光芯片深度报道,下一代芯片革命性技术,国产替代动力十足 核心东西方内部参考

1、站在时代前沿,迎接下一轮科技革命

光芯片属于半导体领域,是光电器件的核心部件。 半导体整体上可以分为两类:分立器件和集成电路。 数字芯片、模拟芯片等电学芯片属于集成电路,而光学芯片则属于分立器件范畴,是光电器件的核心部件。 典型的光电器件包括激光器、探测器等。

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▲光芯片是光电器件的核心部件

光芯片作为激光器/探测器等光电器件的核心部件,是现代光通信系统的核心。 现代光通信系统是以光信号为信息载体,以光纤为传输介质,通过电光转换利用光信号来传输信息的系统。 从传输信号的过程来看,首先发送端通过激光器中的光芯片进行电光转换,将电信号转换为光信号,通过光纤传输到接收端。 接收端通过探测器内的光学芯片进行光电转换。 光信号被转换成电信号。 其中,核心的光电转换功能是由激光器和探测器中的光学芯片(激光芯片/探测器芯片)实现的。 光芯片直接决定信息的传输速度和可靠性。

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▲光通信系统示意图

光芯片的应用场景远不仅限于通信领域。 广义的光芯片广泛应用于工业、消费电子、汽车、军事等领域。 光子目前走在时代前沿,有望引领后摩尔时代的技术革命。 未来的时代可能是光子大规模取代电子的时代,光网络传输有望成为人类信息文明最重要的基础设施。

光芯片只是光电子产业上游的一小部分。 从整个光子行业宏观来看,根据Photonics21发布的《2020年市场数据及行业报告》显示:2015年以来,全球市场规模以每年7%的速度增长。 其中,2019年全球市场规模达到6900亿欧元,预计2025年将进一步增至9000亿欧元。

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▲全球光电子产业市场规模快速发展

从更具体的应用场景来看,以通过电子跃迁产生光子的激光芯片为例,其应用场景涵盖了方方面面。 根据产生光子的目的,大致可分为能量光子、信息光子和显示光子。 能量光子的应用场景包括光纤激光器、医疗美容等;信息光子的应用场景包括通信、自动驾驶、手机人脸识别、军工等;显示光子的典型应用场景包括激光照明、激光电视、汽车灯等。

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▲光子的不同应用场景

光通信是光芯片的核心应用领域之一。 光通信领域的光芯片可分为有源和无源两大类,并可根据功能等维度进一步细分。 根据有源芯片的功能,可分为发射光信号的激光器芯片、接收光信号的探测器芯片和调制光信号的调制器芯片。 无源芯片方面,主要由基于平面光波导技术控制光传输的PLC光分路器芯片、AWG芯片、VOA芯片等组成。 综合来看,激光芯片和探测器芯片是光学芯片中应用最广泛、最核心的两种类型。

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▲激光/探测器芯片在光通信领域的应用场景是光模块

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▲光通信领域激光芯片和探测器芯片的特点及应用场景

激光芯片还可进一步分类,例如1)根据光输出结构可分为面发射VCSEL(垂直腔表面反射激光器)芯片,以及边发射FP(法布里-珀罗激光器)和DFB(分布式反馈激光)芯片。 )和EML(电吸收调制激光)芯片; 2)按照调制方式可分为直接调制激光DML(包括VCSEL、FP、DFB)芯片和电吸收调制激光EML芯片(集成EAM调制器和DFB芯片);3)从距离角度看,FP和VCSEL芯片适用于短距离场景,DFB芯片多用于中距离场景,EML芯片主要用于长距离场景。

从工作原理来看,激光芯片的核心采用一定的激发方式(如向芯片核心的量子阱区域注入电流),利用半导体材料通过能带之间的跃迁来发光,并且激发光子,并在光波导和光学镀膜的解理端面(利用半导体晶体的解理面形成两个平行的镜面作为反射面,形成谐振腔)进行振荡和反馈。 最后,辐射被放大,形成相位和方向高度一致的光子,即激光发射。 上述过程需要满足三个条件。

