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最强解读!光通信、光芯片产业链

 日期:2022-10-03 04:32:09    来源:龙8游戏官方网站   作者:龙8游戏网址

  光芯片的应用潜力巨大,高技术门槛又使得横向拓展非常不易,使得市场上真正有多方面产品线实践经验和量产能力的团队非常稀缺。

  目前,本土的高端光芯片/光模组产业化尚处于发展阶段,国内能够生产光芯片的企业并像通用微控制器那般多,而且其中大多数只能大批量生产低端的光芯片/光模组,仅有少数厂商可以生产中高端光芯片,并且由于产能有限,市场占比不足1%。

  光模块为光通信产业链的下游环节。光模块由光器件、电路芯片、PCB以及结构件构成,其中光器件占光模块成本的72%。光器件的核心为光收发组件,两者合计占光器件成本的80%,而在光收发组件中,成本占比最高的(也是光模块技术壁垒最高的)为光芯片。

  而国内企业,大部分仅具备10G及以下中低速激光器能力,25G光芯片源杰半导体(DFB)、索尔思(EML)等具备供货能力,技术瓶颈较高,突破需要时间积累。

  根据功能的不同,光通信芯片可分为激光器芯片、探测器芯片等。比如激光器芯片:①VCSEL芯片,适用于短距场景;②边发射激光器芯片包括FP、DFB以及EML芯片,其中FP芯片适用于中短距场景,DFB以及EML芯片(在DFB芯片的基础上增加电吸收调制器)适用于中长距、高速率场景。

  探测器芯片分为PIN(二级管探测器:灵敏度相对较低,应用于中短距离的光通信传输)和APD(雪崩二级管探测器:灵敏度及接收距离更优,成本高)。

  中国光通信行业在起步阶段,仅实现10G及以下的光通信芯片的进口替代,但10G以上的高速芯片仍依赖进口。2018年中国10G速率以下光通信芯片国产率已达到80%,10G速率的光通信芯片国产化率接近50%,而25G及以上高速率光通信芯片则严重依赖出口,国产化率仅5%。随着5G时代到来,市场对25G以上高速率芯片的需求逐渐释放,低速芯片逐渐市场边缘化。

  政策要点:《中国光电子器件产业技术发展路线年)》明确指出各类型芯片级目标和要求,到2020年,中低端芯片国产化率超过60%,高端芯片国产化率超过20%。

  现阶段,中国大陆光通信芯片产业外延技术严重落后,导致中国大陆大量芯片企业流片进度严重受制于其他地区或国家(中国台湾、新加坡、日本以及美国)。

  除外延技术亟待突破,中国光通信芯片良率亦有待提高。中国10G光通信芯片的良率仅为70%,造成10G光通信芯片生产成本高居不下。25G及以上的光通信芯片还未形成量产。

  从应用领域看,传感VCSEL芯片目前主要起量于手机3D识别和人脸支付领域,在车载激光雷达、车内手势识别等方向都还待应用推广。大功率EEL,主要是光纤激光器的泵浦源应用,直接半导体激光器在激光熔覆等领域应用正在逐渐得到推广。通信是个大市场,随着5G基础设施和数据中心的建设,通信VCSEL、DFB和EML的国产化会有一定的机遇。

  光通信芯片行业处在发展初期,25G系列的高速芯片均未实现销售,2014年至2018年光通信芯片市场规模年复合增长率仅为16.1%。5G时代的到来是光通信芯片行业发展的主要驱动力。

  人类社会进入数据时代,流量爆发式增长。为解决数据流量暴涨问题,作为载体的超大型数据中心在全球开始大规模建设。建设数据中心建设需要大量DFB以及VCSEL芯片实现光电信号的转换,因此大规模建设数据中心亦拉动数据中心运营商对光通信芯片需求。未来5年光通信芯片行业享受5G时代与数据流量暴涨的红利,2023年中国光通信芯片市场预计增长至33.9亿美元,年复合增长率为21.3%。

  光通信产业链环节众多,工艺流程较为复杂,包括芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造四个环节。

  GaAs/InP 材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底即基板;

  根据设计图,用基板和有机金属气体在MOCVD(金属有机物化学气相沉积)/MBE(分子束外延)设备里长晶,制成外延片(Wafer);

  从运作模式上看,存在垂直一体化厂商(IDM)、第三方代工厂(Foundry)。IDM负责从芯片设计到晶粒制作的全产业链制作,甚至延伸至下游的光器件与光模块制备环节。由于光芯片工艺复杂,客户需求多样,产品线难以标准化,加之行业规模有限,目前超过50%的光芯片的磊晶和晶圆制作都由Finisar、Lumentum 和Avago 等IDM把控。

