光芯片產(chǎn)業(yè)鏈

01 中國(guó)光器件產(chǎn)業(yè)鏈

從光器件產(chǎn)業(yè)鏈看，主要環(huán)節(jié)為“光芯片、光器件、光模塊、光設(shè)備”，最終應(yīng)用于電信市場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)及消費(fèi)電子市場(chǎng)。其中，光芯片處于產(chǎn)業(yè)鏈的核心位置高技術(shù)壁壘，占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值制高點(diǎn)。

（資料來源：臺(tái)灣證券交易所官網(wǎng)、長(zhǎng)江證券研究所）

02 中國(guó)光芯片產(chǎn)業(yè)鏈

從生產(chǎn)流程看，光芯片產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，工藝流程較為復(fù)雜，主要包括芯片設(shè)計(jì)、基板制造、磊晶成長(zhǎng)、晶粒制造四個(gè)環(huán)節(jié)：

1、芯片設(shè)計(jì)： 用芯片設(shè)計(jì)軟件根據(jù)特定的芯片功能要求制作光電線路圖;

2、基板制造： GaAs/InP 材料經(jīng)提純、 拉晶、 切割、 拋光、 研磨制成單晶體襯底即基板;

3、磊晶成長(zhǎng)： 根據(jù)設(shè)計(jì)圖，用基板和有機(jī)金屬氣體在 MOCVD/MBE 設(shè)備里長(zhǎng)晶，制成外延片（ Wafer ）;

4、晶粒制造： 對(duì)外延片進(jìn)行光刻等系列處理，制成電路功能完整的可封裝晶粒。

（資料來源：臺(tái)灣證券交易所官網(wǎng)、長(zhǎng)江證券研究所）

在這些生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，磊晶生成的外延片質(zhì)量（ Wafer ）是決定光芯片性能的關(guān)鍵因素，且生成條件較為嚴(yán)苛，是光芯片制備的重要環(huán)節(jié)。目前，磊晶生長(zhǎng)主要有 MOCVD 與 MBE 兩種方式：

（1）MOCVD （金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積）： 以 III 族元素 +V 族元素（或 II 族元素 +VI 族元素） 組成的有機(jī)化合物作為晶體生長(zhǎng)原材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底（基板）上進(jìn)行氣相外延，形成 III-V 族化合物（或 II-VI 族化合物）薄層晶體。在MOCVD工藝中，需要著重考慮系統(tǒng)密封性、流量、溫度控制等工藝環(huán)節(jié)。

（2）MBE （分子束外延） ： 與 MOCVD 相比，MBE 是一種更新的晶體生長(zhǎng)技術(shù)。其主要方 法是將半導(dǎo)體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長(zhǎng)的單晶物質(zhì)按元素的不同分別放在噴射爐中。通過加熱，元素噴射的分子流在襯底上長(zhǎng)出晶格結(jié)構(gòu)。MBE能夠制備超薄層的半導(dǎo)體材料（可達(dá)到單原子層水平） ，技術(shù)難度較高。

03 光芯片成本占比大，提升趨勢(shì)明顯

光芯片屬于技術(shù)密集型行業(yè)，具有極高的技術(shù)壁壘和復(fù)雜的工藝流程。因此，光芯片在光器件/光模塊中成本占比較大。此外，隨著芯片速率的提升，制備難度增大，成本占比或進(jìn)一步提升。一般情況下，對(duì)于低速率光模塊/光器件（轉(zhuǎn)換速率小于10Gbps ），光芯片的成本占比約為 30% 左右; 而對(duì)于高速光模塊/光器件（調(diào)制速率大于25Gbps ）， 芯片的成本占比約為60%左右。例如，全球數(shù)通光模塊龍頭中際旭創(chuàng) （公司主力產(chǎn)品為100G QSFP28，采用 25G 光芯片），整體光芯片及組件成本占比在50%左右。

04 產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化為主，分工初現(xiàn)

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展中， 隨著硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和 GaAs 化合物半導(dǎo)體在射頻器件領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，相應(yīng)的 IC 產(chǎn)業(yè)分工開始逐漸細(xì)化，芯片設(shè)計(jì) — 磊晶成長(zhǎng) — 晶粒制作（晶圓代工）等專業(yè)廠商如雨后春筍般地出現(xiàn)，如以臺(tái)積電為代表的硅基晶圓代工大廠，以及穩(wěn)懋為代表的 GaAs 晶圓代工廠商。光器件行業(yè)的發(fā)展也遵循類似的規(guī)律，目前主要有兩類光芯片制備廠商： 垂直一體化的 IDM 廠商以及第三方代工廠商：