探测器芯片的种类也很多。 原理上,它们是基于光电效应(可分为内光电效应和外光电效应)。 通信领域的探测器根据内部光电效应可以分为光伏探测器。 根据放大与否,又可进一步分为非放大PIN(二极管检波器)和包含放大的APD(雪崩二极管检波器)两种。 前者灵敏度较低,但噪声低、工作电压低、成本低。 适用于中短距离光通信传输。 APD在灵敏度和接收距离方面优于PIN,但成本高于PIN。 PIN的工作过程分为两个步骤。 首先,该材料在入射光照射下产生光生载流子。 其次,光电流与外围电路相互作用并输出电信号。 与PIN相比,APD比PIN探测器具有额外的雪崩倍增区域。 添加较高的反向偏压后,利用雪崩击穿效应,APD可以获得较大的内部电流增益。 这导致更高的灵敏度和其他优点。

2、数据通信&电信领域两轮驱动,光芯片增长空间巨大

激光芯片广泛应用于数据通信市场和电信市场。 在数据通信市场,它们用于数据中心内的相关光模块和数据中心互连(DCI)场景。 在电信市场,它们应用于接入网(光纤接入、无线接入中的相关光模块)和传输网场景。 激光芯片在不同的应用场景下也有所不同。 一般来说,

数据通信市场:短距离(100m以下)AOC/SR光模块主要采用VCSEL芯片,DR/FR/PSM/CWDM等光模块在500m~2km应用场景主要采用DFB或EML芯片,10km/40km/ 80km等长距离应用场景的LR/ER等光模块主要采用EML芯片。

电信市场:光纤接入PON光模块主要为DFB和EML芯片,无线接入前传光模块主要为DFB芯片,长距离传输场景传输网络使用的光模块主要为EML芯片。

目前数据通信领域的前景很高,并且预计将持续下去。 北美云巨头的CAPEX是数据通信领域景气的风向标。 总体而言,资本支出增长显着。 同时,由于云巨头的阶段性去库存以及IDC建设的步伐,CAPEX也将呈现一定的波动。 近期来看,CAPEX自21年初以来持续呈上升趋势。根据22Q2数据,亚马逊/Meta/微软/谷歌合计CAPEX为370亿美元,同比增长19.9% %,环比增长4.2%。 从全年指引来看,亚马逊预计AWS相关基础设施投资比例将从2021年的40%左右增加到一半以上。 Meta小幅上调指导下限(从之前的29美元~340亿美元调整为300~340亿美元),谷歌预计全年CAPEX将同比增加。 同时也可以看出,虽然宏观经济压力、美元走强等因素对北美云巨头传统业务造成一定影响,但各公司的云业务依然是核心增长引擎。 亚马逊AWS/微软Azure/谷歌云连续多个季度保持领先地位。 同比增长至少30%。

综合来看,中短期内数据通信领域的景气度将持续上升。 从中长期来看,未来,随着5G相关应用的加速,云计算、物联网等领域的进一步发展,以及元界布局的加速,都将推动5G相关应用的加速发展。算力需求和数据流量加速增长。 各大云计算巨头基础设施投资预计仍将保持高位。 我们认为,新一轮的数据流量投资浪潮已经开始,数据通信市场已进入3至5年的景气周期。

从行业层面来看,根据Lightcounting的统计,由于2020年和2021年的COVID-19疫情,人们开始转向在家工作,因此对更快、更可靠的网络的需求变得更加强烈。 因此,尽管供应链短缺的情况持续存在,但行业在很大程度上能够克服这些问题。 光模块行业在2020年和2021年实现了17%和9%的增长,Lightcounting预测2022年有望再次实现17%的收入增长。 从中长期来看,Lightcounting上调了2022年至2027年的整体预期,预计2022年至2027年整体光模块行业年复合增长率将达到12%。其中,以太网光模块数据中心内使用的光模块和可用于数据通信中心互连的DWDM光模块预计将在2022年至2027年期间引领增长。

从部分领先的数通光模块厂商的表现来看,2020年光模块行业将迎来100G到400G迭代带来的需求增量。高端数通光模块龙头中际旭创、新进先发优势显着。 突破海外数据通信主要客户的信易盛,业绩大幅增长。 2022年上半年,得益于客户加速部署200G/400G等高端光模块,光模块厂商继续保持高增速。 22H1,中际旭创实现营业收入42.31亿元,同比增长28.3%,归属母公司净利润4.92亿元,同比增长44.5%。 新亿盛22H1实现营业收入14.79亿元,同比增长2.6%,归属母公司净利润4.61亿元,同比增长42.8%。 另一方面,年底800G需求有望增加,数通光模块行业即将进入400至800G迭代期,整体高景气期有望持续。