  以联亚光电为代表的专业光芯片磊晶厂,以及以IQE为代表的射频器件和光芯片磊晶双主业厂商为Foundry模式。未来,以VCSEL芯片为例,消费电子市场规模大且客户群体对成本敏感性高,有望进一步驱动第三方代工厂商的规模化生产。

  光通信芯片企业采用高频性能突出的GaAs以及InP化合物半导体为光通信芯片的衬底。GaAs以及InP可被制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点,符合5G通信高频的特点,因而在光通信芯片领域得到重要应用。

  光通信芯片生产过程中所用到的设备包括光刻机、刻蚀机以及外延设备等。中国半导体设备产业薄弱,高端设备基本被国际巨头把控。例如,全球光刻机市场排名前三的企业(荷兰ASML、日本Nikon以及日本Canon)合计占据75%的份额。国际巨头美国泛林集团、日本东京电子、美国应用材料共占据了全球刻蚀机市场80%以上的份额。

  (3)产业链下游-【光模块厂商及终端客户】详见“光模块行业浅析及投资逻辑分析”。

  前身包括成都飞博创以及中国台湾的LuminentOIC,光芯片厂商嘉信光电。采用IDM模式,在美国加州、中国台湾新竹、成都和江苏常州建有产品研发与生产基地,逐步形成了从光芯片、OSA、光模块的整体研发与制造。聚焦10G-53Gbd EML/FP/APD/PD,10G-25G DFB。最具优势产品25G EML光芯片已实现出货。华西股份及旗下一村资本自2019年1月持续向索尔思出资,截止目前实现间接持有索尔思光电股权54.68%。根据公开资料,索尔思的激光器芯片2019年产能传送端1100万只/接收端1400万只,OSA组件年产能达到1300万只,光模块的年产能达到1100万只。2019年主营业务收入1.63 亿美元,净利润-1.53亿美元,客户为亚马逊、苹果、Juniper、华为、Cisco、中兴等。

  公司由国内著名投资机构和技术团队共同创办,聚集了光通讯芯片大量本土优秀人才,拥有数条从MOCVD外延生长、芯片生产、自动测试的生产线G速率自主知识产权DFB芯片,2019年Q4 25G芯片上量,2020年全面向10G、25G过渡,预计本年实现近1亿元规模。近年来收入多来自于接入网领域,未来拓展数据中心、5G商用。获得国内最大的光模块厂商中际旭创认可,芯片通过国内头部网络设备提供商华为等供应商资格认证。另外,公司与Sicoya、博创科技成立合资公司布局硅光模块,分别提供激光器芯片、硅光芯片、封装集成能力。根据公开资料及近期完成的新一轮融资,目前有金石投资、中关村瞪羚投资、博创科技、中际旭创、广发证券、中信证券、陕西先导光电集成、上海超越摩尔等参与投资。

  中科光芯成立于2011年,总投资近2亿元。公司由中国工程院“特聘专家”苏辉博士创立(拥有20多年半导体激光器研发及光电子集成制程平台经验),中国科学院福建物质结构研究所、福建省华兴创业投资有限公司、上市公司跃岭股份(002725)参与投资。公司现有产品覆盖InP基各类速率光芯片外延片、芯片、OSA器件、光模块。中科光芯在福州、石狮、武汉和深圳均建有研发中心、生产线万颗光芯片及器件,产品得到了国内主流通讯厂商的认可。目前EPON产品为主流市场,未来扩张GPON产品以及用于4G、5G基站建设配套的10G、25G激光器芯片及器件。其5G基站用25G 1310nm DFB直调激光器于2019年发布。

  创始人张华,连续创业者。深圳市迅特通信技术有限公司创始人,保持中国电信运营商光模块直采市场近三年持续第一份额;深圳加华微捷科技有限公司联合创始人,主流高速率光模块微连接器件供应商,2018年被光库科技并购。敏芯半导体为创始人2017年创立,主营业务为2.5G/10G/25G全系列激光器和探测器光芯片及封装类产品。敏芯半导体10G以下DFB芯片已于2019年Q2、Q3转产。2019年12月发布支持中移动首创的MWDM半有源5G前传方案的25G DFB激光器系列。2020年7月份发布支持中国电信主导25Gb/s LWDM 5G前传解决方案的DFB激光器系列芯片,该产品可应用于5G前传LWDM彩光光模块以及数据中心100G LR4 10Km光模块。规划中的其它产品有25G EML、25G VCSEL、25G APD。据公开资料,2019年8月完成A轮融资1亿元,恒信华业基金独家投资,尚未工商变更。

