光傳感應(yīng)用領(lǐng)域的拓展為光芯片帶來更多的市場需求

光傳感應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，為光芯片帶來更多的市場需求

光傳感應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，為光芯片帶來更多的市場需求光芯片在消費電子市場的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。目前，智能終端方面，已使用基于3DVCSEL激光器芯片的方案，實現(xiàn)3D信息傳感，如人臉識別。根據(jù)Yole的研究報告，醫(yī)療市場方面，智能穿戴設(shè)備正在開發(fā)基于激光器芯片及硅光技術(shù)方案，實現(xiàn)健康醫(yī)療的實時監(jiān)測。同時，隨著傳統(tǒng)乘用車的電動化、智能化發(fā)展，高級別的輔助駕駛技術(shù)逐步普及，核心傳感器件激光雷達(dá)的應(yīng)用規(guī)模將會增大。基于砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）的光芯片作為激光雷達(dá)的核心部件，其未來的市場需求將會不斷增加。數(shù)據(jù)中心：光芯片技術(shù)高地，國產(chǎn)化空間大海外云廠商持續(xù)升級，100G/400G模塊升級至800G/1．6T。海外互聯(lián)網(wǎng)廠商如Meta、Google、Amazon等擁有規(guī)模較大、技術(shù)先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心集群，是每一輪光模塊速率升級需求最先出現(xiàn)的地方。當(dāng)前，根據(jù)800GMSA白皮書，2022-2023年海外北美市場對光模塊速率需求從200G/400G升級到800G。考慮到高速率模塊通常采用多通道方案，意味著50G、100G光芯片用量將快速提升。該領(lǐng)域海外企業(yè)歷史悠久，先發(fā)優(yōu)勢明顯。25G以上高速率芯片目前幾乎全部由海外廠商供應(yīng)，主要有博通、Lumentum、三菱、AOI、住友、Macom等，其中歐美的廠商主要通過收并購核心資產(chǎn)的方式發(fā)展激光器業(yè)務(wù)，而日本廠商主要通過自身研發(fā)傳承，因此兩類企業(yè)主要的激光器業(yè)務(wù)部門歷史都較長，先發(fā)優(yōu)勢較為明顯。海外廠商在激光器前沿持續(xù)創(chuàng)新能力強(qiáng)。在OFC2020，多家歐美日廠商均公布其前沿的激光器研究成果，主要方向為高速率和PAM4調(diào)制來提升單通道速率，主要廠家有II-VI，博通、NTT等廠商。國內(nèi)廠商當(dāng)前速率仍主要在10G-25G領(lǐng)域，仍有很大的追趕空間。國內(nèi)廠商數(shù)通領(lǐng)域份額高，上游光芯片國產(chǎn)化空間較大。根據(jù)Omdia數(shù)據(jù)，我國模塊廠商中際旭創(chuàng)、光迅科技、華工科技、新易盛等均在全球數(shù)通市場占據(jù)較好份額。此外，海外模塊廠商均在國內(nèi)有辦事處或產(chǎn)能，本土光芯片企業(yè)可以實現(xiàn)本土化服務(wù)，國產(chǎn)化空間較大。面向全球競爭，高端亟需突破光芯片屬于光通信產(chǎn)業(yè)最上游，是不可或缺的環(huán)節(jié)。光芯片是下游有源器件、光模塊中必不可少的元件。國內(nèi)廠商按覆蓋環(huán)節(jié)主要分專業(yè)光芯片廠商和光芯片模塊綜合廠商。其中，專業(yè)光芯片企業(yè)包括源杰科技、武漢敏芯、中科光芯、光安倫、云嶺光電、仕佳光子等；而綜合光芯片模塊廠商包括光迅科技、海信寬帶、華為海思等。高端光芯片國產(chǎn)供給與下游需求錯配。需求側(cè)，下游光通信模塊、設(shè)備廠商在全球份額市占率已經(jīng)較高。以模塊為例，根據(jù)Lightcounting統(tǒng)計2021年前十模塊供應(yīng)商中，我國模塊廠商占了5家。此外，2021年87億美金的全球光模塊銷售額中，我國模塊供應(yīng)商占比超過一半以上。上下游的供需錯配將成為我國光芯片產(chǎn)業(yè)持久的發(fā)展動力。