中国电子：半导体激光芯片国产替代：光纤激光器芯片进入加速期光通信芯片长期空间广阔_53页_4mb.pdf

Table_yemei1 观点聚焦 Investment Focus Table_yejiao1 本研究报告由海通国际分销，海通国际是由海通国际研究有限公司，海通证券印度私人有限公司，海通国际株式会社和海通国际证券集团其他各成员单位的证券研究团队所组成的全球品牌，海通国际证券集团各成员分别在其许可的司法管辖区内从事证券活动。关于海通国际的分析师证明，重要披露声明和免责声明，请参阅附录。 (Please see appendix for English translation of the disclaimer) 研究报告 Research Report 7 Jul 2022 中国电子 China Electronics 半导体激光芯片 国产替代：光纤激光器芯片进入加速期，光通信芯片长期空间广阔 Domestic Substitution in Semiconductor Laser Chips: Fiber Laser Chips & Optical Communication Chips Are Set to Benefit Table_Info 股票名称 评级 股票名称 评级 资料来源： Factset, HTI Related Reports 2022-03-07: 从激光上游视角看激光雷达 :EEL、 VCSEL 争相 “产生光子 ”，微光学冷加工 “调节光子 ” (Please see APPENDIX 1 for English summary) 半导体激光 芯片主要 应 用在低功率的光通信市场以及高功率的光纤激光器市场。 我国 半导体激光 芯片技术基础薄弱，在光通信芯片市场替代率仍处于较低水平，长期替代空间广阔；在高功率光纤激光器市场，下游光纤激光器厂商不断追赶海外巨头，带动背后国内激光芯片厂商进入国产替代的加速期。 高功率半导体激光器芯片：国产替代进入加速期。 高功率半导体激光芯片主要是由西方发达国家所垄断，如美国的 II-VI、 Lumentum、nLight、 IPG、 Coherent，德国的 Dilas、 Jenoptic、 Osram 等。表观上我国低、中、高功率光纤激光器国产化率分别为 98%、 52%、60%，但从其中的半导体激光芯片观察，虽然我国光纤激光器芯片市场有 15 亿元（占全球约 60%），国内第一梯队的长光华芯、武汉锐晶合计市占率仍不到 20%（占全球不到 10%）。随着以锐科、创鑫、飞博、大科、光惠等为代表的下游激光器厂商技术水平的不断提升，我国激光芯片产业进入国 产替代的加速期已成必然趋势，以长光华芯、武汉锐晶、瑞波光电为代表的国产激光芯片厂商有望迎来发展的黄金机遇期。 光通信芯片：下游需求方兴未艾， 25G 国产替代空间广阔。LightCounting预计 22-27年全球光模块市场 CAGR可达 12%，同时根据 Yole 测算， 19-26 年全球光模块器件磷化铟衬底市场 CAGR 约13.94%。随着下游需求驱动，中国光通信芯片市场规模有望从 2020年的 6.7亿美元迅速增长到 2025年 11亿美元， CAGR将达到 17.4%。全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产 品，并达到 100Gb/s 速率及以上的水平。在中兴、华为等通信设备的强势助攻下，中国成为世界上最大的光器件消费大国，市场占比约为35%。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场较强，然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术，还掌握在美日企业手中（美 /日全球 50%以上、占我国 90%以上市场），我国高速率光芯片国产化率仅 3%左右 。 国内企业只掌握了 10Gb/s 速率的激光器、探测器、调制器芯片，以及 PLC/AWG芯片的制造工艺以及配套IC 的设计、封测能力， 25Gb/s 的工艺能力及产能配套都无法形成规模。 受益于中国 25G光模块的规模招标应用，国产化 25G激光器芯片正逐步突破，源杰半导体、海信宽带、光迅科技、敏芯半导体、中科光芯、三安集成、光安伦、芯思杰、华芯半导体、长瑞光电、博升光电、仟目激光等厂商已开始崭露头角。 风险提示： 1）国内光通信芯片企业技术进步不及预期的风险； 2）国内高功率激光芯片企业技术进步不及预期的风险。 Table_Author 张晓飞 Xiaofei Zhang 蒲得宇 Jeff Pu, CFA 张幸 Olivia Zhang 557085100115Jul-21 Oct-21 Jan-22 Apr-22 Jun-22HAI China Electronics MSCI China 7 Jul 2022 2 Table_header1 中国电子 目录 激光原理概述 . 3 光通信芯片市场：中长期替代空间广阔 . 9 高功率光纤激光器芯片市场 ：国产替代进入加速期 . 29 7 Jul 2022 3 Table_header1 中国电子 激光原理概述 激光原理： 激光技术起源于 20 世纪 60 年代，与原子能、半导体、计算机并称 20 世纪新四大发明之一。激光英文全称是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（ LASER）， 意为 “通过受激辐射光扩大 ”， 简称 “激光 ”。 