硅光直流光源行業(yè)市場深度分析及發(fā)展規(guī)劃咨詢

硅光直流光源行業(yè)市場深度分析及發(fā)展規(guī)劃咨詢

國產(chǎn)高端突破主旋律，新應用領(lǐng)域正快速擴展光芯片應用場景主要分三大類。三大場景包括4G/5G無線網(wǎng)絡，固定寬帶網(wǎng)絡，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，當前廣泛應用的100G/200G/400G/800G模塊需要大量的25G/50G/100G光芯片，合計達到數(shù)千萬量級，也是值得重視的市場。移動通信市場前傳達到千萬量級，中回傳達到百萬量級，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遇。邊際上，光纖接入場景迎來國內(nèi)外10GPON升級，家庭端和運營商機房局端將迎來明顯機會。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，以較為成熟的10G、25G為主，市場有望平穩(wěn)發(fā)展。光芯片行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，光芯片與其他基礎(chǔ)構(gòu)件（電芯片、結(jié)構(gòu)件、輔料等）構(gòu)成光通信產(chǎn)業(yè)上游，產(chǎn)業(yè)中游為光器件，包括光組件與光模塊，產(chǎn)業(yè)下游組裝成系統(tǒng)設備，最終應用于電信市場，如光纖接入、4G/5G移動通信網(wǎng)絡，云計算、互聯(lián)網(wǎng)廠商數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，組件可分為光無源組件和光有源組件。光無源組件在系統(tǒng)中消耗一定能量，實現(xiàn)光信號的傳導、分流、阻擋、過濾等交通功能，主要包括光隔離器、光分路器、光開關(guān)、光連接器、光背板等;光有源組件在系統(tǒng)中將光電信號相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ?。（一）市場?guī)模不斷擴大，5G助力光芯片需求增長近年來，中國逐漸成為全球最大的光通信市場，光芯片市場規(guī)模也逐年擴大。2015-2021年，國內(nèi)光芯片市場從8億美元擴大到20．8億美元，年均復合增長率超過15%。中國光芯片市場的擴大與市場需求的增長密不可分。從中國光芯片終端應用市場來看，電信市場、數(shù)據(jù)中心市場和消費電子市場是其主要應用市場。其中，電信市場份額約占60%；數(shù)據(jù)中心市場份額約占30%；電子市場的市場份額約占10%。隨著中國5G時代的到來，國內(nèi)電信市場、數(shù)據(jù)中心市場、消費電子市場也面臨發(fā)展機遇。據(jù)悉，早在去年8月，我國已建成99．3萬個5G基站，居世界第一。5G基站已覆蓋全國所有地級市、95%以上的縣和35%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。隨著國內(nèi)5G基站的大規(guī)模建設，對光模塊的需求再次被拉動，對光芯片的需求也在增加。而且一般來說，5G單基站光模塊的數(shù)量比4G單基站光模塊多2-4個，5G基站的建設對光芯片需求的拉動作用很大。據(jù)測算，5G基站光芯片的市場規(guī)模約為4G基站的2．8倍。（二）低端光學芯片技術(shù)相對成熟，高端光學芯片技術(shù)欠缺資料顯示，中國通信設備占全球份額的40%-70%，光模塊約占全球份額的18%-20%；光器件約占全球市場份額的25%-30%，但光芯片僅占全球市場份額的1%左右。作為光通信產(chǎn)業(yè)的上游技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，光器件中光芯片的成本一直居高不下，在30%-60%之間。這主要是因為我國光芯片產(chǎn)業(yè)還存在產(chǎn)能不足、國產(chǎn)化率低、缺乏高端光芯片技術(shù)等問題。從我國光芯片的產(chǎn)能和產(chǎn)量來看，我國能生產(chǎn)光芯片的企業(yè)約30家，實現(xiàn)量產(chǎn)的企業(yè)僅5家左右；光芯片技術(shù)方面，大部分企業(yè)可以量產(chǎn)低端芯片，只有少數(shù)廠商可以生產(chǎn)高端芯片，產(chǎn)能有限，占市場份額不到1%。目前，國產(chǎn)光芯片仍以低端產(chǎn)品為主；但是高端外延片需要從國際外延廠購買，限制了高端光芯片的發(fā)展。以激光芯片為例，我國能夠量產(chǎn)10G及以下的中低速激光芯片，只有少數(shù)25Gb/s激光器的廠商接近成熟，實現(xiàn)了批量交付，而25G以上的激光芯片大部分廠商還處于研發(fā)或小規(guī)模試制階段。總體來看，高速光芯片嚴重依賴進口，與國外行業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。（三）政策助力，企業(yè)積極布局國內(nèi)高端光芯片技術(shù)的匱乏仍然是行業(yè)的一大痛點。