（1）垂直一體化（IDM）廠商：負(fù)責(zé)從芯片設(shè)計(jì)到晶粒制作的全產(chǎn)業(yè)鏈制造，甚至延伸至下游的光器件與光模塊制備環(huán)節(jié)。由于光芯片工藝復(fù)雜，客戶需求多樣，產(chǎn)品線難以標(biāo)準(zhǔn)化，加之行業(yè)規(guī)模有限，目前超過 50% 的光芯片的磊晶和晶圓制作都由 Finisar 、 Lumentum 和 Avago 等垂直一體化廠商（ IDM ）把控。

（2）第三方代工廠商：隨著光芯片市場(chǎng)規(guī)模的拓展， IDM 廠商開始專注于芯片設(shè)計(jì)， 并逐漸剝離磊晶制作和晶圓代工業(yè)務(wù)，交給第三方代工廠商，出現(xiàn)了以聯(lián)亞光電為代表 的專業(yè)光芯片磊晶廠，以及以 IQE 為代表的射頻器件和光芯片磊晶雙主業(yè)廠商。2017 年 9 月，VCSEL 激光器成為蘋果手機(jī)面部識(shí)別核心組件，VCSEL 光芯片正式進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)。我們認(rèn)為，消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模大且客戶群體對(duì)成本的敏感性高，有望進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)第三方代工廠商的規(guī)?；a(chǎn)。

在光芯片市場(chǎng)形成初期，市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)有限。光器件廠商為了擴(kuò)大市場(chǎng)范圍主要致力于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的整合，形成垂直一體化的 IDM 廠商。隨著市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，核心光芯片的生產(chǎn)線得以標(biāo)準(zhǔn)化，第三方代工廠商憑借成本優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)基板制造、磊晶成長(zhǎng)、晶圓代工等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而原先的 IDM 廠商則專注于芯片設(shè)計(jì)等核心環(huán)節(jié)，逐漸剝離毛利率相對(duì)較低的代工環(huán)節(jié)。我們認(rèn)為，隨著光芯片市場(chǎng)規(guī)模的持續(xù)增大， VCSEL芯片在消費(fèi)電子市場(chǎng)的滲透率提升，產(chǎn)業(yè)鏈有進(jìn)一步分工細(xì)化的趨勢(shì)。

市場(chǎng)規(guī)模加速增長(zhǎng)且“一望無際”

伴隨流量加速爆發(fā)，光芯片市場(chǎng)規(guī)模加速增長(zhǎng)：

（1）電信市場(chǎng)： 傳輸網(wǎng)擴(kuò)容正當(dāng)時(shí)，接入網(wǎng)逐步向 10G PON 升級(jí)，5G基站大規(guī)模建設(shè)或帶來超 20 億美元光芯片市場(chǎng)空間，為 4G時(shí)代 2.8 倍。

（2）數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)： 數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)需求持續(xù)井噴。

（3）消費(fèi)電子市場(chǎng)： VCSEL 芯片切入消費(fèi)電子市場(chǎng)， 市場(chǎng)空間拓展10-100倍。隨著硅光集成度提升帶來價(jià)值占比提升，未來成長(zhǎng)空間“一望無際” 。

從細(xì)分市場(chǎng)看，光芯片主要應(yīng)用于電信市場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)、 以及消費(fèi)電子市場(chǎng)。其中，電信市場(chǎng)主要應(yīng)用于傳輸網(wǎng)、 接入網(wǎng)以及無線基站，市場(chǎng)份額占比約 60%左右；數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)、連接數(shù)據(jù)中心間的 DCI 網(wǎng)絡(luò)，市場(chǎng)份額占比約 30%左右；消費(fèi)電子市場(chǎng)主要包括手機(jī)3D感應(yīng)系統(tǒng)（內(nèi)含VCSEL芯片），市場(chǎng)份額占比約 10%左右。