絕大多數(shù)模塊廠商并不具備光芯片研發(fā)自給能力，需要國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的大力支持。國內(nèi)僅少數(shù)模塊廠商如光迅科技、華為海思、海信寬帶、華工正源等具備光芯片研發(fā)和生產(chǎn)能力，絕大部分廠商需要依賴外部合作或者海外光芯片供應(yīng)商的長期供應(yīng)。對于大多數(shù)模塊廠商而言，當(dāng)前時點自研光芯片投入大，短期產(chǎn)出緩慢，亟需國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的大力支持。本土光芯片將參與全球競爭，成長不止于。除了下游國內(nèi)模塊廠商市占率已經(jīng)較高以外，由于我國具備人口紅利、工程師紅利和市場紅利等三大紅利優(yōu)勢，全球海外知名模塊廠商均在我國擁有辦事處、產(chǎn)能、代工廠或銷售服務(wù)部門，這也意味著，本土的光芯片企業(yè)不僅有機(jī)會參與到國內(nèi)客戶的供應(yīng)鏈，也有接觸海外客戶的機(jī)遇。材料與結(jié)構(gòu)各異，市場規(guī)模約14億美金光芯片類別較多，可從材料和結(jié)構(gòu)兩維度進(jìn)行區(qū)分。光芯片屬于半導(dǎo)體激光器/探測器，從結(jié)構(gòu)看，激光器常用的結(jié)構(gòu)有面發(fā)射結(jié)構(gòu)的VCSEL，和邊發(fā)射（EEL）的FP、DFB和EML，發(fā)光材料襯底主要有l(wèi)nP和GaAs。而目前商用的探測器主要結(jié)構(gòu)有PIN、APD兩種，材料體系較為多樣，Si/Ge/LnP均是可選用的材料。光發(fā)射芯片種類較多，應(yīng)用場景各異。其中，VCSEL主要應(yīng)用于短距離傳輸，成本、功耗較低，在數(shù)據(jù)中心內(nèi)數(shù)百米內(nèi)占統(tǒng)治地位，已經(jīng)得到廣泛使用；FP是多縱模激射的激光器，主要應(yīng)用于GPON、EPON等低速率接入場景，工藝已比較成熟；DFB主要在FP上進(jìn)行改進(jìn)，使得實現(xiàn)單波長的出射，主要應(yīng)用于中短距離較高速率的固定接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)，25GDFB是目前廣泛應(yīng)用在基站前傳、中傳的主力光芯片；EML由于在LnP上集成了DFB激光器和外調(diào)制器，需要兩次或多次外延，工藝難，良率低，但其調(diào)制和發(fā)射性能較好，可以廣泛應(yīng)用在10km以上的城域網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等。光接收芯片按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分，可分為PN結(jié)構(gòu)、PIN結(jié)構(gòu)和APD結(jié)構(gòu)。其中，PN結(jié)構(gòu)由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN結(jié)構(gòu)廣泛代替。PIN主要應(yīng)用于短距離（2km以下），成本較低；而APD由于可實現(xiàn)光子的雪崩倍增現(xiàn)象，對光電探測靈敏度有很大提升，但由于成本較為昂貴，廣泛應(yīng)用于中長距離如城域網(wǎng)、5G中回傳等場景。光收發(fā)芯片約占光模塊20%-25%的成本，光發(fā)射芯片價值量較大。在主要的應(yīng)用場景光模塊中，以典型的100GCWDM4光模塊成本為例，普遍采用四通道25G速率的LD芯片和PD芯片（或芯片陣列），光芯片約占總成本23%，其中，預(yù)計光發(fā)射芯片占比BOM成本達(dá)到20%，探測器芯片約占比3%。移動通信：前傳國產(chǎn)應(yīng)用廣泛，中回傳仍需突破5G光模塊速率較4G時代有明顯提升。2020年起，我國5G網(wǎng)絡(luò)開始規(guī)模建設(shè)。