然而，高速光學芯片的穩(wěn)定性和大規(guī)模生產(chǎn)能力取決于設備的精度和參數(shù)、人的經(jīng)驗和資金投入。光芯片設備投資大，如果沒有資本介入，只靠一家公司很難投資R&D和生產(chǎn)。目前國內(nèi)的人才引進環(huán)境和政策都比較好，也可以在海外設立研究院，所以各大企業(yè)也在布局。隨著產(chǎn)業(yè)政策的持續(xù)利好，光通信芯片的市場前景對企業(yè)來說是廣闊的，因此國內(nèi)通信企業(yè)紛紛加大投入，積極布局光芯片產(chǎn)業(yè)。其中，華為、霍峰等通信巨頭對光通信芯片投入巨大，中興、海信等公司也在積極布局。光電子產(chǎn)業(yè)鏈光電子技術(shù)實現(xiàn)光與電優(yōu)勢互補，系全球半導體應用的重要分支。當前光子技術(shù)傳輸容量已經(jīng)被人們充分發(fā)掘，但光子計算處理能力仍處于早期操控階段。電子技術(shù)由于發(fā)展時間較長，在運算功能上仍難被光子取代，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，各取所長是人類技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。光電子領(lǐng)域已是全球半導體應用重要分支，廣泛應用在光通信和消費電子領(lǐng)域。根據(jù)2022年8月全球半導體協(xié)會WTI的統(tǒng)計及預測數(shù)據(jù)，2022年光電子市場空間約435億美元，在半導體四大分支排名第二，約占7%的空間。光電子器件是利用電-光子轉(zhuǎn)換效應制成的各種功能器件。從光電子器件的應用看，主要包括用于通信領(lǐng)域的光通信器件和光纖光纜，顯示領(lǐng)域的顯示面板、OLED顯示面板，用于照明領(lǐng)域的LED照明芯片/模塊等光照明器件，以及應用于傳感領(lǐng)域的圖像傳感器等光傳感器件。其中，按利用光的屬性區(qū)分（信息傳輸屬性和能量屬性），光通信、光傳感均屬于信息光子，光照明、光顯示均屬于能量光子。光通信芯片是伴隨流量增長的絕佳賽道。根據(jù)Omdia預測，綜合蜂窩網(wǎng)，有線接入和Wifi等三種接入渠道統(tǒng)計，全球總網(wǎng)絡流量2019-2024年復合增長率28%，預計到2024年，全球流量將達到576萬PB。在流量增長的需求帶動下，通信基礎(chǔ)設施如數(shù)據(jù)中心、電信傳輸網(wǎng)光口速率、密度不斷提升。目前，無線接入網(wǎng)已經(jīng)從10G轉(zhuǎn)向25G，城域網(wǎng)線路側(cè)也從10GDWDM到目前將大量采用100G相干高速率端口，領(lǐng)先的云廠商數(shù)據(jù)中心光芯片從25G逐漸向50G/100G/200G速率進行升級。流量應用端帶來的需求增長是光通信芯片發(fā)展的核心驅(qū)動因素。光芯片是光通信核心元件，廣泛應用于光收發(fā)模塊中。光芯片屬主要應用于光通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收端，實現(xiàn)光電信號的相互轉(zhuǎn)化，可分為激光器芯片和探測器芯片。激光器芯片主要實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換為光信號，探測器芯片則將光信號還原為電信號。具體地，光芯片廣泛應用于光收發(fā)模塊中。制作工序上百道，行業(yè)以IDM模式為主。GaAs、lnP等三五族半導體材料。由于三五族半導體材料并不如集成電路可大規(guī)模標準化使用，而是需要很多產(chǎn)線、工藝的Knowhow積累，因此各家光芯片廠商的制作方案各不相同。但大體的制造流程，主要需要經(jīng)過四大步驟：購買襯底-外延生長-后端工藝-測試封裝。光芯片廠商主要向成熟的磷化銦、砷化鎵襯底廠商購買襯底。接下來主要是光芯片廠商自己的設計和生產(chǎn)工序。以常見的RWGDFB激光器芯片為例，主要流程可以用兩次外延、四次光刻與刻蝕、掩膜層制備、兩次金屬電極制備，以及減薄、解理、鍍膜、耦合封裝等工藝，加上各個流程中材料準備、儀器調(diào)整、清潔等輔助流程，25GDFB激光器生產(chǎn)工序超過280道，而中低速率激光器也需要200-230道工序。光芯片廠商在每個步驟的差距，都會導致最終產(chǎn)品巨大數(shù)量級的影響。為此，除了少數(shù)玩家，國內(nèi)專業(yè)光芯片廠商、光芯片模塊廠商通常采用IDM模式。光芯片的發(fā)展概況光通信指的是以光纖為載體傳輸光信號的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質(zhì)實現(xiàn)對光的控制。20世紀60年代，激光器芯片技術(shù)和低損耗光纖技術(shù)出現(xiàn)，激光器芯片材料和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)對激光運行波長、色散問題、光譜展寬等的控制。