敬请参阅最后一页特别声明 1 数据量的指数级增长使得光通信技术逐渐 崛起，光芯片 成为 现代光通信的 核心元件，能够实现光信号与电信号之间的 转换，并与 其他 电子 元器 件以 及光 器件 共同 组成 光模 块，最终应用于电信市场、数据中心等领域。光芯 片包 括激光器芯片与探测器芯片，激光器芯片技术壁垒较高，依照结构不同又可分为 VCSEL、FP、DFB、EML 等不同种类。全球范围内光芯片厂商多采用 IDM 模式，主要 原因 系 1）光器件遵循特色工艺，价值 量的提升不完全依靠制程的提升，更需要 工艺平台实现光器件的特色功能，核 心竞 争力 在 工艺的成熟度和稳定性，工艺 平台的多样性。2）光芯片制造的核心环节为外延和光栅，高速率光芯片 有源区量子阱的层数较中低速率激光器芯片增加超过 50%，需要 对 量子阱实现埃米级（0.1nm）的精度控制。其次，高速率光芯片的光栅升级为 变相非等周期布拉格光栅，需使用更高精度和更先进的电子束光栅系统，以达到 纳米级 精度。光芯片下游直接客户为光模块厂商，光模块与光芯片的国产化率出现明显的 差距。根据 Lightcounting 和 ICC 的数据，2022 年全球光模块 份额 前十的厂商中有 7 家中国厂商，而 25G 光芯片的国产化率 为 20%，25G 以上 光 芯片的国产化率仅 5%。在海外数通市场向 800G 迭代以及国内数通市场向 400G 迭代的技术升级背景下，叠加 国内 光模块厂商的高市占率，国内的光芯片厂商有望加速国产替代 进程。光芯片下游市场主要包括数通市场、光纤 接入 市场和移动通信市场。数通市场：人工智能加速算力需求爆发，带动光模块向高速率和新技术趋势演进。1）当下海量大模型训 练与推理都在云数据中心完成，带动 数据中心与各 类网络基础的加速建设，根据 Synergy Research Group 的数据，2024 年全球超大型数据中心数量将超 过 1000 个。2）英伟达 AI 数据中心采用与叶脊式相近的胖树（fat-tree）网络架构，相比于传统数据中心的带宽逐层收敛，英伟 达 AI数据中心无阻塞网络对于高速率光模块有更高的需求。3）海 外云 厂商 的光 模块 新一 轮升 级周 期逐 渐开 启，海外 超大数据中心的交换机互联速率逐步由 400G 向 800G 升级，产品迭代推动 800G 光模块与高速率光芯片高景气周期 来临。业内已有多款 800G 交换机和交换芯片已量产发布，800G 光模块上量的基础条件已具备。4）基于 磷化铟（EML）和砷化镓（VCSEL）衬底光芯片的可插拔光模块仍是业界主流，LPO、CPO、硅光、薄膜铌酸锂等新技术持续 演进。光纤接入：“宽带中国”推动光纤网络建设，高速宽带开启 10G PON 升级拉动光芯片需求。FTTx 光纤接入是全球光模块用量最多的场景之一，而我国是 FTTx 市场的主要推动者。截至 22 年底，我国 1000Mbps 及以 上接 入速率用户占比仅 15.6%，10G PON 端口数量达到 1523 万个，同比 几乎翻倍。在全面部署千兆光纤网络 的政策推动下，10G-PON 作为 千兆光纤网络 的核心技术，仍有较大向上空间。海外光纤建设仍有较大潜力，截至 22 年 9 月，欧洲仅有 8 个国家的 FTTH/B 的渗透率超过了 50%。移动通讯：国内 5G 建设继续稳步推进，2023 年新建 5G 基站 60 万个。海外 5G 建设持续加速，北美地区已进入第二波扩建潮，东南亚和大洋洲的 5G 建设也正在 快速 增长。按应用场景可 分为前传、中回传光模块，前传光 模块速率需达到 25G，中回传光模块速率则需达到 50G/100G/200G/400G，带 动 25G 甚至更高速率光芯 片的 市场 需求。重点推荐：中际旭创、源杰科技、新易盛、天孚通信、光库科技 海外市场陷入衰退；人工智能终端应用落地不如预期；美国加大对华制裁力度；下游需求不及预期。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 内容目录 一、现代光通信核心组件，国产替代空间广阔.6 1.1 光芯片系光通信核心元件，位于光通信产业链上游.6 1.2 特色工艺成光芯片核心竞争力，IDM 模式为行业主流.12 二、人工智能推动高算力需求，光芯片下游市场持续扩容.15 2.1 数通市场：人工智能加速算力需求爆发，带动光模块向高速率和新技术趋势演进.15 2.2“宽带中国”推动光纤网络建设，高速宽带开 启 10G PON 升级拉动光芯片需求.23 2.3 5G 基站全球建设持续推进，移动通信中后传国产空间广阔.26 三、A 