光芯片歸屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，是光電子器件的核心組成部分。其應(yīng)用場景遠不僅僅局限于通信領(lǐng)域，在工業(yè)、消費電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。 本期的智能內(nèi)參，我們推薦民生證券的報告《光芯片行業(yè)系列深度一》，揭秘光芯片的技術(shù)細(xì)節(jié)及市場格局。 原標(biāo)題：《光芯片行業(yè)系列深度一》作者： 01.立于時代風(fēng)口，下一輪科技革命光芯片歸屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，是光電子器件的核心組成部分。半導(dǎo)體整體可以分為分立器件和集成電路兩大類，數(shù)字芯片和模擬芯片等電芯片歸屬于集成電路，光芯片則是分立器件大類下光電子器件的核心組成部分。典型的光電子器件包括了激光器、探測器等。

▲光芯片是光電子器件的核心組成部分 作為激光器/探測器等光電子器件的核心組成部分，光芯片是現(xiàn)代光通信系統(tǒng)的核心?，F(xiàn)代光通信系統(tǒng)是以光信號為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)，通過電光轉(zhuǎn)換，以光信號進行傳輸信息的系統(tǒng)。從傳輸信號的過程來看，首先發(fā)射端通過激光器內(nèi)的光芯片進行電光轉(zhuǎn)換，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，經(jīng)過光纖傳輸至接收端，接收端通過探測器內(nèi)的光芯片進行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。其中，核心的光電轉(zhuǎn)換功能由激光器和探測器內(nèi)的光芯片（激光器芯片/探測器芯片）來實現(xiàn)，光芯片直接決定了信息的傳輸速度和可靠性。

▲光通信系統(tǒng)示意圖 光芯片的應(yīng)用場景遠不僅僅局限于通信領(lǐng)域，廣義上的光芯片在工業(yè)、消費電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前光子已站上時代風(fēng)口，有望引領(lǐng)后摩爾時代的科技革命。未來的時代或?qū)⑹且粋€光子大規(guī)模替換電子的時代，光網(wǎng)絡(luò)傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。 光芯片只是光子產(chǎn)業(yè)上游的一小部分，站在整個光子產(chǎn)業(yè)的宏觀視角，根 據(jù) Photonics21 發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示：自 2015 年以來，全球市場規(guī)模以每年 7%的速度增長。其中， 2019 年的全球市場規(guī)模達到 6900 億歐元，預(yù)計 2025 年將進一步增至 9000 億歐元。

▲全球光子產(chǎn)業(yè)市場快速發(fā)展規(guī)模 從更為具體的應(yīng)用場景的視角，以通過電子躍遷產(chǎn)生光子的激光器芯片為例，其應(yīng)用場景涵蓋各個環(huán)節(jié)。根據(jù)其產(chǎn)生光子的用途，可大致分為能量光子、信息光子和顯示光子。能量光子的應(yīng)用場景涉及光纖激光器、醫(yī)療美容等，信息光子的應(yīng)用場景包括通信、汽車自動駕駛、手機人臉識別、軍工等，顯示光子的典型應(yīng)用場景有激光照明、激光電視、汽車車燈等。

▲光子的不同應(yīng)用場景 光通信是光芯片最核心的應(yīng)用領(lǐng)域之一，光通信領(lǐng)域的光芯片整體可分為有源和無源兩大類，并可按功能等維度進一步細(xì)分。根據(jù)有源芯片功能，可分為發(fā)射光信號的激光器芯片、接收光信號的探測器芯片、調(diào)制光信號的調(diào)制器芯片等。無源芯片方面，主要由基于平面光波導(dǎo)技術(shù)調(diào)控光路傳輸?shù)?PLC 光分路器芯片、AWG 芯片、VOA 芯片等構(gòu)成。綜合來看，激光器芯片和探測器芯片是應(yīng)用最多、最為核心的兩類光芯片。

