中國本土光芯片向國際先進水平發(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)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能源。在消費類應(yīng)用中，光芯片已廣泛應(yīng)用于 3D 傳感（手機、汽車）等場景，以車載激光雷達為例，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-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)線難以實現(xiàn)標準化，廠商采用 IDM 模式可以實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，同時滿足客戶多樣化的需求。

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 等國際大廠進行競爭的能力。但在光通信、消費類應(yīng)用領(lǐng)域，與國際大廠差距較大，是下一步努力的重點。光通信市場空間廣闊，同時，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)上具備領(lǐng)先優(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)已在部分細分市場取得領(lǐng)先份額，但技術(shù)門檻較高市場仍依賴進口，25G 以上市場是國產(chǎn)化薄弱環(huán)節(jié)，據(jù) IDC 統(tǒng)計，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、光通信、智能家電（如掃地機器人）等應(yīng)用場景，隨著車載激光雷達產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光探測芯片作為激光雷達接收端核心元器件，有望迎來新的發(fā)展機遇。

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，三家市占率達到 45%。比 APD 更先進的技術(shù)方案是 SPAD/SiPM，對比 APD，SPAD/SiPM 具有更強的探測靈敏度，同時，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 有望成為激光雷達接收端芯片的未來發(fā)展方向。不過，SPAD/SiPM 技術(shù)難度大，進入門檻高，全球 SiPM 市場主要被安森美、濱松、博通等頭部企業(yè)把持著，合計市占率達到 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，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，有望推進國產(chǎn)替代進程。

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)用于消費電子、激光雷達、AR/VR、醫(yī)療等領(lǐng)域。另外，還有中國本土企業(yè)在單項產(chǎn)品力上領(lǐng)先國際的案例，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?。?，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)報告顯示，自 2017 年蘋果在 iPhoneX 中引入 3D 傳感功能以來，VCSEL 在消費電子應(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，Lumentum、II-IV 兩家公司在 2021 年的市場合計份額超過 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，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)化領(lǐng)先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水平處于同一起跑線，科研進展也相當(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。