中國本土光芯片向國際先進(jìn)水平發(fā)起沖擊

　　隨著光電半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心元器件，光電子器件(光芯片)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、工業(yè)、消費(fèi)等領(lǐng)域。

　　光芯片包括CCD、CIS、LED、光子探測器、光耦合器、激光芯片等多種類型。如果按照是否發(fā)生光電信號轉(zhuǎn)化分類，光芯片可分為有源光芯片和無源光芯片兩類，有源光芯片包括發(fā)射芯片和接收芯片，無源光芯片包括光開關(guān)芯片、光分束器芯片等。下面主要分析一下有源光芯片，如激光芯片和光子探測芯片等的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況。

　　有源光芯片，特別是激光芯片，主要用于工業(yè)(高功率激光芯片)、通信(高速率激光芯片)，另外，VCSEL和硅光芯片處于成長期，未來有更廣闊的發(fā)展空間。

　　在光通信領(lǐng)域，光芯片是光模塊發(fā)射、接收組件的核心元器件，分別實(shí)現(xiàn)電信號向光信號、光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，決定著光模塊的傳輸速率。在工業(yè)應(yīng)用中，光芯片同熱沉、光束整形器件等組成光纖激光器、固體激光器的泵浦源，為激光器內(nèi)的工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能源。在消費(fèi)類應(yīng)用中，光芯片已廣泛應(yīng)用于3D傳感(手機(jī)、汽車)等場景，以車載激光雷達(dá)為例，光芯片是發(fā)射端和接收端的核心器件，決定著激光雷達(dá)的探測距離、分辨率等關(guān)鍵性能。

　　與大規(guī)模集成電路已形成高度產(chǎn)業(yè)鏈分工相比，光芯片行業(yè)尚未形成成熟的設(shè)計(jì)-代工-封測產(chǎn)業(yè)鏈。國際頭部光芯片廠商，如 II-IV、Lumentum等，多為IDM模式，之所以如此，主要原因在于光芯片主要采用特色工藝制造，其芯片制造技術(shù)門檻較高，且產(chǎn)線難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，廠商采用IDM模式可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，同時(shí)滿足客戶多樣化的需求。

　　01 中國光芯片發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，中國本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片(10G、25G等)等已處于國產(chǎn)化加速突破階段，而光探測芯片、25G以上高速率激光芯片剛剛起步，本土化還有較長的路要走。

　　廠商方面，中國本土光芯片企業(yè)主要關(guān)注工業(yè)/國防等高功率應(yīng)用，這也是它們主要的營收來源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企業(yè)具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進(jìn)行競爭的能力。但在光通信、消費(fèi)類應(yīng)用領(lǐng)域，與國際大廠差距較大，是下一步努力的重點(diǎn)。光通信市場空間廣闊，同時(shí)，光通信、VCSEL等光芯片制造工藝與高功率激光芯片工藝復(fù)用程度較高，中國本土企業(yè)可以基于自身技術(shù)積累切入。

　　下面具體看一下中國本土企業(yè)在高功率激光芯片、光探測芯片、VCSEL和硅光芯片方面的發(fā)展情況。

　　高功率激光芯片

　　美國和歐洲在高功率激光芯片方面的產(chǎn)業(yè)化起步較早，技術(shù)上具備*優(yōu)勢，傳統(tǒng)巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。近些年，中國本土激光芯片技術(shù)不斷突破，相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、華光光電、度亙激光、深圳瑞波等。據(jù)長光華芯招股書測算，2021年，長光華芯、武漢銳晶在國內(nèi)高功率激光芯片市場中的份額分別為13.4%和7.4%。

　　本土企業(yè)的產(chǎn)品力一直在提升，以長光華芯為例，該公司成立于2012年，成立之初研發(fā)出13W以上高亮度單管芯片，2019年推出15W單管芯片，2020年推出18W、25W單管芯片，2021年實(shí)現(xiàn)了30W單管芯片量產(chǎn)，目前，其產(chǎn)品正在向更高功率水平持續(xù)迭代。

　　25G及以下光芯片方面，我國已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，特別是在10G芯片方面，源杰科技等本土企業(yè)已在部分細(xì)分市場取得*份額，但技術(shù)門檻較高市場仍依賴進(jìn)口，25G以上市場是國產(chǎn)化薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)IDC統(tǒng)計(jì)，25G光芯片的國產(chǎn)化率約為20%，25G以上的國產(chǎn)化率只有約5%。近些年，中國本土企業(yè)在5G基站前傳光模塊用25GDFB激光芯片方面有所突破，用于數(shù)據(jù)中心的光模塊企業(yè)開始使用國產(chǎn)的25GDFB激光芯片。

　　長光華芯等公司已切入銳科激光、創(chuàng)鑫激光等頭部光纖激光器廠商供應(yīng)鏈，推動對II-VI、Lumentum 等海外廠商進(jìn)口替代的步伐。未來，隨著國產(chǎn)更高功率產(chǎn)品的導(dǎo)入，以及新建產(chǎn)能的落地，有望加速國產(chǎn)份額提升步伐。

　　光探測芯片

　　光探測芯片廣泛應(yīng)用于手機(jī)、光通信、智能家電(如掃地機(jī)器人)等應(yīng)用場景，隨著車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光探測芯片作為激光雷達(dá)接收端核心元器件，有望迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

