众人看好的光芯片，国产有什么机会

亦心绿

早在1979年，我国科学家钱学森就看好光子学，并围绕光子学提出了光子工业的概念，而到现在很多设想依然没有实现，许多价值还有待挖掘。[1]

% q  B# ?+ X. X3 e' {
7 s! O" x0 f) B, G# {1 F1 [如今，光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革命，芯片从电到光，将是我国实现赶超的战略机遇[2]。光子革命已至，但若要光为人所用，其实也没有想象中那样容易。
" T5 M- v/ M% b

本文是“国产替代”系列的第十四篇，关注光芯片国产替代。在本文中，你将了解到：光芯片到底是什么，国产发展情况究竟如何，光芯片的未来。

9 ]# o: c3 d4 ~( f# }
1 O7 M' i/ P0 f" Y$ ~1 P1 m

付斌丨作者

李拓、刘冬宇丨编辑

果壳硬科技丨策划

7 S3 u  K2 w" p" h* X# P! N9 h, m2 o
光与电的完美配合

, _& {8 Q9 `; B  q2 k
现代大多数芯片的本质，就是将环境信号转换为可精细操控的电信号，或将处理过的电信号转换为环境信号的一个过程（如用电产生电热或用洛伦兹力产生磁场）。同理，光也可转化为电信号。实现光电信号相互转换的核心器件，就是光芯片。没有它，我们就无法与光交流。


2 i% |/ g  e+ i9 f0 n6 I光芯片早已深入每个人生活之中。你我都知道，家用电脑若要连接网络，都要安装光纤和“光猫”，让这套系统正常运作的功臣，就是光芯片。


为什么一定是光芯片？


7 D, V/ G% c: H1 F4 j这是因为光子作为信息载体具有先天的优势，可以实现几十Tb/s的信息传输速率，实现低交换延迟和高传输带宽，实现多路同时通信，同时拥有超低功耗的表现[2]。研究显示，光基设备中的数据以光速移动，相比普通电子电路，移动速度快10倍。[3]

" r1 j4 }9 G& x) ~1 T. M
虽然光芯片是天赋型选手，但要在系统中发挥作用，还是离不开电芯片。二者与PCB、结构件、套管进一步构成光器件，并以此为基础加工为光模块实现最终功能，最终应用于市场。
0 f6 N, v% y" L" a

7 ~' C) s- ^, u  j$ U

光芯片在产业链中的位置[4]

! M, }# E+ R' N: m7 E  I& B

目前，光芯片的技术概念有多重含义，包括光通信、光计算、光量子等，应用广泛分布在工业、消费、汽车、医疗等领域。但它的典型应用场景仍然是光通信，也是最核心的应用领域。

" [7 n7 z% y& E! F
光通信中的光芯片
9 A' M" r6 h$ t+ i4 F
7 _  k) C# ^7 `. S; Z& X2 C
光通信指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式，通过光芯片和传输介质实现对光的控制。

/ |# i0 }; e& L. X) s0 V
在光通信产业链中，光芯片是最核心的部分，一般分为2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各种调制速率，速率越快对应的光模块在单位时间内传输的信号量就越大。
3 o7 q8 c2 C6 D( f5 B

3 M+ @: F2 N+ f! q5 n4 e9 d, [与此同时，光芯片也是光模块物料成本结构中占比最大的部分。通常而言，光芯片约占中端光模块物料成本的40%，一些高端光模块中它的物料成本甚至能占到50%以上[5]，反观电芯片的成本通常占比为10%~30%，越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高。[6]
7 Y) v9 e9 }# N
* r( e7 a2 ^) e6 v
2 H* I6 s$ I. N0 C8 s

光芯片在光通信系统中应用位置[4]

' D0 J( y  R$ u2 h
按功能，光芯片主要分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探测器芯片用于接收信号，将光信号转化为电信号，主要包括PIN和APD。


; X3 \* G3 Z1 B* H7 U) w3 K对光芯片来说，市场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪60年代开始，光芯片就在材料、结构设计、组件集成和生产工艺方面不断改进。目前EML激光器芯片大规模商用最高速率已达100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用最高速率已达50Gb/s，与此同时，这些改变也让光芯片拥有向更广阔应用领域发展提供底气，诸如车载激光雷达、医疗等。[4]



) @- m7 z/ _6 E

不同光芯片的特性和应用场景[4]