股重点光芯片/光模块公司梳理.28 3.1 主线一：光芯片厂商.28 源杰科技：国产光芯片领先厂商，数通和电信市场双轮驱动.28 长光华芯：国产激光芯片龙头，布局数据中心光芯片.30 仕佳光子：国产无源光器件龙头，无源+有源同步拓展.31 3.2 主线二：光模块及其他零组件厂商.33 中际旭创：全球光模块龙头厂商，800G 光模块加速公司发展.33 光迅科技：从光芯片到光模块的一体化布局厂商.34 新易盛：800G+硅光+LPO 全面布局，海外市场加速拓展.36 天孚通信：光器件平台型供应商，光引擎驱动长期发展.37 天通 股份：材料、装备协同发展，公司迈入发展快车道.38 光库科技：稀缺光器件供应商，前瞻布局薄膜铌酸锂赛道.40 富信科技：解决方案覆盖全产业链，高端 TEC 逐步国产替代.41 华工科技：校企改革赋予新生动能，业务布局多点开花.42 四、风险提示.43 图表目录 图表 1：光电子器件示意图.6 图表 2：2023 年全球光电子市场规模有望达 454 亿美元.6 图表 3：2025 年全球数据增量达 157 ZB.6 图表 4：2018 至 2024 年全球总数据流量将成长 4.5 倍.6 图表 5：光芯片在光通信中用于产生和接受光信号.7 图表 6：光芯片位于光通信产业链上游.7 图表 7：光模块结构示意图（SFP+封装）.8 图表 8：光芯片可分为激光器芯片和探测器芯片.8 图表 9：激光器分类.9 0YAZvMqNnOnMsMsRtOpQpO8ObP6MtRnNnPsRfQqQtMkPpPsR9PpPvNwMsOrMuOtPsP行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 3 图表 10：激光器芯片原理示意图.9 图表 11：边发射激光芯片（EEL，左）和面发射激光片（VCSEL，右）.10 图表 12：激光器芯片产品性能及应用场景.10 图表 13：PIN 型二极管示意图.11 图表 14：雪崩光电二极管示意图.11 图表 15：探测器芯片产品性能及应用场景.11 图表 16：三五族化合物半导体材料可以满足高频、发光、高功率、高电压等特殊应用场景.12 图表 17：IDM 与 Fabless 模式示意图.12 图表 18：海内外光电子期间厂商多采取 IDM 模式.12 图表 19：光芯片主要工艺流程图.13 图表 20：25G DFB 光芯片工艺流程图.13 图表 21：10G 晶圆高清晰透射电子显微镜图像（7 层量子阱）.13 图表 22：25G 晶圆高清晰透射电子显微镜图像（11 层量子阱）.13 图表 23：等周期光栅示意图.14 图表 24：变相非等周期光栅 示意图.14 图表 25：2020 年全球 磷化铟衬底材料竞争格局.14 图表 26：2022 年全球前十大模块厂商.15 图表 27：2021 年中国光芯片竞争格局.15 图表 28：2024 年全球超大规模数据中心 超 1000 个.15 图表 29：2025 年全球数据中心光模块市场 达 73 亿美元.15 图表 30：数据中心网络架构从三层式向叶脊式升级.16 图表 31：光模块相对机柜用量倍数.16 图表 32：胖树网络架构示意图.16 图表 33：英伟达 InfinBand 计算网络架构.17 图表 34：计算网络节点数量统计.17 图表 35：英伟达 DGX GH200 超级 AI 计算集群可使用全光架构.18 图表 36：数据中心交换芯片吞吐量演进趋势.18 图表 37：博通交换芯片线路图.18 图表 38：机柜内部、机柜间、数据中心间光模块方案.19 图表 39：数据中心光模块升级路径.19 图表 40：光通信主要技术路径示意图.19 图表 41：光通信主要技术路径对比.20 图表 42：使用博通 200G EML 的 1.6T 光模块示意图.20 图表 43：使用博通 100G VCSEL 的 1.6T 光模块示意图.20 图表 44：英特尔硅光光模块示意图.21 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 4 图表 45：2028 年硅光方案光模块的市场份额有望达 到 44%.21 图表 46：铌酸锂片上集成激光器示意图.22 图表 47：富士通 200G 薄膜铌酸锂调制器.22 图表 48：27 年 CPO 在 800G/1.6T 光模 块的 份额 达 30%.23 图表 49：光电共封装的封装形式及发展趋势.23 图表 50：“十四五”信息通信行业发展规划主要建设目标.23 图表 51：10G PON 