激光的原理早在 1916年就已被爱因斯坦发现：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候 ， 所释放的能量以光子的形式放出 。 被 “引诱 ”（ 激发 ） 出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。相比由多种颜色、波长混合的自然光，激光有具有方向性好 、 亮度高 、 单色性好及高能量密度等特点 ， 因此也被称为 “最快的刀 ”、 “最准的尺 ”、 “最亮的光 ”。 激光发展历史： 1916年，爱因斯坦提出了光的受激发射理论，人类对激光开始有了认知。 1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象，当他们将内光灯泡所发射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。 1960 年 5 月 15 日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为 0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。 1960年 7月 7日，梅曼宣布了世界上第一台激光器的诞生，梅曼的方案的是，利用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石色 水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到 很 高的温度。前苏联科学家尼古拉 巴索夫于 1960 年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由 P 层、 N 层和形成双异质结的有源层构成，其特点是：尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。 激光器结构 激光器一般包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。 激光器是激光的发生装置，主要由 激励源 和具有亚稳态能级的工作介质组成。激励源为实现并维持粒子数反转产生跃迁辐射创造条件，激励方式有光学激励、电激励、化 学激励和核能激励等。具有亚稳态能级的工作介质使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，谐振腔为关键的组成部分，可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性，而且谐振腔可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式。简单来说：泵浦源为激光器提供光源，增益介质（也称为工作物质）吸收泵浦源提供的能量后将光放大，谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路，振腔振荡选模输出激光。 1）激光工作介质：增益介质 用来实现粒子数反转并产生 光的受激辐射放大作用的物质体系，也被称为激光增益媒质，常用的有红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。在增益介质中可以实现粒子数反转（高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度），以制造获得激光的必要条件。 2）激励源：泵浦源 为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用电流注入或气体放电的办法驱使具有动能的电子激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。 各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运；为了不断得到激光输出，必须不断地 “泵浦 ”以维持处于上能级的粒子数比下能级多 。 7 Jul 2022 4 Table_header1 中国电子 3）谐振腔 有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。人们就想到了 用光学谐振腔进行放大 。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜片：一块几乎全反射，一块使大分光反射、少量光透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此， 光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的 获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。 图 1 激光器工作原理 资料来源：激光原理， HTI 激光器分类 激光器可按泵浦方式、增益介质、运转方式、输出功率和输出波长进行分类。 图 2 激光器分类 资料来源：长光华芯招股书， HTI 7 Jul 2022 5 Table_header1 中国电子 1）按泵浦方式： 可分为电泵浦、光泵浦、化学泵浦、热泵浦、核泵浦激光器。 