* C' O$ @3 g" t" X: F; ?2 l  u+ w

/ x  e/ Q0 q  F( y) H0 N. t光芯片的生产制造是难点。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。其中，外延工艺是光芯片生产中最主要和最高技术门槛的环节，工艺水平直接决定了成本的性能指标和可靠性。一款优秀的光芯片背后，是高昂的投入、极长的研发周期、较大的研发风险以及极快的技术更新速度。

3 N3 H$ S0 \, Z1 B# h  o
/ M, B, a# ^$ C5 @/ S由于光芯片处在产业链上游，会牵扯出复杂的原材料问题。其本身一般由化合物半导体所制造，主要以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的III-V族材料为衬底，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号相互转换。除此之外，制造过程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原材料。

7 C7 |9 ~. ^& g; |: N0 j( a

光芯片的主要分类[4]

光芯片作为上游元件，市场主要受下游光模块拉动。据国信证券测算，以光模块行业平均25%的毛利率及Light Counting对光模块全球超150亿美元的市场规模预测估算，2021年光芯片全球市场规模约为35亿美元，预计2025年可达60亿美元。[7]
9 e% N) w4 ^6 Q7 z+ N: ?
6 T0 A& x4 f- U2 `. a

8 ?3 H0 p0 h: V' T

光通信产业链及市场规模[7]

) C/ |, K1 H1 N0 M! f) u随着数据量需求爆炸式增长，人们对光芯片的速率要求越来越高，而学术界和工业界则将目光放到了硅光芯片上。
# P$ d8 d3 `+ K/ Q) w. |2 o

4 r1 P3 n) M. ?; J7 v) I7 L把光子和电子糅在一起

* f2 Z. h0 q/ E: E  r6 H
$ W2 H7 A" j6 O. {展望未来3年，硅光芯片（或光电融合）将是光通信的一大趋势，它将支撑大型数据中心的高速信息传输。目前，硅光芯片技术研究由美国、欧洲和日本引领，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列产品占据全球相干光模块市场约30%以上。[8]
5 k: C$ V: F! ~9 E/ h

顾名思义，硅光芯片就是在硅光子和硅电子芯片上取长补短，发挥二者优势。这一概念早在40年前就已诞生，但硅基发光一直是巨大难题，因此一般是以硅材料为基底，引入多种材料实现发光[9]，分为SOI（绝缘体上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制造平台。[10]

/ b& m: C6 \. v& i
; ?0 g% X0 b! l& G. U) k$ ~; j  s复杂的材料学问题引发更多技术难题，诸如硅光耦合工艺、晶圆自动测试及切割、硅光芯片的设计工具等技术挑战。另外，受制于产业链、工艺水平限制，硅光芯片还没有在产能、成本、良率上凸显优势。不过，硅光芯片的颠覆性引发了研究热潮，技术日趋成熟，即将进入规模化商用阶段。[11]


硅光芯片的作用远不至此，它具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，在制造工艺上，与微电子器件类似，但又不必追求工艺尺寸的极限缩小，也许是帮助人们突破摩尔定律天花板的关键[12]。更重要的是，做好它就相当于打通光子工业的关节。科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息，其中光计算就是重要先进领域之一。光通信的光电转换技术可以应用在光计算中，而光计算所要求的低损耗、高密度光子集成也会进一步促进光通信发展。未来5年~10年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。[13]


据Yole预测，从2020年到2026年，硅光芯片的全球市场规模将从8700万美元升至11亿美元。其中，消费者健康、数据中心、光子计算、共封装引擎、长距离收发器将是主要细分市场。[14]


: @) h4 r- u3 j5 }+ @. s+ I8 r" d

) ^4 K) R8 q6 a0 V$ r9 Y  I

硅光领域近年并购动作频繁[15]

理想是丰满的，想要走那么远，还是要脚踏实地，先做好现有的光通信芯片。

! N  a# a2 S; n, h2 i9 L3 s
光芯片的追逐者


/ M4 [  {0 O+ ^7 Z1 e7 ?" ^/ |欧美日在光芯片上技术起步早、积累多，是市场的主导者。这些国家的研究机构和先进企业通过不断积累核心技术和生产工艺，逐步实现产业闭环，建立起了极高的行业壁垒。
/ e/ j. o0 n. M+ I8 k8 J) p1 r
, f) [1 P6 b+ c
% ]: ?* h- O* w) m4 k1 a+ C反观国内则起步较晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）严重依赖进口，与国外产业领先水平存在明显差距。数据显示，我国2.5Gb/s光通信芯片国产化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片国产化率却不超过5%，非常依赖Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]