解决方案示意图.24 图表 52：FTTx 解决方案示意图.24 图表 53：22 年中国固定互联网宽带各接入速率用户占比.24 图表 54：中国互联网宽带接入端口发展情况.24 图表 55：FTTx 光模块用量和市场规模预测.25 图表 56：2027 年 FTTx 光模块按地区销售额占比.25 图表 57：截至 2022 年 9 月欧洲主要国家 FTTH/B 渗透率（不含俄罗斯和白俄罗斯）.25 图表 58：源杰科技光纤接入激光器类型.26 图表 59：2021 年全 球 2.5G 及以下 DFB/FP 激光器芯片市场份额.26 图表 60：2021 年全 球 10G DFB 激光器芯片市场份额.26 图表 61：中国通信基站数量变化情况.27 图表 62：海外市场 5G 渗透率仍有较大提升空间.27 图表 63：全球 5G 基站数量变化情况.27 图表 64：2016-2025E 全球电信侧光模块市场规模.28 图表 65：移动通信市场主要激光器类型与供应商.28 图表 66：源杰科技发展历程.29 图表 67：2022 年源杰科技主要产品和财务摘要.29 图表 68：2018-2023Q1 源杰科技营业收入及增速.29 图表 69：2018-2023Q1 源杰科技净利润及增速.29 图表 70：2018-2023Q1 源杰科技毛利率和净利率.30 图表 71：长光华芯产品矩阵.30 图表 72：2018-2023Q1 长光华芯营业收入及增速.31 图表 73：2018-2023Q1 长光华芯净利润及增速.31 图表 74：2018-2023Q1 长光华芯毛利率及净利率.31 图表 75：仕佳光子产品矩阵.32 图表 76：2018-2023Q1 仕佳光子营业收入及增速.32 图表 77：2018-2023Q1 仕佳光子净利润及增速.32 图表 78：2018-2023Q1 仕佳光子毛利率及净利率.33 图表 79：2022 年全球前十大光模块厂商.33 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 5 图表 80：2018-2023Q1 中际旭创营业收入及增速.34 图表 81：2018-2023Q1 中际旭创净利润及增速.34 图表 82：2018-2023Q1 中际旭创毛利率及净利率.34 图表 83：光迅科技产品矩阵.35 图表 84：2018-2023Q1 光迅科技营业收入及增速.35 图表 85：2018-2023Q1 光迅科技净利润及增速.35 图表 86：2018-2023Q1 光迅科技毛利率及净利率.36 图表 87：2018-2023Q1 新易盛营业收入及增速.37 图表 88：2018-2023Q1 新易盛净利润及增速.37 图表 89：2018-2023Q1 新易盛毛利率及净利率.37 图表 90：2018-2023Q1 天孚通信营业收入及增速.38 图表 91：2018-2023Q1 天孚通信净利润及增速.38 图表 92：2018-2023Q1 天孚通信毛利率及净利率.38 图表 93：2016-2022 年天通股份营业收入及增速.39 图表 94：2016-2022 年天通股份毛利率.39 图表 95：天通股份 产品矩阵.40 图表 96：2018-2022 年公司营收结构及增速.41 图表 97：富信科技 2017-2021 年分产品营收增速.42 图表 98：富信科技 2017-2021 年分产品毛利率.42 图表 99：TEC 芯片散热系统.42 图表 100：富信 科技 主 要 TEC 产品型号.42 图表 101：2018-2022 年华工科技营收及增速.43 图表 102：2022 年第三季度华工正源发 布 800G 硅光模块.43 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 6 1.1 光 芯 片 系光 通信 核心 元件，位 于光 通信 产业 链上 游 光芯片是利用光电 转换效应制成的光电子器件。光电子器件包括发光二极管、激光器芯片、探测器芯片、光电耦合器等。在 数通、电信 等 终端 应用领域中，光芯片位于产业链上游，是光模块的核心元件，主要由激光器芯片和探测器芯片组成。光芯片是采用半导体芯片制造工 艺，以电 激励 源方 式，以半 导体 材料 为增 益介 质，将注 入电 流的 电能 激发，从而 实现谐振放大选模输出激光，实现电光转换。其增益介质与衬底主要为掺杂 III-V 族化合物的半导体材料，如 GaAs（砷化镓），InP（磷化铟）等。