  全球少数几家自主研发并具备量产高功率半导体激光芯片能力的公司,产品广泛应用于工业激光器泵浦、激光先进制造装备、高速光通信等领域。主要股东为业内权威长春光机所、国投创业、中科院创投等知名机构。公司董事长闵大勇曾任华工科技总裁。公司具备半导体激光芯片的自主研发能力,为国内光纤激光器龙头企业锐科激光的主要芯片供应商之一,并吸引了华日激光、贝林激光、英谷激光、卓镭激光、长春新产业等客户。以手机人脸识别为代表的3D传感兴起,VCSEL激光芯片是3D传感技术的核心部件,市场空间广阔。公司目前已建立全工艺国产化的VCSEL芯片量产线:纵慧芯光(消费类VCSEL光芯片)

  创新型的光电半导体高科技公司,2015年11月成立,总部位于江苏常州,在美国、台湾都成立了全资子公司。由多位美国斯坦福大学博士创立。公司VCSEL供应链涉及芯片设计、砷化镓衬底、外延制备、芯片制造和封测等环节,产品广泛应用在3D感知、AR/VR、自动驾驶等领域。目前为止全球可实现VCSEL量产的仅五家厂商,纵慧芯光是中国第一家拥有自主知识产权的VCSEL芯片公司。获得一村资本数千万元入股、欧菲科技、高榕资本、华为哈勃等投资,立志于实现VSCEL国产化。

  激光器芯片采用III-V族材料(InP以及GaAs)作为衬底,InP以及GaAs属于稀有材料,价格昂贵,导致光通信芯片企业难以通过大规模量产芯片减少成本。硅光芯片采用分立贴装或晶圆键合加工将III-V族激光器芯片与硅光集成电路调制器、光耦合器等加工在一起。硅光芯片利用现有CMOS工艺进行光器件的开发和集成,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。目前的技术和工艺上看,100G短距离光模块中,硅光技术具有一定成本优势。传统100G光模块方案中,光模块求需用4块25G激光器芯片分别调制4路信号以实现100G传输速率。引入硅光技术后,由于调制器和无源光路可高度集成,光模块企业仅需1块25G激光器芯片,通过集成的调制器和波导实现4路独立信号的调制和传输,从而达到大幅节约芯片成本的目的。

  硅光芯片传输距离相对受限。硅光芯片功率被分为4路,导致光路功率预算不足,单纯增加激光器功率会导致功耗和散热问题(硅波导对温度非常敏感),因此硅光芯片目前仅在500米短距离场景应用相对成熟。Finisar、Luxtera、以及光迅等光通信公司均已投入硅光芯片,研发更远传输距离的硅光芯片。光通信芯片企业布局硅光芯片已成为一种趋势。

  现阶段,光通信芯片主要应用于电信市场以及数据中心领域。光通信芯片应用单一导致市场规模较小,企业的发展空间受限。为扩大光通信芯片市场的容量,未来光通信芯片企业会积极扩充芯片应用领域。

  传统的VCSEL光通信芯片主要应用在数据中心,随着3D传感的爆发,VCSEL芯片进入消费电子领域。iPhoneX手机率先使用基于结构光方案的3D传感技术,开启VCSEL芯片在消费电子应用新时代。移动端3D传感有三种主流的方案:结构光、TOF时间光、双目立体成像。结构光方案发展最为成熟,因其具有功耗低、分辨率及精度高等优势,更适合消费电子产品前置近距离摄像,尤其适合应用于人脸识别、手势识别等领域。结构光方案工作原理是红外激光发射器(IRLD)发射出的近红外光(IR Light)经过人体的反射后到达红外图像传感器(IR CIS)获取人置信息,同时可见光图像传感器(Vis CIS)获取人体的二维信息,实现三维空间定位。近红外光源主要有VCSEL、LED和EEL三种方案,VCSEL以其高效的光电转换、低功耗、高可靠性、响应速度快等特性成为结构光方案中近红外光源的最佳选择。

  2019年全球市场,应用于智能手机的VCSEL芯片将达2.4亿块,是VCSEL芯片在通信应用领域需求量的五倍,因此VCSEL芯片成为光通信芯片行业新的盈利点。

  光讯波长850nmVCSEL芯片(应用于通信领域)的工艺已趋近成熟,为研发应用于3D传感场景中用到的940nmVCSEL奠定了基础。中国其他光通信芯片企业在VCSEL芯片领域比较薄弱,随着消费电子对VCSEL芯片的需求爆发,未来会有更多的光通信芯片企业基于现有的产线进行改造进军VCSEL芯片。