01 電信市場(chǎng)：有望迎來5G高增長(zhǎng)機(jī)遇

從電信市場(chǎng)看： 有線方面，傳輸網(wǎng)擴(kuò)容愈加緊迫，城域網(wǎng) 100G 逐漸下沉；接入網(wǎng)由 GPON/EPON 向 10G PON 升級(jí)。無線基站方面，目前正處于 4G 建設(shè)后期，需求相對(duì)疲軟。隨著 5G 基站大規(guī)模建設(shè)逐漸開啟，有望迎來 5G 高增長(zhǎng)機(jī)遇。

（資料來源：中國(guó)電信官網(wǎng)、長(zhǎng)江證券研究所）

傳輸網(wǎng)擴(kuò)容正當(dāng)時(shí)， DFB/EML 芯片需求穩(wěn)步增長(zhǎng)

傳輸網(wǎng)主要包括骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)。電信傳輸網(wǎng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬壓力大等特點(diǎn)，相關(guān)設(shè)備中的光模塊一般采用 DFB / EML 芯片。自2013年起，國(guó)內(nèi)開展傳輸網(wǎng) 100G 升級(jí)，從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)逐漸滲透。隨著數(shù)據(jù)流量的持續(xù)爆發(fā)，接入網(wǎng) 10G PON 的滲透率提升將再次對(duì)骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)的升級(jí)產(chǎn)生需求。我們認(rèn)為，隨著流量持續(xù)增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò) 升級(jí)將遵循：骨干網(wǎng) → 城域網(wǎng) → 接入網(wǎng) → 骨干網(wǎng)的循環(huán)過程， 對(duì)高速光芯片形成持續(xù)而穩(wěn)定的需求。

接入網(wǎng)向 10G PON 升級(jí)， DFB 芯片需求有望提升接入網(wǎng)用于連接傳輸網(wǎng)與終端，傳輸距離較短。目前，點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）的光纖接入方式PON（passive optical network ）是我國(guó)運(yùn)營(yíng)商采用的光纖接入方式，多采用EPON 或 GPON 。隨著 4K/8K 視頻、VR/AR 等技術(shù)的發(fā)展，EPON 和 GPON 已逐漸無法適應(yīng)用戶對(duì)帶寬的需求。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路的平滑升級(jí)， PON 的升級(jí)將成為關(guān)鍵因素， EPON 和 GPON 有望向 10G PON 技術(shù)升級(jí)。考慮到成本，在 GPON / EPON 方面，國(guó)內(nèi)大多采用 FP激光器。在 10G PON 時(shí)代，需要采用 DFB 激光器。目前，國(guó)內(nèi)具備自主生產(chǎn)DFB光芯片的企業(yè)較少，大量依賴于國(guó)外進(jìn)口。隨著接入網(wǎng)升級(jí)的全面展開，具備10G DFB 芯片量產(chǎn)能力的光器件廠商有望充分受益于行業(yè)需求紅利。

不同接入標(biāo)準(zhǔn)與對(duì)應(yīng)的光芯片類型：

無線基站需求放緩， 5G時(shí)代芯片需求有望大幅回暖

2020年起，5G規(guī)模商用開啟，有望再次拉動(dòng)對(duì)光模塊的需求，預(yù)計(jì)市場(chǎng)規(guī)模超45億美元，按照芯片成本占比50%估算，市場(chǎng)空間超20億美元。根據(jù)測(cè)算，5G基站光芯片市場(chǎng)規(guī)模約為4G基站 2.8 倍左右。與4G基站光模塊市場(chǎng)相比，5G基站的建設(shè)對(duì)光芯片的需求將持續(xù)提升

（1）從基站數(shù)量看：由于5G頻譜頻率上升，信號(hào)穿透建筑物的衰減較大，建站密度與4G基站相比將更高。預(yù)計(jì)，未來6年內(nèi)有望建設(shè) 581.4 萬個(gè)5G基站，密度是4G基站數(shù)的1.36倍。

（2）從單基站光模塊數(shù)看： 5G基站架構(gòu)從4G的 前傳—回傳 演進(jìn)到 前傳—中傳—回傳，單個(gè)基站需要的光模塊數(shù)有望達(dá) 8-10 個(gè)，較4G基站有所增加。芯片方面，5G基站前傳至少為 25G QSFP 28，主要采用DBF/EML芯片。中傳回傳有望采用 10G SFP+ 光模塊，主要采用DBF/EML芯片。我們認(rèn)為，目前正處于4G 基站與5G基站建設(shè)交替期，需求階段性放緩。而隨著 5G 商用將至，對(duì)于光芯片的需求將大幅提升，相關(guān)光芯片廠商有望迎接 5G 時(shí)代的高增長(zhǎng)機(jī)遇。