　　在技術(shù)方案層面，目前，APD是主流方案，F(xiàn)irst-sensor、濱松和Kyosemi是行業(yè)前三廠商，三家市占率達(dá)到45%。比APD更先進(jìn)的技術(shù)方案是SPAD/SiPM，對比APD，SPAD/SiPM具有更強(qiáng)的探測靈敏度，同時(shí)，SiPM為陣列形式，更易于與陣列光源相匹配，且更易與CMOS工藝集成，從而降低成本。因此，SPAD/SiPM有望成為激光雷達(dá)接收端芯片的未來發(fā)展方向。不過，SPAD/SiPM技術(shù)難度大，進(jìn)入門檻高，全球SiPM市場主要被安森美、濱松、博通等頭部企業(yè)把持著，合計(jì)市占率達(dá)到83%。

　　目前，中國本土企業(yè)在光探測芯片領(lǐng)域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產(chǎn)加工體系。中國在光通信用APD/PIN市場已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化突破，相比之下，本土企業(yè)尚未在 SPAD/SiPM市場形成量產(chǎn)能力。

　　據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018-2022 年)》統(tǒng)計(jì)，中國SPAD等光芯片發(fā)展高度依賴生產(chǎn)工藝及封裝測試，在SPAD領(lǐng)域做的較好的安森美，CIS/CCD主要玩家佳能、索尼等國際大廠，擁有大批量封裝測試經(jīng)驗(yàn)和能力，然而，中國本土相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)工藝還未成熟，且缺少本地優(yōu)質(zhì)代工平臺，在芯片流片加工方面嚴(yán)重依賴美國、新加坡、德國等國家的代工廠，再加上熟悉相關(guān)工藝的技術(shù)人員稀缺，造成關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展緩慢、芯片研發(fā)周期較長、效率較低等局面。

　　不過，中國本土市場和相關(guān)企業(yè)也有自身優(yōu)勢，與國外大廠相比，國內(nèi)光探測芯片廠商在產(chǎn)品的定制化上有較好的靈活性，價(jià)格也有一定的優(yōu)勢，未來，隨著在產(chǎn)品、技術(shù)上不斷突破，有望推進(jìn)國產(chǎn)替代進(jìn)程。

　　目前，中國本土企業(yè)對于光探測芯片方案的選擇較為分明。以光迅科技、光森電子、三安光電為代表的公司選擇傳統(tǒng)成熟的PIN-PD、APD方案，產(chǎn)品多應(yīng)用于光通信，而以芯視界、靈明光子、阜時(shí)科技為代表的創(chuàng)業(yè)型公司則更多地選擇布局代表未來發(fā)展方向的SPAD/SiPM方案，而且，國產(chǎn)SPAD/SiPM產(chǎn)品已經(jīng)開始應(yīng)用于消費(fèi)電子、激光雷達(dá)、AR/VR、醫(yī)療等領(lǐng)域。另外，還有中國本土企業(yè)在單項(xiàng)產(chǎn)品力上*國際的案例，例如，靈明光子的產(chǎn)品在波長905nm處的單光子探測效率(PDE)達(dá)到25%，超過行業(yè)平均水平(5%~18%)。

　　VCSEL

　　隨著VCSEL功率密度等關(guān)鍵性能持續(xù)提升，有望成為半固態(tài)/固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)射端核心元器件。

　　與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優(yōu)勢，例如量產(chǎn)成本低，波長穩(wěn)定性高(溫漂小)，易于二維集成，低閾值電流，可高頻調(diào)制，沒有腔面閾值損傷等。Yole發(fā)布的相關(guān)報(bào)告顯示，自2017年蘋果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來，VCSEL在消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，主要應(yīng)用逐漸由850nm器件的高速數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)向940nm器件的3D傳感應(yīng)用。

　　目前，國際大廠Lumentum、II-IV憑借技術(shù)優(yōu)勢主導(dǎo)VCSEL芯片市場，據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計(jì)份額超過80%。生產(chǎn)模式方面，Lumentum將外延環(huán)節(jié)外包，II-VI自產(chǎn)外延片。

　　中國本土傳感應(yīng)用類VCSEL芯片企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多數(shù)是創(chuàng)業(yè)型公司，VCSEL芯片量產(chǎn)能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑借后發(fā)優(yōu)勢，這些中國本土企業(yè)正在努力趕上國際先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展腳步，并通過多種方式提升自身競爭力，例如，采用IDM 模式，用以打造核心競爭力。

　　硅光芯片

　　硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片，在尺寸、速率、功耗等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于光通信、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療檢測、自動駕駛、國防等領(lǐng)域，其中，光通信是硅光芯片最主要的應(yīng)用市場。

　　硅光芯片具有高集成度、低成本等特點(diǎn)，在光子集成化背景下，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　目前，全球硅光技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化*的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近些年，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業(yè)紛紛通過收購來布局硅光技術(shù)，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領(lǐng)域的創(chuàng)新企業(yè)。英特爾和臺積電都在大力開發(fā)硅光子制造工藝技術(shù)，已經(jīng)形成較為完整的硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈。

　　中國在硅光芯片研究方面與國際先進(jìn)水平處于同一起跑線，科研進(jìn)展也相當(dāng)，但在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈配套建設(shè)方面，中國本土企業(yè)與國際大廠仍有差距。