經(jīng)過結(jié)構(gòu)設計、組件集成和生產(chǎn)工藝的改進，目前EML激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達到100G，DFB和VCSEL激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達到50G。在不斷滿足高帶寬、高速率要求的同時，光芯片的應用逐漸從光通信拓展至包括醫(yī)療、消費電子和車載激光雷達等更廣闊的應用領(lǐng)域。光芯片行業(yè)市場需求分析隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量需求持續(xù)增長，根據(jù)Omdia的統(tǒng)計，2017年至2020年，全球固定網(wǎng)絡和移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)量從92萬PB增長至217萬PB，年均復合增長率為33．1%，預計2024年將增長至575萬PB，年均復合增長率為27．6%。同時，光電子、云計算技術(shù)等不斷成熟，將促進更多終端應用需求出現(xiàn)，并對通信技術(shù)提出更高的要求。受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術(shù)的升級，光模塊作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2016年至2020年，全球光模塊市場規(guī)模從58．6億美元增長到66．7億美元，預測2025年全球光模塊市場將達到113億美元，為2020年的1．7倍。光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。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商的長期供應。對于大多數(shù)模塊廠商而言，當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、代工廠或銷售服務部門，這也意味著，本土的光芯片企業(yè)不僅有機會參與到國內(nèi)客戶的供應鏈，也有接觸海外客戶的機遇。光芯片的基本類型光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光器芯片主要用于發(fā)射信號，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，探測器芯片主要用于接收信號，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。激光器芯片，按出光結(jié)構(gòu)可進一步分為面發(fā)射芯片和邊發(fā)射芯片，面發(fā)射芯片包括VCSEL芯片，邊發(fā)射芯片包括FP、DFB和EML芯片；探測器芯片，主要有PIN和APD兩類。光芯片企業(yè)通常采用三五族化合物磷化銦（InP）和砷化鎵（GaAs）作為芯片的襯底材料，相關(guān)材料具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)點，符合高頻通信的特點，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應用。其中，磷化銦（InP）襯底用于制作FP、DFB、EML邊發(fā)射激光器芯片和PIN、APD探測器芯片，主要應用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長距離傳輸；砷化鎵（GaAs）襯底用于制作VCSEL面發(fā)射激光器芯片，主要應用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、3D感測等領(lǐng)域。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)兩維度進行區(qū)分。光芯片屬于半導體激光器/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，應用場景各異。其中，VCSEL主要應用于短距離傳輸，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上進行改進，使得實現(xiàn)單波長的出射，主要應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，預計光發(fā)射芯片占比BOM成本達到20%，探測器芯片約占比3%。光芯片行業(yè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)（一）光芯片行業(yè)面臨的機遇光芯片是光通信行業(yè)的核心元件，隨著傳統(tǒng)通信技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級、運營商推動5G信號的覆蓋，光芯片的需求量將持續(xù)增長。同時，消費者對更穩(wěn)定、更快速的信號傳輸需求擴大，光芯片應用領(lǐng)域?qū)耐ㄐ攀袌鐾卣怪玲t(yī)療、消費電子和車載激光雷達等更廣