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眾人看好的光芯片，國產有什么機會？
2022-11-07
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早在1979年，我國科學家錢學森就看好光子學，并圍繞光子學提出了光子工業的概念，而到現在很多設想依然沒有實現，許多價值還有待挖掘。[1]
如今，光芯片代表的光子學正與電子學引發一場科學革命，芯片從電到光，將是我國實現趕超的戰略機遇[2]。光子革命已至，但若要光為人所用，其實也沒有想象中那樣容易。
本文是“國產替代”系列的第十四篇，關注光芯片國產替代。在本文中，你將了解到：光芯片到底是什么，國產發展情況究竟如何，光芯片的未來。
付斌丨作者
李拓、劉冬宇丨編輯
果殼硬科技丨策劃
現代大多數芯片的本質，就是將環境信號轉換為可精細操控的電信號，或將處理過的電信號轉換為環境信號的一個過程（如用電產生電熱或用洛倫茲力產生磁場）。同理，光也可轉化為電信號。實現光電信號相互轉換的核心器件，就是光芯片。沒有它，我們就無法與光交流。
光芯片早已深入每個人生活之中。你我都知道，家用電腦若要連接網絡，都要安裝光纖和“光貓”，讓這套系統正常運作的功臣，就是光芯片。
為什么一定是光芯片？
這是因為光子作為信息載體具有先天的優勢，可以實現幾十Tb/s的信息傳輸速率，實現低交換延遲和高傳輸帶寬，實現多路同時通信，同時擁有超低功耗的表現[2]。研究顯示，光基設備中的數據以光速移動，相比普通電子電路，移動速度快10倍。[3]
雖然光芯片是天賦型選手，但要在系統中發揮作用，還是離不開電芯片。二者與PCB、結構件、套管進一步構成光器件，并以此為基礎加工為光模塊實現最終功能，最終應用于市場。
光芯片在產業鏈中的位置[4]
目前，光芯片的技術概念有多重含義，包括光通信、光計算、光量子等，應用廣泛分布在工業、消費、汽車、醫療等領域。但它的典型應用場景仍然是光通信，也是最核心的應用領域。
光通信指以光纖為載體傳輸光信號的大容量數據傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質實現對光的控制。
在光通信產業鏈中，光芯片是最核心的部分，一般分為2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各種調制速率，速率越快對應的光模塊在單位時間內傳輸的信號量就越大。
與此同時，光芯片也是光模塊物料成本結構中占比最大的部分。通常而言，光芯片約占中端光模塊物料成本的40%，一些高端光模塊中它的物料成本甚至能占到50%以上[5]，反觀電芯片的成本通常占比為10%~30%，越高速、高端的光模塊電芯片成本占比越高。[6]
光芯片在光通信系統中應用位置[4]
按功能，光芯片主要分為激光器芯片和探測器芯片兩類。激光器芯片用于發射信號，將電信號轉化為光信號，按出光結構進一步分為面發射芯片和邊發射芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探測器芯片用于接收信號，將光信號轉化為電信號，主要包括PIN和APD。
對光芯片來說，市場最大的訴求是高速率和高帶寬。自上世紀60年代開始，光芯片就在材料、結構設計、組件集成和生產工藝方面不斷改進。目前EML激光器芯片大規模商用最高速率已達100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大規模商用最高速率已達50Gb/s，與此同時，這些改變也讓光芯片擁有向更廣闊應用領域發展提供底氣，諸如車載激光雷達、醫療等。[4]
不同光芯片的特性和應用場景[4]
光芯片的生產制造是難點。生產工序依序為MOCVD外延生長、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等。其中，外延工藝是光芯片生產中最主要和最高技術門檻的環節，工藝水平直接決定了成本的性能指標和可靠性。一款優秀的光芯片背后，是高昂的投入、極長的研發周期、較大的研發風險以及極快的技術更新速度。
由于光芯片處在產業鏈上游，會牽扯出復雜的原材料問題。其本身一般由化合物半導體所制造，主要以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的III-V族材料為襯底，通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收，進而實現光電信號相互轉換。除此之外，制造過程中還會用到電子特氣、光刻膠、濕電子化學品等原材料。
光芯片的主要分類[4]
光芯片作為上游元件，市場主要受下游光模塊拉動。據國信證券測算，以光模塊行業平均25%的毛利率及Light Counting對光模塊全球超150億美元的市場規模預測估算，2021年光芯片全球市場規模約為35億美元，預計2025年可達60億美元。[7]
光通信產業鏈及市場規模[7]
隨著數據量需求爆炸式增長，人們對光芯片的速率要求越來越高，而學術界和工業界則將目光放到了硅光芯片上。
展望未來3年，硅光芯片（或光電融合）將是光通信的一大趨勢，它將支撐大型數據中心的高速信息傳輸。目前，硅光芯片技術研究由美國、歐洲和日本引領，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列產品占據全球相干光模塊市場約30%以上。[8]
顧名思義，硅光芯片就是在硅光子和硅電子芯片上取長補短，發揮二者優勢。這一概念早在40年前就已誕生，但硅基發光一直是巨大難題，因此一般是以硅材料為基底，引入多種材料實現發光[9]，分為SOI（絕緣體上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅襯底上鈮酸鋰薄膜四種制造平臺。[10]