▲光通信領(lǐng)域激光器/探測器芯片應(yīng)用場景為光模塊

▲光通信領(lǐng)域激光器芯片和探測器芯片的特點及應(yīng)用場景 激光器芯片可進一步分類，例如 1）按出光結(jié)構(gòu)，可分為面發(fā)射的 VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及邊發(fā)射的 FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布反饋式激光器）和 EML（電吸收調(diào)制激光器）芯片；2）按調(diào)制方式，可分為直接調(diào)制激光器 DML（包括 VCSEL、FP、DFB）芯片和電吸收調(diào)制激光器 EML 芯片（集成了 EAM 調(diào)制器和 DFB 芯片）；3）從距離角度，F(xiàn)P 和 VCSEL 芯片適合短距離場景，中距離場景多采用 DFB 芯片，長距離場景主要采用 EML 芯片。 從工作原理來看，激光器芯片核心是施加一定的激勵方式（如將電流注入芯片核心量子阱區(qū)域），利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光以激發(fā)出光子，并在光波導(dǎo)和有光學(xué)鍍膜的解理端面（用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡從而組成諧振腔）間進行震蕩、反饋。最后輻射放大形成相位和方向高度一致的光子，即發(fā)射激光。以上過程需滿足三個條件。 探測器芯片同樣種類很多，原理上基于光電效應(yīng)（可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)），通信領(lǐng)域的探測器細(xì)分來看可歸為基于內(nèi)光電效應(yīng)的光生伏特探測器，根據(jù)放大與否，可進一步分為非放大的 PIN（二級管探測器）和包含放大的 APD（雪崩二級管探測器）兩種。 前者的靈敏度相對較低，但噪聲小，工作電壓低，成本低，適用于中短距離的光通信傳輸。APD 在靈敏度以及接收距離上優(yōu)于 PIN，但成本高于 PIN。PIN 的工作流程分為兩步，一是材料在入射光照射下產(chǎn)生光生載流子，二是光電流與外圍電路間的相互作用并輸出電信號。與 PIN 相較，APD 較之 PIN探測器多了一個雪崩倍增區(qū)域，加上一個較高的反向偏置電壓后，利用雪崩擊穿效應(yīng)，可在 APD 中獲得一個很大的內(nèi)部電流增益，從而實現(xiàn)更高的靈敏度等優(yōu)勢。 02.雙輪驅(qū)動，光芯片成長空間大激光器芯片在數(shù)通市場和電信市場均有廣泛應(yīng)用，在數(shù)通市場應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）場景下的相關(guān)光模塊，在電信市場應(yīng)用于接入網(wǎng)（光纖接入、無線接入）和傳輸網(wǎng)場景下的相關(guān)光模塊。不同應(yīng)用場景下的激光器芯片有所不同，大致而言， 數(shù)通市場：短距離（100m 或以下）的 AOC/SR 光模塊主要用 VCSEL 芯片，500m~2km 應(yīng)用場景下的 DR/FR/PSM/CWDM 等光模塊主要用DFB 或 EML 芯片，10km/40km/80km 等長距離應(yīng)用場景下的 LR/ER等光模塊以 EML 芯片為主。 電信市場：光纖接入 PON 光模塊以 DFB 和 EML 芯片為主、無線接入的前傳光模塊以 DFB 芯片為主，長距離傳輸場景應(yīng)用于傳輸網(wǎng)的光模塊以EML 芯片為主。 數(shù)通領(lǐng)域當(dāng)前景氣度高企，并有望進一步持續(xù)。北美云巨頭的 CAPEX 是數(shù)通領(lǐng)域景氣度的風(fēng)向標(biāo)，整體來看 CAPEX 成長性突出，同時伴隨云巨頭階段性去庫存、IDC 建設(shè)節(jié)奏等原因，CAPEX 也會呈現(xiàn)一定波動性。近期來看，自 21 年初以來 CAPEX 持續(xù)處于上升通道。 根據(jù) 22Q2 數(shù)據(jù)，亞馬遜/Meta/微軟/谷歌四家的 CAPEX 合計為 370.0 億美元，同比增長 19.9%，環(huán)比增長 4.2%。從全年的指引來看，亞馬遜預(yù)計 AWS 相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施投入比重將從 2021 年的約四成提升至一半以上，Meta 小幅上調(diào)了指引下限（從之前的 290~340 億美元，調(diào)整至300~340 億美元），谷歌預(yù)計全年 CAPEX 同比增加。 同時也可以看到，雖然宏觀經(jīng)濟壓力、美元走強等因素對北美云巨頭的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)有一定影響，但各家的云業(yè)務(wù)仍是核心增長引擎，亞馬遜 AWS/微軟 Azure/谷歌云連續(xù)多季度保持至少 30%以上的同比增長。 綜合來看，中短期而言數(shù)通領(lǐng)域景氣度仍將持續(xù)攀升。中長期維度來看，未來隨著 5G 相關(guān)應(yīng)用進程加快，云計算、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的進一步發(fā)展，元宇宙布局加速推進，都將推動算力需求和數(shù)據(jù)流量的加速增長，各大云計算巨頭的基礎(chǔ)設(shè)施投入預(yù)計持續(xù)保持高位，我們認(rèn)為新一輪數(shù)據(jù)流量投資浪潮已經(jīng)啟動，數(shù)通市場已邁入 3~5 年的景氣上行周期。 