光芯片應(yīng)用于4G與5G基站的對(duì)比：

02 數(shù)據(jù)中心內(nèi)部市場(chǎng)的發(fā)展有望提升

VCSEL/DFB 芯片的需求

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接距離相對(duì)短，以850nm的VCSEL和 1310nm的DFB芯片為主。其中，100G AOC和100G SR4 主要以VCSEL芯片為主，100G PSM4和100G CWDM4主要以 DFB 芯片為主。

隨著數(shù)據(jù)中心承載的功能逐漸增加，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（接入層、中層的匯聚層）逐漸難以適應(yīng)內(nèi)部流量集中的趨勢(shì)，帶寬壓力持續(xù)增大，新型分布式數(shù)據(jù)中心葉脊式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨之興起。

葉脊拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是兩層結(jié)構(gòu)，包括脊交換機(jī)和葉交換機(jī)，數(shù)據(jù)中心與外部的連接可以通過（邊緣）脊交換機(jī)或（邊緣）葉交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。在該結(jié)構(gòu)下，每臺(tái)脊交換機(jī)與每臺(tái)葉交換機(jī)之間都要進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層相比，葉脊網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了接入層、匯聚層與主機(jī)之間的連接數(shù)。因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实玫教嵘耐瑫r(shí)，對(duì)于光模塊的需求也大大增加。

2020年光芯片市場(chǎng)空間測(cè)算：

核心假設(shè)：

1、新架構(gòu)為 1:1 收斂比的二層脊葉型數(shù)據(jù)中心;

2、數(shù)據(jù)中心使用 10G 和 100G 兩種端口;

3、單臺(tái)葉交換機(jī)下連兩個(gè)機(jī)柜共 20 臺(tái)服務(wù)器，

單臺(tái)脊交換機(jī)下連 10 臺(tái)葉交換機(jī)。

在此假設(shè)下，100萬服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心需要400萬個(gè) 10G 光模塊，40萬個(gè)100G光模塊。根據(jù)Ovum，到2020年全球新增100個(gè)數(shù)據(jù)中心（100 萬臺(tái)服務(wù)器），則市場(chǎng)空間高達(dá)120億美元。我們假設(shè) VCSEL 芯片在光模塊中的成本占比約35%，則2020年VCSEL芯片在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的市場(chǎng)規(guī)模約為42億美元。

數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI 網(wǎng)絡(luò)）市場(chǎng)規(guī)模發(fā)展將帶來DFB / EML 芯片需求

隨著流量爆發(fā)引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）市場(chǎng)呈高速發(fā)展趨勢(shì)。目前，由于不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心之間的信息需要通過電信骨干網(wǎng)相連，因此傳輸時(shí)延和傳輸成本無形之中大大增加。隨著數(shù)據(jù)中心流量的爆發(fā)，骨干網(wǎng)的帶寬成為限制數(shù)據(jù)互訪流量爆發(fā)的瓶頸。在此背景下，DCI 網(wǎng)絡(luò)在不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心之間重新建立新的傳輸通道，將極大地提升數(shù)據(jù)中心之間的傳輸效率，同時(shí)減少骨干網(wǎng)的傳輸壓力。DCI 網(wǎng)絡(luò)需要滿足兩點(diǎn)：

（1）要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用DC間一跳直達(dá)的全互

聯(lián)、扁平化網(wǎng)絡(luò)，滿足低時(shí)延要求。

（2）要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備高密度100GE端口，及面

向1T、2T的平臺(tái)平滑演進(jìn)能力。

DCI網(wǎng)絡(luò)主要采用WDM系統(tǒng) （包括 CWDM 和 DWDM ），按距離可分為同一城市內(nèi)互聯(lián)和城市間互聯(lián)。前者對(duì)應(yīng)的傳輸距離一般在40公里以內(nèi)，主要用到 DFB 芯片；后者對(duì)應(yīng)的傳輸距離一般在為幾百公里，主要用到 EML 芯片。隨著 DCI 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進(jìn)，高速光芯片的需求有望快速增長(zhǎng)。