从电信市场来看,光纤接入光模块整体保持稳定增长。 据LightCounting统计,2020年全球FTTx光模块市场出货量约为6289万台,市场规模为4.73亿美元。 Lightcounting预计,到2025年全球出货量将达到9208万台,市场规模为6.31亿美元。 2020年至2025年复合年增长率分别为7.9%和5.9%。

国内千兆宽带建设的加速,助力具有千兆网络服务能力的10G PON光模块市场持续蓬勃发展。 随着光纤到户向千兆接入演进,光纤接入光模块从GPON升级到10G PON。 2020年以来,国内电信运营商加快千兆宽带网络建设,全面提前完成政策目标,带动10G PON光模块市场持续火热。 从工信部2022年6月公布的数据来看,千兆宽带用户数已达6111万户,具备千兆网络服务能力的10G PON端口数达1103万个。 与《千兆网络协同发展行动计划(2021-2023年)》和《信息通信产业发展“十四五”规划》中的目标相比,2023年目标提前实现,2025年千兆宽带用户目标也已达到。 提前实现了目标。

随着10G PON需求的旺盛,国内主要厂商的业绩也出现加速增长,从而带动10G PON相关激光芯片的需求持续上升。 国内主要10G PON厂商包括博创科技、中际旭创、华工科技、光讯科技等。以龙头公司博创科技为例,随着10GPON需求旺盛,2020年公司光有源器件营收大幅增长,从2019年的1.81亿元增至2020年的5.13亿元。2021年,公司10G ComboPONOLT局端光模块出货量突破100万片。 从激光芯片龙头元杰科技2.5G/10G激光芯片总营收来看,从2019年的8100万元增长到2021年的1.96亿元,年复合增长率高达55.9%。

除了10G PON局端光模块(OLT)的持续普及之外,当前运营商对10G PON终端光模块(ONU)的需求也开始增加。 展望未来,考虑到目前国内千兆宽带用户渗透率刚刚超过10%,且随着用户基数不断增加,10G PON终端光模块的空间非常大。 另一方面,从国外情况来看,欧美光纤到户整体渗透率较低,目前正处于快速增长期。 尤其是疫情背景下,家庭宽带需求更高。 欧美运营商对10G PON非常感兴趣。 光纤光缆的需求也开始大幅增长,光纤接入市场的高景气度有望持续。

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▲国内千兆用户渗透率(单位:万户)

除光纤接入领域外,电信市场的核心波分领域(CWDM/DWDM)也有望保持高景气度。 据Lightcounting统计,2020年全球电信侧光模块市场无线前传、(中)回传和核心波分(CWDM/DWDM)对应规模分别为8.21亿美元、2.61亿美元和10.84亿美元。 Lightcounting预测,2025年,由于5G建设下降,无线前传光模块市场将下降至5.88亿美元,而(中)回传光模块市场将整体稳定,小幅下降至2.48亿美元。 增长将主要来自核心波分领域的快速增长,2025年将达到25.18亿美元,2020年至2025年复合年增长率为18.4%。

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▲全球电信侧光模块市场规模及预测(单位,百万美元,不含FTTx)

目前全球光通信领域激光芯片整体市场规模预计将超过10亿美元。 源杰科技《关于首次公开发行股票并科创板上市申请文件第二轮审核问询函的回复》基于以下前提和假设进行了粗略测算。 根据测算结果,2021年光通信领域激光芯片和探测器芯片总市场规模约为22.7亿美元。 考虑到激光芯片的价格与探测器芯片大致相似,2021年光通信领域激光芯片的市场规模大致约为11.4亿美元。 根据上述计算还可以发现,中低速光模块(10G及以下)所用激光芯片的市场规模约为3亿美元,小于所用激光芯片的市场规模。高速光模块8.3亿美元。

▲光通信领域光芯片(激光器芯片+探测器芯片)市场规模预估(单位:亿美元)

展望未来,根据Lightcounting预测,2022年全球光模块行业整体增速为17%,2022-2027年复合年增长率为12%。 因此,2021-2027年全球光模块行业年复合增长率将为12.8%。 。 粗略假设上游光通信领域激光芯片产业保持同样增速,2027年光通信领域激光芯片市场规模约为23.5亿美元。 考虑到目前国内厂商激光芯片业务规模大多在千万或过亿,国内厂商整体增长空间广阔。