根 据 WSTS 的数据，2023 年全球光电子市场规模有望达到 454 亿美元，相较 2022 年的 438 亿成长 4%。图表1：光 电 子 器件 示意 图 图表2：2023 年 全 球光 电子 市场 规模 有望 达 454 亿美元 来源：源杰科技招股说明书，长光华芯招股说明书，国金证券研究所 来源：WSTS，国金证券研究所 受益于全球数据量快速增长，光通信逐渐崛起。在全球信息和数据互联快速成长的背景下，终端产生的数据量每隔几年就实现翻倍增长，纯电子信息的运算与传输能力的提升遇到瓶颈，光电 信息 技术 正在 崛起。在传 统的 通信 传输 领域，早期 通过 电缆 进行 信号 传输，但电传输 损耗 大、中继 距离 短、承载 数据 量小、信号 频率 提升 受限，而光 作为 载体 兼有 容量 大、成本 低等 优点，商用 传输 领域 已逐 步被 光通 信系 统替 代。随着 技术 发展 与成 熟，光电 信息技术应用逐步拓展到医疗、消费电子和汽车等新兴领域，为行业发展提供成长空间。根据应用材料的数据，机器所产生的数据量在 2018 年首次超越人类所创造的数据量。这么庞大的 数据 增量，不可 能用 人工 来处 理分 析，必须 建设 各种 具备 高速 运算 能力 的数 据中 心来过 滤、处理分析、训练及推理，这将持续带动各 类光芯片和光模块的需求。根据 Omdia的数据，2018 年至 2024 年全球固定网络和移动网络数据量将从 130 万 PB 增长至 576万 PB，18-24 年 CAGR 达 28.7%。图表3：2025 年 全 球数 据增 量达 157 ZB 图表4：2018 至 2024 年全球总数据流量将成长 4.5 倍 来源：应用材料，国金证券研究所 来源：Omdia，国金证券研究所 光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，光芯片实现电光转换，将信息以光信号的形式进行信息传输的系统。光通信传输过程中，发射端将电信号转换成激光信号，然后调制激光器发出的激光束，通过光纤传递，在接收端接收到激光信号后再将其转化为电信 号，经调 制解 调后 变为 信息，其中 需要 光芯 片来 实现 电信 号和 光信 号之 间的 相互 转换，光芯片是光电技术产品的核心，广泛应用于 5G 前传、光接 入网 络、城域 网和 数据 中心 等-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%0501001502002503003504004505002004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022E2023E光电子(亿美 元）YoY行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 7 场景，处于 光通 信领 域的 金字 塔尖。光芯 片可 以进 一步 组装 加工 成光 电子 器件，再集 成到光通信设备的收发模块实现广泛应用。图表5：光芯片 在光 通信 中用 于产 生和 接受 光信 号 来源：中国电子元件行业协会，源杰科技招股说明书，国金证券研究所 光芯片位于光通信产业链上游，光芯片的性能决定了光模块的传输速率。从产业链角度看，光芯片与电芯片、PCB、结构 件以 及套 管等 组成 了光 通讯 产业 上游。产业链中游为光器件，包括光组件与光模块。产业链下游组装成系统设备，最终应用于电信市场，如光纤接入、4G/5G 移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等领域。图表6：光 芯 片 位于 光通 信产 业链 上游 来源：源杰科技招股说明书，国金证券研究所 光通 信产 业链 中的 光器 件根 据组 件内 部是 否 发生 光电 能量 转换 可分 为光 无 源组 件和 光有源组 件。光无 源组 件在 系统 中消 耗一 定能 量，实现 光信 号的 传导、分流、阻挡、过滤 等交通功 能，主要 包含 光隔 离器、光分 路器、光开 关、光连 接器、光背 板。光有 源组 件能 够在系统中实现光电信号的相互转换，实现信号传输的功能，主要包括光发射组件、光接收组件、光调制器等，光发射组件（TOSA）及光接收组件（ROSA）都 由光 芯 片封 装而 来，再将光收发组件、电芯片、结构件等进一步加工成光模块。