03 消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模有望極大拓展

VCSEL 成為 3D 感應(yīng)核心組件

2017年9月，蘋果新款手機(jī) iPhone X 配備的面部識(shí)別功能引起廣泛關(guān)注。3D感應(yīng)技術(shù)是面部識(shí)別的核心，其目的是創(chuàng)建一種非接觸、非破壞性方式來數(shù)字化捕捉對(duì)象的技術(shù)，從而精確記錄被捕捉對(duì)象的形狀、距離等參數(shù)。VCSEL激光憑借其線寬窄、功耗低等特點(diǎn)，成為3D感應(yīng)系統(tǒng)的首選紅外光源，VCSEL芯片也成為3D感應(yīng)系統(tǒng)的核心組件。

除了智能手機(jī)，3D感應(yīng)系統(tǒng)正向其多類消費(fèi)電子產(chǎn)品逐漸滲透。iPad 、Mac 、AR 眼鏡等消費(fèi)電子產(chǎn)品都有用到3D感應(yīng)系統(tǒng)。我們認(rèn)為，隨著VCSEL在多種消費(fèi)電子產(chǎn)品的滲透率逐步增大，VCSEL芯片的市場(chǎng)規(guī)模有望進(jìn)一步拓展。

與光通信領(lǐng)域的 VCSEL 激光器相比，應(yīng)用于 3D 感應(yīng)的 VCSEL 芯片在技術(shù)難度方面較低。由于消費(fèi)電子客戶群體對(duì)價(jià)格較為敏感，我們認(rèn)為消費(fèi)電子 VCSEL 芯片的競(jìng)爭(zhēng) 核心是規(guī)模擴(kuò)展后的成本之爭(zhēng)。從市場(chǎng)需求看，小米、 OPPO 、vivo 等手機(jī)廠商均已開始切入這一領(lǐng)域，擴(kuò)大 VCSEL 生產(chǎn)規(guī)模將是大勢(shì)所趨。我們看好國(guó)內(nèi)光器件龍頭廠商 通過擴(kuò)展 VCSEL 的產(chǎn)能切入該領(lǐng)域。

硅光時(shí)代將至

硅光子技術(shù)是基于硅材料，利用現(xiàn)有 CMOS 工藝進(jìn)行光器件開發(fā)與集成的新一代通信技術(shù)。硅光子技術(shù)的核心理念是“以光代電”，將光學(xué)器件與電子元件整合到一個(gè)獨(dú)立的微芯片中，利用激光作為信息傳導(dǎo)介質(zhì)，提升芯片間的連接速度。我們認(rèn)為，隨著流量的持續(xù)爆發(fā)，芯片層面的“光進(jìn)銅退”將是大勢(shì)所趨，硅光子技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)規(guī)模商用化。

01 芯片集成度有望大幅提升

在硅光子技術(shù)中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。從結(jié)構(gòu)上看，硅光芯片包括光源、調(diào)制器、波導(dǎo)、探測(cè)器等有源芯片及婺源芯片。硅光芯片將多個(gè)光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術(shù)主要有以下三大優(yōu)勢(shì)：

（1）集成度高。硅光子技術(shù)以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅 CMOS 工藝制作光器件。與傳統(tǒng)方案相比，硅光子技術(shù)具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。

（2）成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統(tǒng)的GaAs / InP襯底因晶圓材料生長(zhǎng)受限，生產(chǎn)成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進(jìn)一步提升， 需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進(jìn)一步提升。與三五族半導(dǎo)體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。

（3）波導(dǎo)傳輸性能優(yōu)異。硅的禁帶寬度為1.12eV，對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)為1.1 μm。因此，硅對(duì)于 1.1—1.6μm的通信波段（典型波長(zhǎng) 1.31μm/1.55μm）是透明的，具有優(yōu)異的波導(dǎo)傳輸特性。此外，硅的折射率高達(dá)3.42，與二氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導(dǎo)可以具有較小的波導(dǎo)彎曲半徑。

