光芯片行業(yè)投資潛力及發(fā)展前景

光芯片行業(yè)投資潛力及發(fā)展前景

國(guó)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(chǎng)景主要分三大類。三大場(chǎng)景包括4G/5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，固定寬帶網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景。光芯片的市場(chǎng)增長(zhǎng)中，一是跟隨下游光模塊的用量走，二是跟隨高價(jià)值量芯片最集中的場(chǎng)景。從發(fā)展歷史看，光纖接入市場(chǎng)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(chǎng)景；數(shù)據(jù)中心則是高端、高價(jià)值量芯片最集中的場(chǎng)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(jì)達(dá)到數(shù)千萬(wàn)量級(jí)，也是值得重視的市場(chǎng)。移動(dòng)通信市場(chǎng)前傳達(dá)到千萬(wàn)量級(jí)，中回傳達(dá)到百萬(wàn)量級(jí)，技術(shù)難度較高，屬于需要繼續(xù)突破的市場(chǎng)。光纖接入和數(shù)據(jù)中心兩個(gè)場(chǎng)景將在2023-2025年迎來(lái)較為明顯的確定性機(jī)遇。邊際上，光纖接入場(chǎng)景迎來(lái)國(guó)內(nèi)外10GPON升級(jí)，家庭端和運(yùn)營(yíng)商機(jī)房局端將迎來(lái)明顯機(jī)會(huì)。數(shù)通場(chǎng)景是傳統(tǒng)的高端光芯片主力市場(chǎng)，長(zhǎng)期被日本、美國(guó)芯片廠商壟斷，也是國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈往高端突破繞不開的路。移動(dòng)通信市場(chǎng)周期性較強(qiáng)，以較為成熟的10G、25G為主，市場(chǎng)有望平穩(wěn)發(fā)展。光芯片行業(yè)市場(chǎng)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(zhǎng)，根據(jù)Omdia的統(tǒng)計(jì)，2017年至2020年，全球固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量從92萬(wàn)PB增長(zhǎng)至217萬(wàn)PB，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為33．1%，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)至575萬(wàn)PB，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為27．6%。同時(shí)，光電子、云計(jì)算技術(shù)等不斷成熟，將促進(jìn)更多終端應(yīng)用需求出現(xiàn)，并對(duì)通信技術(shù)提出更高的要求。受益于信息應(yīng)用流量需求的增長(zhǎng)和光通信技術(shù)的升級(jí)，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(zhǎng)。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2016年至2020年，全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模從58．6億美元增長(zhǎng)到66．7億美元，預(yù)測(cè)2025年全球光模塊市場(chǎng)將達(dá)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。光電子產(chǎn)業(yè)鏈光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)光與電優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，系全球半導(dǎo)體應(yīng)用的重要分支。當(dāng)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(jì)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(shí)間較長(zhǎng)，在運(yùn)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(zhǎng)是人類技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。光電子領(lǐng)域已是全球半導(dǎo)體應(yīng)用重要分支，廣泛應(yīng)用在光通信和消費(fèi)電子領(lǐng)域。根據(jù)2022年8月全球半導(dǎo)體協(xié)會(huì)WTI的統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2022年光電子市場(chǎng)空間約435億美元，在半導(dǎo)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(yīng)制成的各種功能器件。從光電子器件的應(yīng)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(yīng)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(zhǎng)的絕佳賽道。根據(jù)Omdia預(yù)測(cè)，綜合蜂窩網(wǎng)，有線接入和Wifi等三種接入渠道統(tǒng)計(jì)，全球總網(wǎng)絡(luò)流量2019-2024年復(fù)合增長(zhǎng)率28%，預(yù)計(jì)到2024年，全球流量將達(dá)到576萬(wàn)PB。在流量增長(zhǎng)的需求帶動(dòng)下，通信基礎(chǔ)設(shè)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(wú)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(jìn)行升級(jí)。流量應(yīng)用端帶來(lái)的需求增長(zhǎng)是光通信芯片發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)因素。光芯片是光通信核心元件，廣泛應(yīng)用于光收發(fā)模塊中。光芯片屬主要應(yīng)用于光通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收端，實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化，可分為激光器芯片和探測(cè)器芯片。