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 8 图表7：光 模 块 结构 示意 图（SFP+封 装）来源：IMT2020（5G）推进组，公司招股说明书，国金证券研究所 光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片根据谐振腔制造工艺的不同可分为边发射激光芯片（EEL）和面发射激光芯片（VCSEL）。探测器芯片，主要有 PIN 和 APD 两类。图表8：光 芯 片 可分 为激 光器 芯片 和探 测器 芯片 来源：源杰科技招股说明书，国金证券研究所 1）激 光 器芯 片 激光器可以按照增益介质、输出波长、运转方式、泵浦方式进行分类，增益介质可分为固态（含 固体、半导 体、光纤、混合）、液体 激光 器、气体 激光 器等，泵浦 方式 可分 为电 泵浦、光泵 浦、化学 泵浦 激光 器，运转 方式 可分 为连 续激 光器 和脉 冲激 光器，波长 可分 为红外光激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 9 图表9：激 光 器 分类 来源：长光华芯招股说明书，国金证券研究所 通信用 激光器 芯片属于半导体激光器，由泵 浦源（激 励源）、增益 介质（工 作物 质）和谐振腔等光学器件材料组成。泵浦源为增益介质提供能量激励（以电激励为主），而增 益介质是光子产生的源泉（以化合物半导体材料为主），通过 吸收 泵浦 源产 生的 能量，使得 增益介质从基态跃迁到激发态。由于激发态为不稳定状态，此时，增益介质将释放能量回归到基态的稳态。在这个释能的过程中，增益介质产生出光子，且这些光子在能量、波长、方向上具有高度一致性，它们在光学谐振腔内不断反射，往复运动，从而不断放大，最终通过反射镜射出激光，形成激光束。图表10：激 光 器 芯片 原理 示意 图 来源：长光华芯招股说明书，国金证券研究所 激光器芯片根据谐振腔制造工艺的不同可分为边发射激光芯片（EEL）和面 发射 激光 芯片（VCSEL）。边发 射激 光器 芯片（EEL）是 在芯 片的 两侧 镀光 学膜 形 成谐 振腔，沿 平行于衬底表面发射激光，而 面发射激光器芯 片（VCSEL）是在 芯片 的上 下两 面镀 光 学膜，形成 谐振 腔，由于 光学 谐振 腔与 衬底 垂直，能够 实现 垂直 于芯 片表 面发 射激 光。面发 射激光器芯片（VCSEL）有低 阈值 电流、稳 定单 波长 工作、可 高频 调 制、容易 二维 集 成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点，但输出功率及电光效率较边发射激光芯片低。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 10 图表11：边 发 射 激光 芯片（EEL，左）和 面发 射激 光片（VCSEL，右）来源：长光华芯招股说明书，国金证券研究所 边发射芯片（EEL）又 包含 DFB、EML、FP 三种 光芯 片。FP 和 DFB 是比较常见的直接调制半导体激光器（DML），DML 原理是将预调制的电信号电流叠加到激光器的偏置电流上对激光器进行调制，输出随调制信号而变化的光信号。传统 FP 激光器芯片因损耗较大以及传输距离短的特性，在光通信领域的应用逐年减少，份额逐步被 DFB 激光器芯片代替。DFB 芯片在 FP 的基 础上，在外 延植 入了 布拉 格光 栅，实现 单模 输出，从而 实现 中长距离传输的需求。EML 是电吸收调制激光器，EML 通过在 DFB 的基础上增加外调制器电吸收片（EAM），啁啾与色 散性能均优于 DFB，适用于更长距离传输。图表12：激 光 器 芯片 产品 性能 及应 用场 景 芯片类型 产品类别 工作波长 产品特性 应用场景 激光器芯片 VCSEL 800-900nm 线宽窄，功耗低，调制速率高，耦合效率高，传输距离短，线性度差 500 米以内的短距离传输，如数据中心机柜内部传输、消费电子领域（3D 感应面部识别）FP 1310-1550nm 调制速率高，成本低，耦合效率低，线性度差 主要应用于中低速无线接入短距离市场，由于存在损耗大、传输距离短的问题，部分应用场景逐步被 DFB 激光器芯片取代 DFB 1270-1610nm 谱线窄，调制速率高，波长稳定，耦合效率低 中长距离的传输，如 FTTx 接入网、传输网、无线基站、数据中心内部互联等 EML 1270-1610nm 调制频率高，稳定性好，传输距离长，成本高 长距离传输，如高速率、远距离的电信骨干网、城域网和数据中心互联 来源：源杰科技招股说明书，国金证券研究所 2）探 测 器芯 片 探测器芯片 又称为光电二极管，主要有 PIN(PN 二极管探测器)和 APD(雪崩二极管探测器)两种芯片。