硅光子技術(shù)取得了高速發(fā)展，技術(shù)持續(xù)突破。不過，硅光子技術(shù)仍面臨以下兩大問題：

（1）芯片良率低，成本優(yōu)勢(shì)不明顯： 目前，傳統(tǒng)三五族半導(dǎo)體芯片的良率在 90% 以上，而硅光芯片需要將 III-V 族半導(dǎo)體鍵合在硅基襯底上。由于硅光集成的工藝尚未成熟， 在激光耦合等步驟上的良率較低，導(dǎo)致硅光模塊成本難以進(jìn)一步提升。

（2）硅波導(dǎo)與光纖的耦合效率低，性能優(yōu)勢(shì)不明顯。硅基光波導(dǎo)的尺寸在0.4 — 0.5 μm量級(jí)，遠(yuǎn)小于單模光纖尺寸 （纖芯直徑約8 — 10 μm）。尺寸上的差別將導(dǎo)致模場(chǎng)的失配，需要利用硅基波導(dǎo)光柵進(jìn)行耦合，在耦合過程中將產(chǎn)生損耗。

02 硅光市場(chǎng)逐步形成，產(chǎn)業(yè)鏈逐漸清晰

近年來，硅光技術(shù)持續(xù)發(fā)展，以 Luxtera 、Intel 及 IBM 為代表的公司不斷推出商用級(jí)硅光集成產(chǎn)品。2018年，全球硅光芯片及其封裝器件市場(chǎng)將接近 2 億美元，且整體市場(chǎng)有望保持高速增長(zhǎng)。其中，數(shù)據(jù)中心應(yīng)用占比將超過 90% 。預(yù)計(jì)2015 — 2025 年，硅光芯片及其分裝器件市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)45% ，市場(chǎng)規(guī)模有望大幅提升。

硅光子的市場(chǎng)規(guī)模（億美元）快速增長(zhǎng)

硅光集成模塊收入占比（%）逐漸提升

隨著市場(chǎng)逐步打開，硅光子芯片市場(chǎng)呈現(xiàn)逐步分化的狀態(tài)。自2015年起，隨著市場(chǎng)逐步打開，更多的廠商開始進(jìn)入硅光子芯片市場(chǎng)。目前投入研發(fā)的公司不僅包括 Mellanox、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago 等光通信公司，Intel 、IBM 、思科、IMEC 以及華為等廠商也加入了這一領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)。隨著廠商逐漸增多，從上游的原材料供應(yīng)商，到中游的硅光子器件、芯片、集成廠商，再到下游的數(shù)據(jù)中心、電信等客戶紛紛入場(chǎng)， 硅光子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈正逐步形成。

光芯片市場(chǎng)發(fā)展格局

01 制約芯片速率提升難點(diǎn)

激光器開啟與關(guān)閉的頻率

芯片的傳輸速率取決于發(fā)送光信號(hào)的頻率， 即激光器開啟與關(guān)閉的頻率。這一頻率與驅(qū) 動(dòng)電路及相應(yīng)的電路組件所決定。當(dāng)傳輸速率為 10Gbps 時(shí)，單個(gè)信號(hào)的對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 0.1ns；而當(dāng)傳輸速率提高至 25Gbps 時(shí)，單個(gè)信號(hào)的對(duì)應(yīng)時(shí)間僅 0.04ns。高速光芯片的設(shè)計(jì)需要在提高傳輸速率的同時(shí)確保信號(hào)的質(zhì)量。制約芯片調(diào)制速率的因 素主要有以下兩點(diǎn)：

（1）寄生效應(yīng)。芯片產(chǎn)生的 0/1 信號(hào)，本質(zhì)上是驅(qū)動(dòng)電路中的調(diào)制電流在“無電流 /有電 流”之間快速切換。電流的快速變化將產(chǎn)生由電感和電容引起的阻抗，產(chǎn)生寄生效應(yīng)。由于電路中的電流無法產(chǎn)生突變，因此電流高速變化產(chǎn)生的激光信號(hào)不是理想的矩形，而是帶有一定上升沿或下降沿延時(shí)的梯形信號(hào)。傳輸速率越高，電流的變化越快，寄生效應(yīng)就越強(qiáng)。

（2）弛豫振蕩 （阻尼振蕩）。馳豫振蕩是激光輸出由不穩(wěn)定趨向穩(wěn)定的過程，這一過程一直存在。不過，在提升傳輸速率的同時(shí)需要同步增大調(diào)制電流，而弛豫振蕩的角頻率和阻尼速率隨工作電流的增加而增大。因此，馳豫振蕩限制了調(diào)制速率的上限。