激光器芯片主要實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，探測(cè)器芯片則將光信號(hào)還原為電信號(hào)。具體地，光芯片廣泛應(yīng)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(dǎo)體材料。由于三五族半導(dǎo)體材料并不如集成電路可大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)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(guò)四大步驟：購(gòu)買襯底-外延生長(zhǎng)-后端工藝-測(cè)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(gòu)買襯底。接下來(lái)主要是光芯片廠商自己的設(shè)計(jì)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(gè)流程中材料準(zhǔn)備、儀器調(diào)整、清潔等輔助流程，25GDFB激光器生產(chǎn)工序超過(guò)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(gè)步驟的差距，都會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品巨大數(shù)量級(jí)的影響。為此，除了少數(shù)玩家，國(guó)內(nèi)專業(yè)光芯片廠商、光芯片模塊廠商通常采用IDM模式。光芯片的基本類型光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測(cè)器芯片，其中激光器芯片主要用于發(fā)射信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，探測(cè)器芯片主要用于接收信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。激光器芯片，按出光結(jié)構(gòu)可進(jìn)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(cè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合高頻通信的特點(diǎn)，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應(yīng)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(cè)器芯片，主要應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長(zhǎng)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(yīng)用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、3D感測(cè)等領(lǐng)域。光芯行業(yè)概況全球信息互聯(lián)規(guī)模不斷擴(kuò)大，純電子信息的運(yùn)算與傳輸能力的提升遇到瓶頸，光電信息技術(shù)正在崛起。在傳統(tǒng)的通信傳輸領(lǐng)域，早期通過(guò)電纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，但電傳輸損耗大、中繼距離短、承載數(shù)據(jù)量小、信號(hào)頻率提升受限，而光作為載體兼有容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，商用傳輸領(lǐng)域已逐步被光通信系統(tǒng)替代。隨著技術(shù)發(fā)展與成熟，光電信息技術(shù)應(yīng)用逐步拓展到醫(yī)療、消費(fèi)電子和汽車等新興領(lǐng)域，為行業(yè)發(fā)展提供成長(zhǎng)空間。光通信是以光信號(hào)為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)，通過(guò)電光轉(zhuǎn)換，以光信號(hào)進(jìn)行傳輸信息的系統(tǒng)。光通信系統(tǒng)傳輸信號(hào)過(guò)程中，發(fā)射端通過(guò)激光器芯片進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖傳輸至接收端，接收端通過(guò)探測(cè)器芯片進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。高速光芯片是現(xiàn)代高速通訊網(wǎng)絡(luò)的核心之一。光芯片系實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)元件，其性能直接決定了光通信系統(tǒng)的傳輸效率。光纖接入、4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里，光芯片都是決定信息傳輸速度和網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵。光芯片可以進(jìn)一步組裝加工成光電子器件，再集成到光通信設(shè)備的收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。光通信等應(yīng)用領(lǐng)域中，激光器芯片和探測(cè)器芯片合稱為光芯片。光芯片是光電子器件的重要組成部分，是半導(dǎo)體的重要分類，其技術(shù)代表著現(xiàn)代光電技術(shù)與微電子技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域，其發(fā)展對(duì)光電子產(chǎn)業(yè)及電子信息產(chǎn)業(yè)具有重大影響。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(shè)備，最終應(yīng)用于電信市場(chǎng)，如光纖接入、4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)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(wú)源組件和光有源組件。光無(wú)源組件在系統(tǒng)中消耗一定能量，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳導(dǎo)、分流、阻擋、過(guò)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(hào)相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)墓δ埽饕ü獍l(fā)射組件、光接收組件、光調(diào)制器等。