復雜的材料學問題引發更多技術難題，諸如硅光耦合工藝、晶圓自動測試及切割、硅光芯片的設計工具等技術挑戰。另外，受制于產業鏈、工藝水平限制，硅光芯片還沒有在產能、成本、良率上凸顯優勢。不過，硅光芯片的顛覆性引發了研究熱潮，技術日趨成熟，即將進入規模化商用階段。[11]
硅光芯片的作用遠不至此，它具有高運算速度、低功耗、低時延等特點，在制造工藝上，與微電子器件類似，但又不必追求工藝尺寸的極限縮小，也許是幫助人們突破摩爾定律天花板的關鍵[12]。更重要的是，做好它就相當于打通光子工業的關節。科學家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息，其中光計算就是重要先進領域之一。光通信的光電轉換技術可以應用在光計算中，而光計算所要求的低損耗、高密度光子集成也會進一步促進光通信發展。未來5年~10年，以硅光芯片為基礎的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場景。[13]
據Yole預測，從2020年到2026年，硅光芯片的全球市場規模將從8700萬美元升至11億美元。其中，消費者健康、數據中心、光子計算、共封裝引擎、長距離收發器將是主要細分市場。[14]
硅光領域近年并購動作頻繁[15]
理想是豐滿的，想要走那么遠，還是要腳踏實地，先做好現有的光通信芯片。
歐美日在光芯片上技術起步早、積累多，是市場的主導者。這些國家的研究機構和先進企業通過不斷積累核心技術和生產工藝，逐步實現產業閉環，建立起了極高的行業壁壘。
反觀國內則起步較晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴重依賴進口，與國外產業領先水平存在明顯差距。數據顯示，我國2.5Gb/s光通信芯片國產化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國產化率卻不超過5%，非常依賴Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
與此同時，雖然光芯片國產商普遍擁有晶圓外延環節以外的后端加工能力，但核心的外延技術并不成熟，高端的外延片需要進口，大大限制了高端光芯片發展。
光芯片市場主要參與者[17]
2017年，中國電子元件行業協會發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022 年）》中指出，我國廠商只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探測器、調制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工藝和配套IC的設計、封測能力，高端芯片能力比國際落后1~2代以上，且缺乏完整、穩定的光芯片加工平臺和人才，導致芯片研發周期長、效率低，逐漸與國外的差距拉大。彼時明確了重點是25Gb/s及以上速率激光器和探測器芯片。[18]
2017年光收發模塊及光芯片、電芯片國產化率測算[18]
到了2022年，國產高端光芯片有明顯突破，但依舊大幅落后于國際巨頭。而關鍵的25Gb/s激光器和探測器芯片方面，源杰科技、武漢敏芯、云嶺光電、光迅科技等企業開始量產，不過整體銷售規模仍然較小。以源杰科技為例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列產品出貨量在國內同類產品中已名列前茅，但其2022年上半年銷售額僅為4100萬元。[19]
對國產光芯片追逐者來說，分工模式是關鍵。芯片行業分為Fabless（設計公司）和IDM（設計、制造、封裝全流程）兩種模式，其中IDM模式是主導光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圓外延技術；另一方面，由于采用III-V族半導體材料，因此要求光芯片設計與晶圓制造環節相互反饋驗證。
不同分工模式的區別[20]
縱覽市場，國產光芯片典型玩家均選擇了IDM模式，如仕佳光子、長光華芯、源杰科技。一方面，IDM能夠及時響應市場需求，靈活調整產品生產過程中各種工藝參數；另一方面，能夠高效排查問題，精準觸達產品設計、生產、測試環節問題；另外，IDM模式形成了完整的閉環流程，不僅全部自主可控，同時能夠有效保護知識產權。[21]
國產光芯片典型玩家情況，制表丨果殼硬科技
參考丨公司招股書
近兩年，光芯片在投融資界也熱鬧異常。據果殼硬科技統計，25Gb/s及以上高速率光芯片、車用激光雷達芯片和硅光電子（光電融合）是最為熱門和吸金的賽道，也是商業化較近的項目。另一些項目則更聚焦在未來，如光計算、光量子，這些項目商業化進程動輒十年、二十年，非常具有前瞻性。
近期國產光芯片融資不完全統計，制表丨果殼硬科技
掌握先進的光芯片技術，是各國爭相競逐的關鍵。以美國為例，不僅在政策上不斷傾斜，以IBM、Intel為代表的工業巨頭、以MIT、UCSB為代表的學術界領軍機構都在不遺余力地發展大規模光子集成芯片。另外，歐盟的“地平線 2020”計劃和日本的“先端研究開發計劃”中也涉及光電子集成研究項目。[22]
種種動作，預示著一場以光為核心的科技革命，正在醞釀之中。
中科創星創始合伙人米磊曾提出“米70定律”，即光學技術是推動科技產品進步的關鍵瓶頸技術，光學成本占未來所有科技產品成本的70％。[23]
縱觀歷史，科技革命的擴散周期大約為60年，集成電路從20世紀60年代誕生至今也已過去60年[2]，光芯片無疑是引領下一個60年的關鍵。當然，光子也并不是要完全替代掉電子，而是相互協同。
屬于光芯片的時代已經到來，但芯片行業一直殘酷地循環著優勝劣汰和洗牌，誰能追逐得更快，誰才會成功。
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