其中，5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可大致分為前傳、中回傳，其中前傳傳輸距離一般在10km以內(nèi)，主要是基站側(cè)和機(jī)房的連接，4G時代普遍采用10G光模塊，當(dāng)前主要使用10G/25G的光模塊，未來有望升級到50G。中回傳速率要求比較高，主要是匯聚層或核心網(wǎng)絡(luò)層級的長距離連接，通常需要的模塊速率達(dá)到100G及以上。為高效利用已有光纖資源，前傳波分復(fù)用方案部署規(guī)模擴(kuò)大。當(dāng)前5G前傳主要有四種波分方案，分別為CWDM、LWDM、MWDM和DWDM可調(diào)諧。其中，CWDM實際上在4G時代也已經(jīng)逐漸使用，4G大量采用的仍是光纖直驅(qū)方案，僅采用少量CWDM；但5G時代為了提升系統(tǒng)容量，業(yè)務(wù)光波長的間隔逐漸減少或者產(chǎn)生偏移，產(chǎn)生如LWDM、MWDM等應(yīng)用于前傳的種類，，需要產(chǎn)業(yè)鏈尤其是光芯片上游進(jìn)行快速的研發(fā)和量產(chǎn)來進(jìn)行配合。當(dāng)前，由于可以復(fù)用已有的產(chǎn)業(yè)鏈，CWDM、MWDM、LWDM應(yīng)用進(jìn)展較快，25G波分側(cè)芯片需求量不斷上升。產(chǎn)業(yè)協(xié)作下，25G前傳光芯片國產(chǎn)廠商基本覆蓋，成為良好替代機(jī)遇。在5G建設(shè)早期，國內(nèi)主要使用10G超頻等方案進(jìn)行過渡，而在國內(nèi)三大運(yùn)營商提出四種主流彩光方案后，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)作不斷加深，模塊廠與芯片廠的互動更加頻繁，使得大陸眾多領(lǐng)先光芯片廠商均在短時間內(nèi)可參加送樣、測試和量產(chǎn)的全流程，打破了主要由日本等廠商把持高速率芯片和組件的格局，25G前傳光芯片有望成為國內(nèi)高端芯片崛起和高端替代的良好機(jī)遇。中回傳光芯片難度大，國內(nèi)廠商有望突破。中回傳光模塊通常傳輸距離超過10km，最高達(dá)到40或80km，且傳輸速率往往大于100G，需要采用25GBaud及以上速率EML芯片或者高波特率的探測器芯片。中回傳接收端和發(fā)射端要求芯片產(chǎn)品性能好，但技術(shù)難度較大，而且電信級應(yīng)用對可靠性要求較高，國產(chǎn)化率也較低。激光雷達(dá)：1550DToF和FMCW路徑應(yīng)用廣泛汽車激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，市場規(guī)模有望不斷擴(kuò)大。當(dāng)前，汽車正進(jìn)入更高階智能駕駛階段，作為傳感器的激光雷達(dá)因為探測精度高具有廣泛應(yīng)用前景。根據(jù)Yole最新報告分析，當(dāng)前激光雷達(dá)主要應(yīng)用領(lǐng)域有汽車ADAS、自動駕駛汽車，工廠自動化、智慧建筑、風(fēng)能，地理探測等領(lǐng)域。其中，應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的激光雷達(dá)市場規(guī)模有望從2020年的2600萬美元，快速增長到2026年的23億美元，年復(fù)合增長率有望達(dá)到94%。多種技術(shù)路徑并存，當(dāng)前發(fā)射和接收端成本占比約40%-50%。當(dāng)前，激光雷達(dá)技術(shù)路徑較多，各家廠商路徑不一，但大致可以分為發(fā)射端、接收端和掃描端。根據(jù)SystemPlus拆解，Livox激光雷達(dá)成本中，激光二極管、光電二極管大致占比成本約11%；而在SystemPlus對另一款MEMS激光雷達(dá)拆解中，發(fā)射端（包含激光器、振鏡）、接收端（探測器芯片、Asic芯片）等大致合計占比成本約40%-50%。激光雷達(dá)1550波長方案性能優(yōu)良，有望隨著產(chǎn)業(yè)鏈成熟上量。發(fā)射端技術(shù)方案較多，但若按使用的光波長來劃分，主要分為905nm，1550nm。根據(jù)Yole2021年汽車和工業(yè)應(yīng)用激光雷達(dá)的報告，905nm激光雷達(dá)是當(dāng)前主流，大致占比69%；而1550nm方案緊隨第二，占比約14%。