光芯片加工封裝為光發(fā)射組件（TOSA）及光接收組件（ROSA），再將光收發(fā)組件、電芯片、結(jié)構(gòu)件等進(jìn)一步加工成光模塊。光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是光通信產(chǎn)業(yè)鏈的核心之一。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(hào)的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過(guò)光芯片和傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)激光運(yùn)行波長(zhǎng)、色散問(wèn)題、光譜展寬等的控制。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件集成和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，目前EML激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達(dá)到100G，DFB和VCSEL激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達(dá)到50G。在不斷滿足高帶寬、高速率要求的同時(shí)，光芯片的應(yīng)用逐漸從光通信拓展至包括醫(yī)療、消費(fèi)電子和車載激光雷達(dá)等更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。光纖接入：全球景氣周期，10GPON升級(jí)明確光纖接入網(wǎng)絡(luò)是家庭寬帶用戶上網(wǎng)的主要承載網(wǎng)絡(luò)。通常網(wǎng)絡(luò)使用光纖從運(yùn)營(yíng)商機(jī)房局端設(shè)備連接到光分路器，再進(jìn)入到家庭用戶的光貓?zhí)?，其中在局端設(shè)備側(cè)將大量使用到OLT光模塊，以及在家庭用戶光貓中的ONU光模塊。局端設(shè)備側(cè)光模塊通常采用適合高速率、大功率、長(zhǎng)距離傳輸?shù)腅ML芯片，價(jià)值量較高，而家庭用戶側(cè)通常采用DFB芯片。10GPON升級(jí)景氣度高，可展望2-3年高景氣。局端（運(yùn)營(yíng)商機(jī)房）提供高速上網(wǎng)能力，需要運(yùn)營(yíng)商提前部署，根據(jù)2022年11月工信部數(shù)據(jù)，我國(guó)10GPON端口超過(guò)1400萬(wàn)個(gè)，大概滲透率達(dá)到存量PON端口的1/3；而家庭端需要家庭用戶自身選擇是否更換上網(wǎng)套餐和網(wǎng)關(guān)設(shè)備，千兆用戶數(shù)達(dá)到約8707萬(wàn)個(gè)，大概占5億家庭用戶15%。從滲透率角度看，預(yù)計(jì)2023-2025年仍將是國(guó)內(nèi)10GPON升級(jí)滲透的景氣周期。海外光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)迅猛，全球各地區(qū)加大投入。疫情爆發(fā)后，歐洲、北美、發(fā)展中國(guó)家及地區(qū)大力投入寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)FTTHGlobalAlliance的數(shù)據(jù)，2021年9月的數(shù)據(jù)顯示，墨西哥滲透率僅19．6%，而美國(guó)的滲透率僅21．5%。根據(jù)歐洲FTTHCouncilEurope發(fā)布的2021年9月數(shù)據(jù)，歐盟27國(guó)光纖覆蓋率約48．5%，歐盟39國(guó)光纖覆蓋率約57．0%，而光纖服務(wù)訂閱者比覆蓋率更低。而根據(jù)《中國(guó)寬帶白皮書2021》，我國(guó)光纖接入用戶FTTH/O已經(jīng)超過(guò)4．8億戶，在固定寬帶用戶中占比94．1%。對(duì)比而言，歐洲、北美光纖覆蓋滲透率提升還有很大空間。北美XGS-PON未來(lái)有望高增長(zhǎng)。根據(jù)Dell’OroGroup分析，2019-2022年北美地區(qū)XGS-PONOLT端口出貨量增長(zhǎng)2231%，從2019年的3．2萬(wàn)個(gè)躍升至2022年的74．8萬(wàn)個(gè)。如果供應(yīng)鏈問(wèn)題得到解決，2022年的出貨量數(shù)字或?qū)⒏?。我?guó)設(shè)備商占比較高，國(guó)內(nèi)光芯片產(chǎn)業(yè)鏈有望受益。根據(jù)Omdia2022Q1統(tǒng)計(jì)，滾動(dòng)一年中PON設(shè)備市場(chǎng)華為市占率達(dá)到36%，中興占比22%，烽火占比6%，中國(guó)設(shè)備商占比超過(guò)60%以上。考慮下游市占率較高的前提下，國(guó)內(nèi)的光芯片產(chǎn)業(yè)鏈有望持續(xù)受益。光纖接入市場(chǎng)以2．5G和10G芯片為主，國(guó)產(chǎn)化水平已經(jīng)較高。根據(jù)ICC數(shù)據(jù)，2．5G及以下市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)光芯片企業(yè)如源杰、敏芯、中科光芯、仕佳、光安倫等已經(jīng)占據(jù)主要市場(chǎng)份額。公司主要以差異化競(jìng)爭(zhēng)，面向附加值更高的1270nm/1490nm為主，所以發(fā)貨量排名不占領(lǐng)先地位。10G光芯片市場(chǎng)中我國(guó)光芯片企業(yè)已經(jīng)基本掌握核心技術(shù)，根據(jù)ICC統(tǒng)計(jì)，全球10GDFB市場(chǎng)中公司占比20%，已經(jīng)超過(guò)住友電工、三菱電機(jī)等。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(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)高密度的光電集成，然后通過(guò)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(shì)。據(jù)Lightcounting預(yù)測(cè)，硅光模塊有望在2024年全球銷售額超過(guò)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(shí)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(shì)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(jí)結(jié)構(gòu)的原因，天然無(wú)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(guò)外部耦合的方法