当一个 带 有充足能量的光子 撞击 到光电二极管上，光电二极管将激发一个电子，从而产生自由电子(同时有一个带正电的电洞)，这样的机制被称作是内光电效应。光电二极管在设计时会使 PN 结的面积相对大，同时设计为在反向电压下工作。如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。PIN 型二 极管：和普 通二 层结 构的 p-n 接面 二极 管相 比，PIN 型二极管在由 P 型半导体材料组成的 P 层和由 N 型半导体材料组成的 N 层中间，插入一层低掺杂的纯度接近于本征半导体材料组成的 I 层。本征层的引入增大了 p+区的耗尽层的厚度，加宽的耗尽层提高了 PIN 光电二极管的性能，PIN 型二极管主要用于中长距离传输。雪崩光电二极管(APD)：雪崩光电二极管是一种 p-n 结型的光电二极管，其中利用了载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。其基本结构 在 PIN 的基础上，采用容易产生雪崩倍增效应的 Read 二极 管结 构（即 N+PIP+型结构，P+一面接收光），行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 11 工作时加较大的反向偏压，使得其达到雪崩倍增状态，雪崩 光电 二极 管主 要用 于长 距离 单模光纤。图表13：PIN 型 二 极 管 示 意图 图表14：雪 崩 光 电二 极管 示意 图 来源：Enlitech，国金证券研究所 来源：Enlitech，国金证券研究所 图表15：探 测 器 芯片 产品 性能 及应 用场 景 芯片类型 产品类别 工作波长 产品特性 应用场景 探测器芯片 PIN 830-860/1100-1600nm 噪声小，工作电压低，成本低，灵敏度低 中长距离传输 APD 1270-1610nm 灵敏度高，成本高 长距离单模光纤 来源：源杰科技招股说明书，国金证券研究所 光芯片常使用三五族化合物磷化铟（InP）和砷 化镓（GaAs）作为 芯片 的衬 底材 料。以三五族元素的化合物构成的半导体材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强、电子 迁移 率高、光电 性能 好等 优点，符合 高频 通信 的特 点，在高 频、高功 耗、高压、高温等特殊应用领域具备独特的优势，因此在光通信芯片领域得到广泛使用。磷 化铟（InP）衬底用于制作 FP、DFB、EML 边发射激光器芯片和 PIN、APD 探测 器芯 片，主要 应用 于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓（GaAs）衬底用于制作 VCSEL 面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D 感测等领域。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 12 图表16：三 五 族 化合 物半 导体 材料 可以 满 足高频、发光、高功率、高电压等特殊应用场景 项目 单元素半导体材料 III-V 族化合物半导体材料 宽禁带半导体材料 硅 锗 砷化镓 磷化铟 氮化镓 碳化硅 分子式 Si Ge GaAs lnP GaN SiC 特点 储量大、价格便宜 电子迁移率、空穴迁移率高 光电性能好、耐热、抗辐射 导热性好、光电转换效高、光纤传输效率高 高频、耐高温、大功率 应用领域 先进制程芯片 空间卫星 LED、显示器、射频模组 光通信 充电器、高铁 电动汽车 部分主要应用场景 CPU 内存 空间卫星太阳能电池面板 手机、电脑射频器件 新一代显示 面部识别 大功率半导体激光器 5G 基站光模块 数据中心光模块 激光雷达 可穿戴设备 快速充电芯片 高铁芯片 新能源汽车 充电桩 来源：北京通美招股说明书，国金证券研究所 1.2 特 色 工 艺成 光芯 片核 心竞 争力，IDM 模式 为 行业 主流 全球范围内光芯片厂商多采用 IDM 模式，工艺的成熟度、稳定性与多样性为企业核心竞争力。目前全球范围内半导体行业的经营模式可分为 IDM 与 Fabless，IDM 为垂直整合制造 模式，企业 独立 完成 芯片 设计、晶圆 制造、封装 测试 等全 部环 节。Fabless 为无晶圆厂模 式，企业 主要 从事 芯片 设计 及销 售，将晶 圆制 造、封装 测试 等生 产环 节委 托给 第三 方厂商完成。