從行業(yè)層面來看，根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2020 年和 2021 年由于新冠疫情，人們開始轉(zhuǎn)向居家辦公，因而對更快、更高可靠性的網(wǎng)絡(luò)的需求更為強烈。因此雖然供應(yīng)鏈短缺因素仍在持續(xù)，但是行業(yè)能夠很大程度上克服這些問題，光模塊行業(yè)在 2020 年和 2021 年實現(xiàn)了 17%和 9%的增長，并且Lightcounting 預(yù)測2022年有望再次實現(xiàn) 17%的收入增長。 中長期維度來看，Lightcounting 提高了 2022~2027 年的整體預(yù)期，同時預(yù)計 2022~2027 年光模塊行業(yè)整體的年復(fù)合增速為 12%。這其中，用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的以太網(wǎng)光模塊及可用于數(shù)通中心互聯(lián)的 DWDM 光模塊預(yù)計將在 2022~2027 年引領(lǐng)增長。 從部分?jǐn)?shù)通光模塊頭部廠商的業(yè)績來看，2020 年光模塊行業(yè)迎來 100G向 400G 迭代所帶來的需求放量，先發(fā)優(yōu)勢顯著的高端數(shù)通光模塊龍頭中際旭創(chuàng)和新晉突破海外數(shù)通大客戶的新易盛，業(yè)績迎來顯著增長。2022H1，受益于客戶加快部署 200G/400G 等高端光模塊，光模塊廠商業(yè)績繼續(xù)保持高增速。 中際旭創(chuàng) 22H1 實現(xiàn)營業(yè)收入 42.31 億元，同比增長 28.3%，實現(xiàn)歸母凈利潤 4.92 億元，同比增長 44.5%。新易盛 22H1實現(xiàn)營業(yè)收入 14.79 億元，同比增長 2.6%，實現(xiàn)歸母凈利潤 4.61 億元，同比增長 42.8%。另一方面，800G 需求有望在年末迎來放量，數(shù)通光模塊行業(yè)即將進入 400 向 800G 迭代期，整體高景氣有望延續(xù)。 從電信市場來看，光纖接入光模塊整體保持平穩(wěn)增長。根據(jù) LightCounting的統(tǒng)計，2020 年全球 FTTx 光模塊市場出貨量約 6289 萬只，市場規(guī)模為 4.73 億美元，Lightcounting 預(yù)計至 2025 年全球出貨量將達到 9208 萬只，市場規(guī)模將 達 6.31 億美元，2020~2025 年的年復(fù)合增速分別為 7.9%和 5.9%。 國內(nèi)千兆寬帶加速建設(shè)助力具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的 10G PON 光模塊市場持續(xù)火熱。隨著光纖到戶向千兆接入演進，光纖接入光模塊從 GPON 向 10G PON升級。2020 年以來，國內(nèi)電信運營商加速千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，整體超前完成政策目標(biāo)，帶動 10G PON 光模塊市場持續(xù)火熱。 從工信部公布的 2022 年 6 月的數(shù)據(jù)來看，千兆寬帶用戶數(shù)已達 6111 萬戶，具備千兆網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的 10G PON 端口數(shù)已達 1103 萬個，與工信部 2021 年發(fā)布的《“雙千兆”網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展行動計劃（2021-2023）》和《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中的目標(biāo)相比較，2023年目標(biāo)已超前達成，2025 年的千兆寬帶用戶數(shù)目標(biāo)也已超前達成。 伴隨 10G PON 需求火熱，國內(nèi)主要廠商的業(yè)績也迎來加速增長，從而推動10G PON 相關(guān)的激光器芯片需求持續(xù)走高。國內(nèi)主要的 10G PON 廠商包括了博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)、華工科技、光迅科技等。以頭部企業(yè)博創(chuàng)科技為例，伴隨著 10GPON 需求的火熱，公司光有源器件的收入在 2020 年迎來顯著提升，從 2019 年 的 1.81 億元提升至 2020 年的 5.13 億元。 2021 年，公司的 10G ComboPONOLT 局端光模塊出貨量超 100 萬只。從激光器芯片龍頭源杰科技的 2.5G/10G 激光器芯片的合計收入來看，從 2019 年的 0.81 億元增至 2021 年的 1.96 億元，年復(fù)合增速達 55.9%。 除了 10G PON 局端光模塊（OLT）的持續(xù)火熱外，當(dāng)前運營商已開始加大10G PON 終端光模塊（ONU）的需求。展望未來，考慮到當(dāng)前國內(nèi)千兆寬帶用戶的滲透率剛過 10%，伴隨著用戶基數(shù)的不斷增大，10G PON 終端光模塊的空間非常大。另一方面，從國外的情況來看，歐美光纖到戶整體的滲透率相對更低，當(dāng)前處于高速增長期，特別是在疫情大背景下對家庭寬帶有更高需求，歐美運營商對10G PON 的需求也開始顯著提升，因而光纖接入市場高景氣預(yù)計延續(xù)。