除此之外，限制傳輸速率的因素還包括信號(hào)的色散等難點(diǎn)。為進(jìn)一步提升傳輸速率，目前通常采用 PAM4 技術(shù)（四階脈沖幅度調(diào)制），單通道傳輸速率可從 25G 提升至 50G 。

02 光芯片種類多升級(jí)快，市場(chǎng)處于充分競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)

從市場(chǎng)集中度看，光芯片廠商眾多，市場(chǎng)集中度較低，整個(gè)市場(chǎng)正處于充分競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。其中，F(xiàn)inisar 作為北美光器件的龍頭廠商，占據(jù)全球 14.8% 的市場(chǎng)份額，國(guó)內(nèi)龍頭光迅科技市場(chǎng)份額占比為 5.6% 。

國(guó)內(nèi)外主要光器件公司光芯片研發(fā)能力

光芯片與光器件產(chǎn)品種類多且升級(jí)更新快， 在市場(chǎng)規(guī)模既定的情況下單個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)空間有限。與此同時(shí)，不同產(chǎn)品的細(xì)分使廠商不斷尋求差異化競(jìng)爭(zhēng)，在某一細(xì) 分領(lǐng)域精耕細(xì)作，這也是市場(chǎng)集中度難以提升的一大因素。

光芯片的國(guó)產(chǎn)化之路

01 國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程加速

國(guó)內(nèi)高速光芯片國(guó)產(chǎn)化率較低，已成為我國(guó)光器件的“阿喀琉斯之踵”。目前，高速光芯片核心技術(shù)主要掌握在美日廠商手中。2018年1月，工信部頒布《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，將光芯片國(guó)產(chǎn)化上升為國(guó)家戰(zhàn)略。而中美貿(mào)易摩擦與中興禁售事件或?qū)⒋偈刮覈?guó)加大力度扶持高速光芯片，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望進(jìn)一步提速。

近幾年，中國(guó)光通信市場(chǎng)快速發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)光通信器件市場(chǎng)占全25左右的市場(chǎng)份額。整體上，國(guó)內(nèi)光器件廠商以中小企業(yè)為主，產(chǎn)品主要集中在無源器件、低速光收發(fā)模塊等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)廠商憑借成本優(yōu)勢(shì)在組裝和代工方面占優(yōu)，在產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新方面則相對(duì)薄弱。光芯片產(chǎn)品方面，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品主要集中在10Gb/s 及以下的低速光模塊。根據(jù)《中國(guó)光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖（ 2018-2022 ），目前小于 10Gb/s 的光芯片國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到80% ，10Gb/s 速率的光芯片國(guó)產(chǎn)化率接近50% ，而 25Gb/s 及以上的速率的光芯片則高度依賴出口，國(guó)產(chǎn)化率僅 3% 。

中國(guó)光器件在全球市場(chǎng)份額占比約 25%

光模塊與光芯片國(guó)產(chǎn)化率預(yù)測(cè)

02 DFB/EML 芯片：國(guó)外廠商主導(dǎo)，

國(guó)內(nèi)廠商開始蓄力

安捷倫是 ICT 巨人惠普分離出來的子公司。20 世紀(jì) 90 年代中期，安捷倫與昂飛合作，為昂飛公司制造生物芯片外圍掃描配套設(shè)備。1999 年安捷倫自主開發(fā)生物分析系統(tǒng)及產(chǎn)品，與昂飛公司由供應(yīng)商關(guān)系變成了直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。而安捷倫自主開發(fā)的生物芯片產(chǎn)品利用惠普在打印技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，制造出新一代生物芯片產(chǎn)品。