% o- G$ }3 f; i1 ^/ o5 S0 i2 |5 ~与此同时，虽然光芯片国产商普遍拥有晶圆外延环节以外的后端加工能力，但核心的外延技术并不成熟，高端的外延片需要进口，大大限制了高端光芯片发展。
! i# D. |% F7 r+ x: W' u


7 A  T* d  D9 \: {

光芯片市场主要参与者[17]

# a# w6 Q+ j9 {* v; {: b

8 _# \. {7 }+ b# M" v2017年，中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》中指出，我国厂商只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工艺和配套IC的设计、封测能力，高端芯片能力比国际落后1~2代以上，且缺乏完整、稳定的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长、效率低，逐渐与国外的差距拉大。彼时明确了重点是25Gb/s及以上速率激光器和探测器芯片。[18]

. H* c# a) U9 u

2017年光收发模块及光芯片、电芯片国产化率测算[18]

- t( B4 D9 ~! ], ?$ I: L
到了2022年，国产高端光芯片有明显突破，但依旧大幅落后于国际巨头。而关键的25Gb/s激光器和探测器芯片方面，源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等企业开始量产，不过整体销售规模仍然较小。以源杰科技为例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列产品出货量在国内同类产品中已名列前茅，但其2022年上半年销售额仅为4100万元。[19]


( ?9 T5 z! `7 y% h, A$ ~# f对国产光芯片追逐者来说，分工模式是关键。芯片行业分为Fabless（设计公司）和IDM（设计、制造、封装全流程）两种模式，其中IDM模式是主导光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圆外延技术；另一方面，由于采用III-V族半导体材料，因此要求光芯片设计与晶圆制造环节相互反馈验证。
8 f! H% Z3 ?2 w' |; @0 w4 m, N6 M" |

不同分工模式的区别[20]

) M# x% p, @; H. H9 a5 j& R) Y% ?% }

纵览市场，国产光芯片典型玩家均选择了IDM模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面，IDM能够及时响应市场需求，灵活调整产品生产过程中各种工艺参数；另一方面，能够高效排查问题，精准触达产品设计、生产、测试环节问题；另外，IDM模式形成了完整的闭环流程，不仅全部自主可控，同时能够有效保护知识产权。[21]
2 T1 D6 ?/ g0 ]; l# O- k

& _& T: ~4 f# i6 h

, P9 Y: a) a  n2 z. x3 j国产光芯片典型玩家情况，制表丨果壳硬科技

参考丨公司招股书

8 D" w# U# m. S! ~! B

近两年，光芯片在投融资界也热闹异常。据果壳硬科技统计，25Gb/s及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子（光电融合）是最为热门和吸金的赛道，也是商业化较近的项目。另一些项目则更聚焦在未来，如光计算、光量子，这些项目商业化进程动辄十年、二十年，非常具有前瞻性。
& g5 x$ r' A+ d

近期国产光芯片融资不完全统计，制表丨果壳硬科技

掌握先进的光芯片技术，是各国争相竞逐的关键。以美国为例，不仅在政策上不断倾斜，以IBM、Intel为代表的工业巨头、以MIT、UCSB为代表的学术界领军机构都在不遗余力地发展大规模光子集成芯片。另外，欧盟的“地平线 2020”计划和日本的“先端研究开发计划”中也涉及光电子集成研究项目。[22]

  x/ J' k# |: r8 z
% C7 W$ Z1 F( C3 |) a& e种种动作，预示着一场以光为核心的科技革命，正在酝酿之中。

7 G( x  N0 h- }9 t/ i3 M
! u1 y1 q8 e/ U5 ]( L7 R中科创星创始合伙人米磊曾提出“米70定律”，即光学技术是推动科技产品进步的关键瓶颈技术，光学成本占未来所有科技产品成本的70％。[23]


纵观历史，科技革命的扩散周期大约为60年，集成电路从20世纪60年代诞生至今也已过去60年[2]，光芯片无疑是引领下一个60年的关键。当然，光子也并不是要完全替代掉电子，而是相互协同。


& N0 `4 p  h3 e属于光芯片的时代已经到来，但芯片行业一直残酷地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会成功。
7 i% p. F! w; ]* E9 q; }
/ R! [+ F# _% Y6 s  ~