Fabless 模式 能 减少大规模资本性投入，将有限的资源集中于 电路 优化、版图设计、仿真 模拟 等设 计研 发环 节，更适 合逻 辑芯 片企 业。而无 论是 海外 还是 国内 的光 电子器件企业多采用 IDM 模式，主 要 系光 电子 器件 遵循 特色 工艺，即 器件 价值 的提 升不 完全依靠制程的提升，激光器芯片需通过工艺平台实现光器件的特色功能，更注重工艺的成熟和稳定。相比 以线 宽为 基 准的 逻辑 工艺，特色 工艺 的竞 争能 力更 加综 合，包括 工艺、产品、服务、平台等多个维度，核心竞争点在于工艺的成熟度和稳定性，工艺平台的多样性。图表17：IDM 与 Fabless 模式示意图 图表18：海 内 外 光电 子期 间厂 商多 采取 IDM 模式 公司名称 商业模式 公司名称 商业模式 Coherent IDM Lumentum IDM MACOM IDM 住友电工 IDM 三菱电机 IDM 索尔思 IDM 源杰科技 IDM 长光华芯 IDM 仕佳光子 IDM 光迅科技 IDM 来源：长光华芯招股说明书，国金证券研究所 来源：国金证券研究所 整理 外延生长和光栅工艺为光芯片制造的核心环节，决定产品性能与良率。光芯片生产工序较行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 13 多，依序为 MOCVD 外延 生长、光栅 工艺、光 波导 制作、金 属化 工艺、端 面镀 膜、自动化芯 片测 试、芯片 高频 测试、可靠 性测 试验 证等。越高速率的光芯片生产环节越多，25G DFB 光芯片的生产工序超过 280 道，比中 低速 率激 光器 多出 5070 道，工序 的增 加对 产线与工艺成熟度和稳定性有更高的要求。图表19：光 芯 片 主要 工艺 流程 图 图表20：25G DFB 光 芯 片 工 艺流 程图 来源：源杰科技招股说明书，国金证券研究所 来源：源杰科技 上市第一轮审核问询函的回复 意见，国金证券研究所 晶圆有源发光区的量子阱设计和制造是激光器芯片的核心，是将基板/衬底通过气相外延、液相 外延、分子 束外 延等 设备 生长 晶体。量子 阱外 延片 共包 含 20 30 层结 构，每层 量子阱厚度 410nm 不等。以 25G DFB 激光器芯片为例，有源区量子阱的层数较中低速率激光器芯片增加超过 50%，因此 需要 对每 层量 子阱 实现 埃米 级（0.1nm）的精 度控 制，以保证量子阱厚度精度误差小于 0.2nm。此外，还需 要控 制晶 体的 掺杂 浓度、沉积 厚度，避免出现量子阱发光波长的偏差、量子阱各层间的应力偏差，导致产品最终性能与可靠性受到影响。图表21：10G 晶圆高清晰透射电 子显微镜图像（7 层量子阱）图表22：25G 晶 圆 高清 晰透 射电 子显 微镜 图像（11 层量子阱）来源：源杰科技上市第一轮审核问询函的回复意见，国金证券研究所 来源：源杰科技上市第一轮审核问询函的回复意见，国金证券研究所 从中低速率光芯片向高速率光芯片演进的过程中，光栅技术升级带动工艺难度提升与设备升级。中低速率光芯片为等周期布拉格光栅结构，通常使用传统全息曝光系统即可制作。而 25G 及以上的光芯片，光栅升级为变相非等周期 布拉格 光栅，制作环节上需使用更高精度和更先进的电子束光栅系统，要求精度达到纳米级（1nm），以实 现 Wafer 上每颗芯片的一致的光电特性。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 14 图表23：等 周 期 光栅 示意 图 图表24：变 相 非 等周 期光 栅示 意图 来源：源杰科技上市第一轮审核问询函的回复意见，国金证券研究所 来源：源杰科技上市第一轮审核问询函的回复意见，国金证券研究所 衬底是光芯片的上游核心原材料，在成本和工艺上共同影响制造环节。目前 大规 格、高品质的衬底基本被境外厂商垄断，国内供应商的份额逐年提高。磷化铟因其具有饱和电子漂移速 度高、发光 损耗 低的 特点，在光 电芯 片衬 底材 料中 拥有 特殊 的优 势，被用 于电 信用 电吸收调制激光器中，逐渐在光通信市场实现商业化应用，成为光模块半导体激光器和接收器的关键材料。从市场竞争格局来看，磷化铟衬底材料市场头部 厂商 集中 度很 高，主要 供应商包括 Sumitomo、北 京通 美、日 本 JX 等。根据 Yole 的数据，2020 年磷化铟衬底市场 CR3 高达 90%以上，其中 Sumitomo 为全球第一大厂商，市占率达 42%；北京 通美 位居第二，市占率达 36%；日本 JX 位居 第 三，市占 率为 13%。