安捷倫公司重視產(chǎn)品和技術(shù)的融合，使得原安捷倫的員工主動(dòng)學(xué)習(xí)不同背景的技術(shù)，不斷進(jìn)行新產(chǎn)品的創(chuàng)造。目前，安捷倫生命科學(xué)事業(yè)部產(chǎn)品包括：微陣列生物芯片、微流控體生物芯片、氣相色譜、質(zhì)譜分析、試劑。而其主打產(chǎn)品：基于噴墨技術(shù)的生物芯片以其可定制性強(qiáng)、成本較低，給用戶提供了新特征的產(chǎn)品選擇，因此順利成為了昂飛這個(gè)龍頭企業(yè)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。安捷倫是 ICT 產(chǎn)業(yè)成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品融合跨越的典型案例。它證明了已存的大企業(yè)雖然在新興技術(shù)孕育期缺乏先驅(qū)者優(yōu)勢(shì)，仍可依托自身豐富的內(nèi)部資源，發(fā)揮自身技術(shù)與資源互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，突破產(chǎn)品融合創(chuàng)新，快速進(jìn)入到新興產(chǎn)業(yè)的融合型價(jià)值鏈中來。

03 VSEL 芯片：安卓需求優(yōu)勢(shì)，

國(guó)內(nèi)有望打造3D感應(yīng)供應(yīng)鏈

VCSEL 芯片是 3D 感應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)在 DOE 衍射光柵、圖像傳感器這兩部分尚無潛在廠商。此外，對(duì)于 TX 發(fā)射組模、 RX接收組模和可見光攝像頭是彼此獨(dú)立的，這些器件在空間上的相對(duì)穩(wěn)定性非常重要，這對(duì)于 3D 感應(yīng)系統(tǒng)的組裝提出了更高的要求。我們認(rèn)為，在安卓手機(jī)大規(guī)模部署 3D 感應(yīng)的背景下，國(guó)內(nèi)有望打造 3D 感應(yīng)供應(yīng)鏈，形成 3D 感應(yīng)系統(tǒng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。從國(guó)外廠商看，蘋果自 2010 年起先后收購(gòu)多家公司布局 3D 感應(yīng)。經(jīng)過8年時(shí)間形成 3D 感應(yīng)系統(tǒng)供應(yīng)鏈，是移動(dòng)端 3D 感應(yīng)技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。布局整個(gè)供應(yīng)鏈需要長(zhǎng)期的技術(shù)積淀，先發(fā)企業(yè)依舊占據(jù)著明顯的優(yōu)勢(shì)。

3D感應(yīng)系統(tǒng)重要組件：

04 政策加碼，光芯片國(guó)產(chǎn)化上升為國(guó)家戰(zhàn)略

2018年1月，工信部發(fā)布了《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》 （以下簡(jiǎn)稱《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》），全面量化了核心光芯片的發(fā)展規(guī)劃，全面提速DFB 、EML 、VCSEL 等核心芯片的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。根據(jù)規(guī)劃，截止2020年：

（1）25G 級(jí)以上 VCSEL 芯片及器件： 國(guó)產(chǎn)化率將從

目前的 0% 提升至 10% — 20% 左右

（2）25G 及以上的 DFB 芯片： 國(guó)產(chǎn)化率將超過

30%

（3）10G / 25G EML 芯片： 國(guó)產(chǎn)化率將分 別達(dá)到

50% 和 30%

《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》將光芯片的發(fā)展提升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，未來幾年光芯片國(guó)產(chǎn)化率穩(wěn)步提升的確定性高。

05 中美貿(mào)易摩擦提速國(guó)產(chǎn)替代

中美貿(mào)易摩擦反映了中美局勢(shì)的動(dòng)蕩，中興禁售事件更是凸顯了我國(guó)高端芯片技術(shù)的不足。芯片技術(shù)的獲取并非一朝一夕，國(guó)內(nèi)高速光芯片技術(shù)缺失的局面短期內(nèi)不會(huì)改變。不過中興禁售事件或?qū)⒋偈刮覈?guó)進(jìn)一步重視核心芯片缺失的現(xiàn)狀，加大高端芯片的政策扶持力度。預(yù)計(jì)高速芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望在《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖》 的規(guī)劃上進(jìn)

總體而言，隨著5G驅(qū)動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)新建擴(kuò)容，數(shù)據(jù)中心需求持續(xù)高增長(zhǎng)，消費(fèi)電子新藍(lán)海開啟；光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)高增長(zhǎng)且空間“一望無際” 。同時(shí)《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展線路圖》將光芯片上升為國(guó)家戰(zhàn)略，疊加“中興禁售事件” ，光芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望進(jìn)一步提速，國(guó)內(nèi)相關(guān)龍頭廠商有望迎來歷史性發(fā)展機(jī)遇。

責(zé)任編輯：haq