▲國內(nèi)千兆用戶滲透率情況（單位：萬戶） 除了光纖接入領(lǐng)域，電信市場的核心波分領(lǐng)域（CWDM/DWDM）預(yù)計也將保持高景氣。根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2020 年全球電信側(cè)光模塊市場無線前傳、（中）回傳和核心波分（CWDM/DWDM）對應(yīng)的規(guī)模分別為 8.21 億美元、2.61 億美元、10.84 億美元。 Lightcounting 預(yù)測，2025 年，無線前傳光模塊市場由于 5G 建設(shè)回落，市場規(guī)模將降至 5.88 億美元，（中）回傳光模塊市場整體平穩(wěn)，小幅降至 2.48 億美元。增長將主要來源于核心波分領(lǐng)域的高速增長，2025 年 達 25.18 億美元，2020~2025 年的年復(fù)合增速達 18.4%。

▲全球電信側(cè)光模塊市場規(guī)模及預(yù)測（單位，百萬美元，不包括 FTTx） 光通信領(lǐng)域激光器芯片當(dāng)前全球整體市場規(guī)模預(yù)計超 10 億美元。源杰科技《首次公開發(fā)行股票并在科創(chuàng)板上市申請文件的第二輪審核問詢函的回復(fù)》中，基于下列前提條件及假設(shè)進行了粗略測算。根據(jù)測算結(jié)果，2021 年光通信領(lǐng)域激光器芯片和探測器芯片的合計市場規(guī)模約 22.7 億美元。 考慮到激光器芯片價格大致與探測器芯片價格較為相近，因而 2021 年光通信領(lǐng)域激光器芯片大致的市場規(guī)模約 11.4 億美元。根據(jù)以上測算同時可以發(fā)現(xiàn)，用于中低速率（10G 及以下速率）光模塊的激光器芯片市場規(guī)模約 3.0 億美元，小于用于高速率光模塊里的激光器芯片市場規(guī)模億 8.3 億美元。

▲光通信領(lǐng)域光芯片（激光器芯片+探測器芯片）市場規(guī)模測算（單位：億美元） 展望未來，根據(jù) Lightcounting 預(yù)測，2022 年全球光模塊行業(yè)整體增速 17%，同時 2022~2027 年的年復(fù)合增速為 12%，因此 2021~2027 年全球光模塊行業(yè)的年復(fù)合增速為 12.8%。 粗略假設(shè)上游光通信領(lǐng)域激光器芯片行業(yè)保持同樣增速，則 2027 年光通信領(lǐng)域激光器芯片市場規(guī)模約為 23.5 億美元?？紤]到當(dāng)前國內(nèi)廠商激光器芯片業(yè)務(wù)規(guī)模多在千萬級或剛剛過億級，國內(nèi)廠商整體成長空間廣闊。 03.國產(chǎn)替代動力十足高端產(chǎn)品替代加速啟動從產(chǎn)業(yè)鏈來看，光通信產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化替代加速從下游向上游傳導(dǎo)，上游芯片作為“卡脖子”環(huán)節(jié)亟待國產(chǎn)替代的進一步深入。下游以華為、中興為代表的設(shè)備商已是行業(yè)領(lǐng)軍者，而光模塊領(lǐng)域在過去十年依托工程師紅利、勞動力紅利、供應(yīng)鏈優(yōu)勢等因素也快速完成了國產(chǎn)化替代。 根據(jù) Lightcounting 的統(tǒng)計，2010 年僅一家國內(nèi)廠商躋身前十之列，到了 2021 年，前十大之中國內(nèi)廠商已占據(jù)半壁江山。與之相較，海外光模塊廠商在人力成本、供應(yīng)鏈完善程度逐漸處于劣勢，因而更多側(cè)重于高端光器件及門檻較高的上游光芯片等環(huán)節(jié)。光芯片而言，當(dāng)前高端產(chǎn)品仍是海外主導(dǎo)，國內(nèi)廠商的整體實力與海外龍頭仍有差距。