随着国产衬底厂商不断涌现以及产品质量逐渐提升，国内光芯片厂商选用国产衬底材料供应商的比例逐渐提升。以源杰科技为例，2019-2020 年公司通过陕西电子采购住友电工衬底材料为主，2021 年及以后北京通美成为公司第一大原材料供应商，同时国产供应商份额的提升也带来了成本的下降。图表25：2020 年全球 磷化铟衬底材料竞争格局 来源：Yole，北京通美招股说明书，国金证券研究所 光芯片下游直接客户为光模块厂商，光模块与光芯片的 国产化 率出现明显的“剪刀差”。国产光模块厂商在技术、成本、市场、运营等方面的优势逐渐凸显，占全球光模块市场的份额逐 步提 升。根据 Lightcounting 的数据，2022 年全球光模块市场中，中际旭创和 Coherent公司 并列 第一，市占 率前 十的 厂商 中有 7 家中 国厂 商，分别 是中 际旭 创（排 名并 列第 1）、华为海思（排名第 4）、光迅科技（排名第 5）、海信宽带（排名第 6）、新易盛（排名第 7）、华工 科技（排 名第 7）、索尔 思光 电（排 名第 10）。而光芯片国产化率总体较低，目前中低速光芯片基本实现国产化，高速光芯片仍依赖进口，国产替代空间巨大。根据 ICC的数据，2021 年 2.5G 及以下速率光芯片国产化率超过90%，10G 光芯片国产化率约60%，部分性能要求较高、难度较大的 10G 光芯片产品仍需进口，如 10G VCSEL/EML 激光器芯片等，国产化率不到 40%。25G 光芯片的国产化率约 20%，我国光芯片厂商能够供应42%36%13%9%Sumitomo北京通美日本JX其他行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 15 部分 5G 基站前传光模块以及数据中心使用 的 25G DFB 激光器芯片。25G 以上光芯片的国产化率仅 5%，目前仍以海外 光芯片厂商为主，用于 400G/800G 光模块的 100G EML芯片，以海外 供应商住友、三菱、博通和 Lumentum 等为主，国内厂商中源杰科技和长光华芯有样品推出。在海外数通市场向 800G 迭代以及国内数通市场向 400G 迭代的技术升级背景下，国内的光芯片厂商有望加速国产替代。图表26：2022 年 全 球前 十大 模块 厂商 图表27：2021 年 中 国光 芯片 竞争 格局 来源：Lightcounting，国金证券研究所 来源：中商产业研究院，国金证券研究所 2.1 数 通 市场：人工 智能 加速算力需求爆发，带动 光模 块向 高 速率 和新技术 趋势演进 随着数据流量爆发，全球 数据中心数量不断 增加，光模块/光芯 片重 要性持续 凸显。人工智能的发展将重塑电子半导体基础设施，海量数据的收集、清洗、计算、训练以及传输需求，将带 来算 力和 网络 的迭 代升 级。当下 海量大模型训练与推理 都在云数据中心完成，带动数据中心与各类网络基础的加速建设，根据 Synergy Research Group 的数据，2024年全球超大型数据中心数量将超过 1000 个。其次，随着终端业务的演进，数据中心需内部处理的数据流量远大于需向外传输的 数据流量，使得 数据 处理 复杂 度不 断提 高。光通 信技 术在 数据 中心 内的 应用，极大 地提 高了 数据中心的计算能力和数据交换能力。光模块是数据中心内部互连和数据中心相互连接的核心部件，根据 LightCounting 的数据，2021 年全球数据中心光模块市场规模预计为 43.8 亿美元，2025 年全球数据中心光模块市场规模预计将增长 至 73.3 亿美元，21-25 年 CAGR达 14%。图表28：2024 年 全 球超 大规 模数 据中 心超 1000 个 图表29：2025 年 全 球数 据中 心光 模块 市场 达 73 亿美元 来源：Synergy Research Group，国金证券研究所 来源：LightCounting，源杰科技 招股说明书，国金证券研究所 流量结构改变驱动叶脊式架构渐成数据中心主流，光模块需求量倍增。传统的大型数据中心网络架构通常为三层架构，包含核心层、汇聚层以及接入层。传统的三层网络架构主要基于南北向流量传输模型而设计，主要满足外部对数据中心的访问。东西向流量的增加，给传统三层式网络架构带来新的挑战，因为服务器和服务器之间的通信并不能平行进行，22.5%12.6%6.2%58.7%II-VILumentumBroadcom其他010002000300040005000600070008000201620172018201920202021E2022E2023E2024E202