  由于光芯片在中国起步较晚,近五年左右才开始陆续有一批优秀的海归人才 回国创立光芯片公司。对光芯片的投资,大家基本是参照集成电路投资的经验,摸索前行。但光芯片的投资与集成电路投资有较显著的差别。

  目前市场上光芯片应用场景包括:应用于消费电子的传感VCSEL;应用于通信的VCSEL、DFB、EML、硅光芯片、铌酸锂薄膜芯片等;应用于工业加工或泵浦的大功率EEL、HCSEL。对这些细分领域来说,每个应用场景市场空间都相对有限,很难找到像集成电路中模拟或存储芯片那么大的市场空间。

  这些芯片的设计和制造都有极高的门槛,相互跨越存在很大挑战,且各自的工艺难点不同,需要的核心技术人员、关键设备也存在很大差异。首先不同的应用领域所需光芯片设计、工艺存在巨大差异(如不同应用场景采用不同光芯片)。其二,同一应用领域不同传输距离芯片存在工艺差异(比如应用于通信领域的VCSEL、DFB、EML激光器芯片)。其三,同一芯片在不同应用领域也存在不一样的技术挑战(比如VCSEL光芯片应用在通信领域VS传感领域)。对大部分初创公司而言,中短期内很难在多个方向横向拓展。

  光芯片对工艺的高度依赖和上游代工的非标准化,是与集成电路设计最大的差别。市场上虽然有IQE、联亚、全新等外延厂商,也有稳懋、宏捷等晶圆代工的供应商,但由于光芯片本身结构多样且复杂,制造工艺的know-how非常多,且对工艺的要求侧重点也各不相同,从而导致各类产品在制造模式上的巨大差异。对创业公司而言,选择委外代工、联合开发还是自建产线,路径不同,差异显著。

  因此并不是所有企业都需要自建产线,必须去建MOCVD外延环节,也不是外延、光刻选择代工模式就代表技术含量不高等等,需要结合产品的工作原理、设计要点、工艺瓶颈统筹分析。

  可靠性挑战高,可靠性瓶颈与芯片结构强相关,下游客户成为产品打磨并最终推向市场至关重要的一种资源

  如何提高光芯片的可靠性是极大的挑战,这种挑战不仅来自于设计和工艺方面,更多来自于下游大客户的反复验证、不断改进和快速迭代。这对初创公司来说又是一个悖论,下游大客户本身就比较难接受一个初创公司在一些可靠性要求极高的应用场景中去替换核心光芯片,能有一两次送样测试机会已经难能可贵,出现几次可靠性问题故障,则会让下游客户直接对初创公司丧失信心。

  光模块平均3-4年完成一次产品迭代,光通信芯片需要跟进光模块更新升级的速度,即在3-4年内完成更高速率光通信芯片的量产。由于光通信芯片技术门槛极高,企业研发团队能否在3-4年内突破新技术具有极大不确定性,易出现芯片失效或者自身芯片技术迭代未跟上客户需求的情形。

  另外,从产品设计上来讲,光模块实现更高速率有三条路径,一是提高光源速率,二是提高通道数,三是高阶调制。提高光源速率面临着III-V族半导体激光器性能瓶颈,即由25G速率光芯片提升至50G速率难度较大,可能存在物理极限,目前Oclaro、AAOI推出的50G光源解决方案均为外调制的EML。提高并行通道数面临着体积、功耗、散热等设计封装难点,并且增加了客户的光纤资源成本。

  目前主要通过高阶调制实现更高速率,即通过电调节。高阶调制主要有PAM4和相干调制两种,PAM4是目前传统方案下最常用的方法,调制速率提升2倍,有不同的方案实现PAM4调制(比如DSP+PAM4,CDR+PAM4等),提升速率的同时实现信号恢复,可关注此类公司(如飞昂通信、上海橙科微电子等)。

  国际大型光通信芯片企业把持超过90%高速芯片市场份额,该类国际一流企业通过整合行业资源不断加强自身市场地位,导致中国光通信芯片企业的生存环境逐渐被这类大厂蚕食。而且中国光通信芯片企业发展空间不大,其行业市场规模量级仅百亿人民币,相比其他类型芯片市场规模明显稍小;加之每一款产品进入下游客户供应商名单至少需要半年至一年认证周期,而一旦进入,后期份额出现变动的可能性不大,认证周期长,先发优势重要。

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