3、国产替代动力十足,高端产品替代加速。

从产业链来看,光通信产业链的国产替代正在从下游向上游加速。 上游芯片作为“卡壳”环节,亟待进一步深化国产替代。 以华为、中兴为代表的下游设备商已经是行业领先者,光模块领域依靠工程师奖金、劳动力奖金、供应链优势等因素,在过去十年快速完成国产化替代。 据Lightcounting统计,2010年,国内厂商仅有一家跻身前十,而到2021年,国内厂商已占据前十的一半。 相比之下,海外光模块厂商在劳动力成本、供应链完善度等方面逐渐处于劣势,因此更加关注门槛较高的高端光器件和上游光芯片。 就光芯片而言,目前高端产品仍以海外为主,国内厂商整体实力仍落后于海外龙头。

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▲2010-2021年全球十大光模块厂商排名

近年来,相关政策频频出台,国产替代迎来重要发展机遇。 近年来,随着中美贸易摩擦等因素的影响,国家层面重点加强光电科技产业布局:

1)2017年12月,中国电子元件行业协会发布《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》。 在分析行业发展现状的基础上,提出了发展思路和发展目标,明确了光芯片领域重点发展产品,为行业发展定下了重要基调。 这使得行业迎来了重要的发展时期,国产替代开始全速推进。

2)2021年3月,工业和信息化部发布《基础电子元件产业发展行动计划(2021-2023年)》。 对于光通信领域,强调要重点发展高速光通信芯片、高速高精度光探测器、高速直调和外调制激光器、高速调制器芯片、高功率激光器、用于光传输的数字信号处理器芯片、高速驱动器和跨阻放大器芯片。

3)2022年6月,在《中国光电器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》的基础上,工业和信息化部进一步启动编制《中国光电器件产业技术发展路线图(2023-2027年)》 ,行业有望加速进入下一个高速发展期。

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▲近年来与光芯片相关的一些重要政策

总体来看,从产品角度来看,目前国内10G及以下中低端产品的生产水平已经较高。 少数25G厂商能够批量出货。 25G及以上处于研究或小规模试产阶段。 近年来,领先厂商在高端产品领域的进步明显加快。 从应用领域来看,国内厂商目前高度涉足电信市场的光纤接入和无线接入领域。 与此同时,他们在以中高端需求为主的数据通信市场也开始加速。 从外延能力来看,虽然国内厂商激光芯片的核心外延技术还有很大的提升空间,高端外延片仍需要向国际外延厂采购,但我们也可以看到,越来越多的光芯片厂商开始强化自己的能力。 自身的扩展能力已经开始向IDM模式发展。 因此,技术能力重点关注高端产品的国产替代。 国内具有自主外延设计和制备能力并在IDM模式上发展的厂商具有显着的竞争优势,有望迎来重要的发展机遇。 随着高端产品国产替代的开始以及在数据通信领域的开始渗透,有望全面打开未来增长空间。

首先,从产品角度看,10G及以下中低端芯片国产替代持续深化,国产化程度已经较高。 国内厂商已基本掌握2.5G和10G产品的核心技术。 除部分型号产品(如10G EML激光芯片)国产化率较低外,大部分产品已基本能够实现国产替代。 具体来说,据ICC咨询统计,1)中低端2.5G及以下DFB/FP:基本由国内厂商主导,市场份额相对分散,整体竞争激烈。 由于成本等因素,国外厂商基本占领了市场。 退出相关市场,2021年国产相关产品占全球市场90%以上; 2)10G DFB:国内厂商份额也最大。 2020年,元杰科技以20%的市场份额排名第一,云岭光电/中电十三/中科光芯分别排名第3至第5位,国产产品约占全球市场的60%。

从高端激光芯片(如25G DFB、10G/25G/50G EML等)的情况来看,虽然根据ICC统计,2020年25G光芯片国产化率在20%左右,但国产化率在20%左右。 25G及以上光芯片仍低5%左右。 但可以明显看到,技术能力相对较强的国内领先厂商近年来进步很快。 5G前传25G DFB和光纤接入10G EML的国内替代进程明显加快。 与此同时,50G EML也开始推进。

信熙认为,光芯片处于整个产业链的顶端,占光模块成本的50%以上,是整个光通信产业链中技术最复杂、价值最高的环节。 随着摩尔定律放缓,探索新技术成为当前半导体领域的重点任务。 将光子与集成电路电子相结合,甚至以光子替代电子,形成“片上光互连”,重塑现有光模块产业链,正在成为半导体行业的几项“颠覆性创新”之一。 重要方向之一。