我國光芯片市場規(guī)模僅為5.56億美元，此后受益于互聯網快速發(fā)展帶來的大量新型基礎設施需求，光通信市場帶動光芯片市場加速發(fā)展，至2023年我國光芯片市場規(guī)模已上升至19.74億美元，過去九年CAGR為13.16%。未來幾年5G設備升級和相關應用落地將會持續(xù)進行，同時大量數據中心設備更新和新數據中心落地也會持續(xù)助力光芯片市場規(guī)模的增長。

七、發(fā)展因素

1、有利因素

（1）受益于光模塊市場的加速擴張

光芯片分為有源和無源光芯片兩大類，據統計，有源的光模塊芯片市場在整體光芯片市場中占據絕大比例。作為光模塊的核心，光芯片市場將在較大程度上受光模塊市場驅動。光模塊是構建我國現代高速信息網絡基礎設施的關鍵設備，是國家重點支持的高新技術產品，這也使得中國光模塊市場保持快速增長勢頭。隨著我國光模塊企業(yè)技術水平的提升以及更大的研發(fā)投入，中國光模塊廠商將在未來逐步引領市場，再加上5G和數據中心的需求持續(xù)擴大，這為中國光模塊市場實現更高速增長注入動力，

（2）數據中心擴容升級助力光模塊及光芯片需求不斷增大

數據流量增長是光模塊以及光芯片增長的核心動力。隨著云服務、5G商用、物聯網、人工智能、虛擬現實等場景的發(fā)展及疫情催化，全球數據流量出現了爆發(fā)式增長。當前市場在巨頭激烈競爭的格局下，超大型數據中心容量不斷提升，這為購置更多高速光芯片和替換升級舊光芯片奠定基礎。國內數據中心機架數量持續(xù)增長，市場規(guī)模加速擴大，將有力拉動光模塊以及光芯片的需求增長。

（3）硅光模塊市場后續(xù)增長將有效助力硅光芯片需求增長

傳統光模塊一般采用III-V族半導體芯片、高速電路硅芯片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬于“電互聯”。隨著晶體管加工尺寸的持續(xù)縮小，電互聯會逐漸面臨傳輸瓶頸，硅光技術應運而生。硅光芯片內的功能部件主要通過光子介質傳輸信息，連接速度更快，因此更適合數據中心和中長距離相干通信等應用場景。硅光技術能有效降低成本并控制能耗。傳統光模塊采用分立式結構，光器件部件多，封裝工序復雜且需要較多人工成本。而硅光模塊將多路激光器，調制器和多路探測器等光芯片都集成在硅光芯片上，體積大幅減小，有效降低材料成本、芯片成本、封裝成本，同時也能有效控制功耗。

2、不利因素

（1）技術門檻高與研發(fā)投入不足

光芯片行業(yè)技術壁壘較高，生產工藝和流程復雜，特別是外延生長環(huán)節(jié)是技術壁壘最高的環(huán)節(jié)。國內企業(yè)在高端光芯片領域與國際領先水平存在一定差距，且研發(fā)投入相對不足，導致在核心技術上難以突破。

（2）對外依賴度高

盡管中國在低速光芯片領域取得了一定進展，但在高速光芯片領域，特別是25G及以上速率的光芯片嚴重依賴進口。國內能夠量產的高速率激光器芯片的廠商較少，許多關鍵技術和高端產品仍需向國際外延廠進行采購，這限制了國內光芯片行業(yè)的自主可控能力。

（3）產業(yè)集中度不高與市場競爭壓力大

中國光芯片產業(yè)集中度相對較低，存在眾多中小企業(yè)，這些企業(yè)普遍規(guī)模較小，自主研發(fā)能力較弱，產品同質化嚴重。同時，國際市場上的競爭也非常激烈，國外寡頭企業(yè)占據先發(fā)優(yōu)勢并把控產業(yè)鏈高端，擠壓國內廠商市場空間。

八、競爭格局

隨著光通信市場需求的持續(xù)擴大，再加上光通信領域中的器件、芯片、模塊等技術壁壘高、生產工藝復雜的特征，產業(yè)鏈上下游企業(yè)的互聯互通程度逐步加深，龍頭企業(yè)垂直整合進程不斷加快，產業(yè)鏈的交互融合也使得光芯片市場競爭格局與光器件和光模塊市場競爭格局基本保持一致。國產光芯片行業(yè)同時面臨低端產品競爭激烈，高端產品突破困難的國產替代挑戰(zhàn)。光芯片行業(yè)具有較高的準入門檻。特別是采用IDM模式的企業(yè)，光芯片產品設計、良率的提升需要較長周期。光芯片導入下游光器件和模塊，需要經過性能測試、可靠性測試等過程。目前行業(yè)中主要企業(yè)為陜西源杰半導體科技股份有限公司、蘇州長光華芯光電技術股份有限公司、武漢光迅科技股份有限公司、武漢敏芯半導體股份有限公司等。

源杰科技經過多年研發(fā)與產業(yè)化積累，公司已建立了包含芯片設計、晶圓制造、芯片加工和測試的

IDM全流程業(yè)務體系，擁有多條覆蓋MOCVD外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端

面鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等全流程自主可控的生產線，公司逐步發(fā)展為國內領先的光芯片供應商。公司將繼續(xù)深耕光芯片行業(yè)，致力成為國際一流光電半導體

芯片和技術服務供應商。2023年源杰科技由于電信市場類業(yè)務及數據中心類業(yè)務不達預期，導致收入有所下降，2023年公司收入為1.44億元。

九、發(fā)展趨勢

隨著傳統乘用車的電動化、智能化發(fā)展，高級別的輔助駕駛技術逐步普及，核心傳感器件激光雷達的應用規(guī)模將會增大?；谏榛墸℅aAs）和磷化銦（InP）的光芯片作為激光雷達的核心部件，其未來的市場需求將會不斷增加。下一代數據中心應用400G/800G傳輸速率方案，傳統DFB激光器芯片短期內無法同時滿足高帶寬性能、高良率的要求，需考慮采用EML激光器芯片以實現單波長100G的高速傳輸特性。

在硅光方案中，激光器芯片作為外置光源，而硅基芯片承擔了速率調制功能。為了實現這一目標，需要將激光器芯片發(fā)射的光源耦合至硅基材料中。硅基材料憑借其高度集成的制程優(yōu)勢，能夠整合調制器和無源光路，實現調制功能與光路傳導功能的集成。在400G光模塊中，利用硅光技術將大功率激光器芯片的光源分為4路光路，每一路通過硅基調制器與無源光路波導實現100G的調制速率，從而實現整體的400G傳輸速率。這要求激光器芯片具備大功率、高耦合效率、寬工作溫度等性能指標。