▲2010~2021 年全球光模塊前十大廠商排名 近年來相關(guān)政策頻出，國產(chǎn)替代迎來重要發(fā)展機遇。伴隨近年來中美貿(mào)易摩擦等因素影響，國家層面聚焦于加強光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)布局： 1) 2017 年 12 月，中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布了《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》，在分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了發(fā)展思路與發(fā)展目標(biāo)，并明確了光芯片領(lǐng)域的重點發(fā)展產(chǎn)品，為行業(yè)發(fā)展定下了重要基調(diào)，行業(yè)由此開啟迎來了重要發(fā)展期，國產(chǎn)替代開始全速推進。 2) 2021 年 3 月，工信部發(fā)布《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2021-2023 年》，對于光通信領(lǐng)域，強調(diào)了要重點發(fā)展高速光通信芯片、高速高精度光探測器、高速直調(diào)和外調(diào)制激光器、高速調(diào)制器芯片、高功率激光器、光傳輸用數(shù)字信號處理器芯片、高速驅(qū)動器和跨阻抗放大器芯片。 3) 2022 年 6 月，在《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》的基礎(chǔ)上，工信部進一步開啟編制《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2023-2027 年）》，行業(yè)預(yù)計將加速邁入下一個高速發(fā)展期。

▲近年來光芯片相關(guān)的部分重要政策 整體來看，從產(chǎn)品的角度，當(dāng)前 10G 及以下的中低端產(chǎn)品國產(chǎn)程度已經(jīng)較高，25G 已有少部分廠商能批量發(fā)貨，25G 以上處于研究或小規(guī)模試產(chǎn)階段，近年來頭部廠商在高端產(chǎn)品領(lǐng)域的進展加速明顯。從應(yīng)用領(lǐng)域的角度，當(dāng)前國內(nèi)廠商在電信市場的光纖接入和無線接入領(lǐng)域參與程度較高，同時在以中高端需求為主的數(shù)通市場也開始加速推進。 從外延能力角度，雖然國內(nèi)廠商激光器芯片核心的外延技術(shù)整體仍有較大提升空間，高端的外延片仍需要向國際外延廠采購，但同時也可以看到越來越多的光芯片廠商開始強化自身的外延能力，開始向 IDM 模式發(fā)展。因而，技術(shù)能力突出聚焦高端產(chǎn)品國產(chǎn)替代，具備自主外延設(shè)計和制備能力以 IDM 模式發(fā)展的國內(nèi)廠商競爭優(yōu)勢顯著有望迎來重要發(fā)展機遇，伴隨高端產(chǎn)品開啟國產(chǎn)替代&數(shù)通領(lǐng)域滲透啟動，有望充分打開未來成長空間。 首先，從產(chǎn)品角度，10G 及以下的中低端芯片國產(chǎn)替代持續(xù)深入，國產(chǎn)化程度已經(jīng)較高。國內(nèi)廠商基本掌握了 2.5G 和 10G 產(chǎn)品的核心技術(shù)，除了部分型號產(chǎn)品（如 10G EML 激光器芯片）國產(chǎn)化率相對較低，大部分產(chǎn)品已基本能實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。 具體來看，根據(jù) ICC 咨詢的統(tǒng)計，1）中低端的 2.5G 及以下 DFB/FP：基本全由國內(nèi)廠商主導(dǎo)，市場份額相對分散整體競爭激烈，國外廠商出于成本等因素的考慮已基本退出了相關(guān)市場，2021 年國產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品占全球市場比重超 90%；2）10G DFB：國內(nèi)廠商同樣份額居前，2020 年源杰科技以 20%的市占率居首，云嶺光電/中電 13 所/中科光芯分居 3~5 位，國產(chǎn)占全球市場比重約 60%。 從高端的激光器芯片（如 25G DFB，10G/25G/50G EML 等）情況來看,雖 然根據(jù) ICC 統(tǒng)計，2020 年，25G 光芯片的國產(chǎn)化率約 20%，25G 以上光芯片的國產(chǎn)化率仍較低約 5%。但可以明顯看到，近年來技術(shù)實力相對強勁的國內(nèi)頭部廠商進展明顯迅速，用于 5G 前傳的 25G DFB、用于光纖接入的 10G EML 國產(chǎn)替代進程加速度明顯，同時 50G EML 也開始推進。 光芯片位于整個產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，占據(jù)光模塊成本的50%以上，是整個光通訊產(chǎn)業(yè)鏈條中技術(shù)最復(fù)雜、價值最高的環(huán)節(jié)。隨著摩爾定律腳步的放緩，探索新的技術(shù)已經(jīng)成為目前半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵任務(wù)。將光子和集成電路的電子結(jié)合在一起，甚至是用光子替代電子形成“片上光互聯(lián)”，以實現(xiàn)對現(xiàn)有光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的重塑，正成為半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)個“顛覆式創(chuàng)新”中的重要方向之一。