! _% }( C: y. w! @6 P4 t7 I
6 ~* Q8 B9 s. u% j5 ?0 a8 j
0 Y- _: A7 F6 D

References：

[1] 钱学森.光子学、光子技术、光子工业[J].中国激光,1979,6(1):1.
; I0 ]( T' s6 V  P. i+ Uhttps://www.opticsjournal.net/Articles/OJ157c3606f52a17a5/Abstract
# \  K/ a& S1 v' {) g3 l[2] 《瞭望》：以科技革命的战略眼光布局光子芯片.2022.1.10.http://lw.news.cn/2022-01/10/c_1310416707.htm  
: k+ @4 ^3 f7 y% v5 s8 E[3] Leslie M. Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J]. Engineering, 2021, 7(9): 1195-1196.
2 I6 k3 L7 N4 q! `* {1 w[4] 源杰科技：首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书.2022.9.19.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202209/ed2747384cb447b2a20b040ced45e098.pdf
6 A9 D8 L, d9 ?' R9 g# u& U7 ][5] 头豹研究院：2022年中国光模块行业研究报告（摘要版）.2022.6.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202207221576465739_1.pdf?1658524015000.pdf
3 V! t# e0 Y. j& e" ~* s; F[6] 浙商证券股份有限公司：关注光芯片国产化机会.2020年6月第4期.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202006291388250871_1.pdf?1593463535000.pdf
0 Y$ p. \2 {7 l6 O- x) K1 i" N5 s[7] 国信证券：光器件行业研究框架与投资机会梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
. S! E8 [6 h' I, v9 T" g" S[8] 科创中国：硅光技术能否促成光电子和微电子的融合？.https://www.kczg.org.cn/article/issueDetail?id=942
[9] 郭进, 冯俊波, 曹国威. 硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战[J]. ZTE TECHNOLOGY JOURNAL, 2017: 11.https://res-www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201705/465817/P020171009579288470018.pdf
/ @4 t7 S( L/ O7 L5 _[10] 马浩然,李筱敏,王曰海,杨建义.硅基光子芯片研究进展与挑战[J].半导体光电,2022,43(02):218-229.
- o& L) C& U0 B0 x# Q[11] 《科技日报》：硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”.2021.8.30.http://www.xinhuanet.com/tech/20210830/a18a6550b75e4163bd0a64489619bdea/c.html
[12]《中国科学报》：百纳米就好使！光芯片缓解芯片瓶颈难题.2021.5.21.https://mp.weixin.qq.com/s/evr_f5spjD8yfEplYmHTfA
- j8 y, \1 x: b/ N9 S[13] 阿里达摩院：2022年十大科技趋势.https://damo.alibaba.com/techtrends/2022/silicon-photonic-chips?lang=zh
[14] Yole：Silicon photonics sticks its head above the parapet.2021.11.23.https://www.i-micronews.com/silicon-photonics-sticks-its-head-above-the-parapet/?cn-reloaded=1
[15] 华西证券：硅光：“超越摩尔”新路径，厚积薄发大未来.2022.1.14.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202201171540919727_1.pdf?1642417584000.pdf
[16] 国泰君安证券股份有限公司：关于陕西源杰半导体科技股份有限公司辅导备案的申请报告.2020.9.2.http://www.csrc.gov.cn/shaanxi/c101329/c1404264/1404264/files/1614654318079_45691.pdf
[17] 国信证券：光器件行业研究框架与投资机会梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[18] 中国电子元件行业协会：中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）.https://www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n1146440/c6001146/part/6005856.pdf
[19] 光通信观察：五年之期届满，我国光器件产业发展现状如何？.2022.7.5.https://mp.weixin.qq.com/s/516umRgzweTXF1XX8fyBTw
% ^8 E8 o1 ~+ O) n1 u& d[20] 长光华芯：首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书.2021.6.29.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202106/ef8b408d2bb54bd7916dd92fd5d21c82.pdf
) X" b  I8 z! H( y[21] 新华报业网：IDM模式赋能，陕西源杰科技有望实现高质量发展.2022.7.27.http://www.xhby.net/sy/cb/202207/t20220727_7632733.shtml
[22] 大规模光子集成芯片[J]. 中国科学院院刊, 2016, 31(Z2): 192-194.http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/Z2/2016Z241.htm
[23] DeepTech深科技：国内对光最“执着”的投资力量：7年投资80家光科技初创，静待光子集成时代爆发.2020.6.11.https://mp.weixin.qq.com/s/UV1N4BWKrXbk6ODht_O1eQ

: o3 X! }0 `1 ]+ M

---

( }8 ]2 a  m4 A) E) U: M4 h. M
, K/ [" i8 p3 q* @5 D5 n