1550方案和905方案各有優(yōu)劣。雖然當(dāng)前上車方案占比暫時不高，但1550波長因為對人眼無害、抗干擾能力強(qiáng)，被認(rèn)為在未來有廣泛的應(yīng)用前景。目前，全球Luminar、圖達(dá)通、一徑科技、鐳神等是采用1550波長的知名激光雷達(dá)廠商，同時其他主流激光雷達(dá)廠商也有報道投入到1550方案的研究中。1550nmdToF方案需使用磷化銦材料體系的激光器和探測器，光通信芯片廠商切入有明顯優(yōu)勢。由于1550波長也是光通信里應(yīng)用廣泛的通信波段，主要基于的發(fā)光材料體系為磷化銦（LnP），封裝形式可為TO、蝶形等。發(fā)射端，為實現(xiàn)大功率、遠(yuǎn)距離探測，1550nm當(dāng)前主要采用光纖激光器方案，其主要由種子源、泵浦源、合束器、增益光纖等組成，具有輸出功率高、光束質(zhì)量好、速度快的優(yōu)點。其中，種子源模組主要用脈沖式DFB激光器芯片。探測端，1550nm近紅外波段可使用InGaAs近紅外探測器，光通信芯片廠商也較為熟悉。在1550nm方案逐漸發(fā)展的背景下，源杰切入該賽道，具有較大的技術(shù)積累優(yōu)勢。國產(chǎn)高端突破主旋律，新應(yīng)用領(lǐng)域正快速擴(kuò)展光芯片應(yīng)用場景主要分三大類。三大場景包括4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)，固定寬帶網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心場景。光芯片的市場增長中，一是跟隨下游光模塊的用量走，二是跟隨高價值量芯片最集中的場景。從發(fā)展歷史看，光纖接入市場由于貼近家庭、企業(yè)用戶，光模塊需求量上億，是全球用量最大的場景；數(shù)據(jù)中心則是高端、高價值量芯片最集中的場景，當(dāng)前廣泛應(yīng)用的100G/200G/400G/800G模塊需要大量的25G/50G/100G光芯片，合計達(dá)到數(shù)千萬量級，也是值得重視的市場。移動通信市場前傳達(dá)到千萬量級，中回傳達(dá)到百萬量級，技術(shù)難度較高，屬于需要繼續(xù)突破的市場。光纖接入和數(shù)據(jù)中心兩個場景將在2023-2025年迎來較為明顯的確定性機(jī)遇。邊際上，光纖接入場景迎來國內(nèi)外10GPON升級，家庭端和運(yùn)營商機(jī)房局端將迎來明顯機(jī)會。數(shù)通場景是傳統(tǒng)的高端光芯片主力市場，長期被日本、美國芯片廠商壟斷，也是國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈往高端突破繞不開的路。移動通信市場周期性較強(qiáng)，以較為成熟的10G、25G為主，市場有望平穩(wěn)發(fā)展。集成光學(xué)：大功率DFB應(yīng)用伊始，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)仍在制定硅光應(yīng)用現(xiàn)有成熟的CMOS工藝進(jìn)行光器件開發(fā)和集成，在光模塊領(lǐng)域應(yīng)用逐漸廣泛。硅光的特點是可以實現(xiàn)高密度的光電集成，然后通過類似芯片一樣的大規(guī)模生產(chǎn)，持續(xù)降低模塊生產(chǎn)成本，與傳統(tǒng)模塊相比具備更高的成本優(yōu)勢。據(jù)Lightcounting預(yù)測，硅光模塊有望在2024年全球銷售額超過40億美金。大功率DFB激光器是隨硅光模塊興起的新應(yīng)用需求。在實際BOM成本中，硅光方案的光模塊主要應(yīng)用高速率的光模塊，如400G/800G等，其優(yōu)勢在于可以將多通道的器件元件進(jìn)行集成，大幅降低多通道模塊的尺寸和體積，適應(yīng)交換機(jī)端口更加密集的要求。由于硅自身能級結(jié)構(gòu)的原因，天然無法高效率發(fā)光，因此目前主要有兩種方案。一種為在硅光芯片上異質(zhì)集成激光器，這種方案依賴于自有晶圓工廠，絕大部分模塊器件廠商不具備這樣的能力；另一種是將連續(xù)發(fā)光的DFB激光器通過外部耦合的方法導(dǎo)入硅光芯片，其中的