电泵浦 激光器指以电流方式激励的激光器（气体激光器多以气体放电方式进行激励，而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励）； 光泵浦 激光器指以光泵方式激励的激光器（ 几乎所有固体激光器、液体激光器均属于光泵浦激光器，而半导体激光器是光泵浦激光器的核心泵浦源 ）； 化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。 2）按运转方式： 可分为连续激光器和脉冲激光器。 连续激光器 中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续稳定进行，但热效应较明显； 脉冲激光器 指激光功率维持在一定值时所持续的时间，以不连续方式输出激光，主要特点是峰值功率高、 热效应小、可控性好。根据脉冲时间长度，可进一步分 为毫秒、微秒、纳秒、皮秒和飞秒，脉冲时间越短，单一脉冲能量越高、脉冲宽度越窄、加工精度越高。 3）按输出功率： 划分为分为低功率（ 0-100W）、中功率（ 100-1,000W）、高功率（ 1,000W 以上），不同功率的激光器适应的应用场景不同。 4）按照波长： 可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。 不同结构的物质可吸收的光波长范围不同，因此需要各种不同波长的激光器用于不同材料的精细加工或者不同应用场景。 红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激光器 ： 红外激光器主要应用于 “热加工 ”， 将材料表面的物质加热并使其汽化 （ 蒸发），以除去材料；在薄膜非金属材料加工、半导体晶圆切割、有机玻璃切割 /钻孔 /打标等领域，高能量的 紫外光子 直接破坏非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体，这种方式不会产生高热量反应 ， 因此通常被称为 “冷加工 ”， 紫外激光器在微加工领域具有不可替代的优势。由于紫外光子能量大，难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续紫外激光，故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生，因此目前广泛应用在工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。 5）按增益介质： 固态（固体、光纤、半导体等） 、气体、液体、自由电子激光器等。 激光器按照增益介质 （ 工作物质 ） 分为 ： 液体激光和气体激光 ， 由于效率低下和需要高频率更换工作物质和维护 ， 目前只利用其特殊性能并在小众市场应用 ； 自由电子激光器目前技术还不充分 ，虽然有频率连续可调、频谱范围广等优势，但短期内还很难有广泛应用 。 固态激光 目前应用最广泛 、 市场占有率最高 ， 通常被分为以晶体为工作物质的固体激光器、以玻璃光纤为工作物质的光纤激光器（近 20 年来由于兼顾电光转换效率和光束质量取得大力发展），目前少部分利用灯如氙闪光灯作为泵浦源，大部分利用半导体激光器作为泵浦 源。半导体激光器是以半导体材料作为激光介质，以电流注入二极管有源区为泵浦方式的激光二极管（以电子受激辐射产生光），具有电光转换效率高、体积小、寿命长等特点， 广义上虽也属于固态激光器的一种，但半导体激光器直接产生的光由于光束质量差，目前所能直接应用的领域受限，一般作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源以应用于更多场景。 图 3 激光器分类 -按增益介质 激光器类型 增益介质 主要特点 固态激光器 固体、半导体、光纤、混合 稳定性好、功率较高、维护成本低，适合产业化 液体激光器 化学液体 可选波长范围大，但体积大、维护成本高 气体激光器 气体 激光光源质量高，但体积较大，维护成本较高 自由电子激光器 特定磁场中的电子束 可以实现超高功率并输出优质激光，但制造技术和生产成本 很 高 资料来源： OFweek 激光网，基业常青， HTI 7 Jul 2022 6 Table_header1 中国电子 图 4 激光器分类 -按细分增益介质 增益介质 泵浦方法 振荡波长 震荡运转 液体 染料 光 紫外光 红外光 连续、脉冲 气体 氦氖 放电 可见光 红外光 连续 惰性气体离子 氦镉 紫外光 可见光 连续 准分子 紫外光 脉冲 CO2 远红外光 连续、脉冲 化学 化学反应 红外光 连续 半导体 化合物半导体 电流 紫外光 红外光 连续、脉冲 固体 钕；钇铝石榴石 镱；钇铝石榴石 光 红外光 连续、脉冲 钛蓝宝石 紫外光 红外光 连续、脉冲 光纤 铒、镱、铥 光 红外光 连续、脉冲 资料来源： 锐科激光招股书， HTI 从应用领域来看，根据 2021 年中国激光产业发展报告， 2020 年全球激光器销售额为 160.1 亿美元。结构上来看，材料加工与光刻、通讯与光存储、科研和军事、医疗和美容、仪器与传感器及娱乐、显示与打印占比分别为 39.6%、 24.5%、 13.8%、5.7%、 12.6%及 3.8%。据报告预测， 2021 年全球激光器的总市场规模为 185 亿美金，市场增长率为 15%，其中 半导体激光器 （作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源或作为直接激光器）， 其市场规模预计为 79.5亿美金（占比 43%） ，市场增速为 18%。 我国激光器行业发展迅速、竞争优势明显，在全球激光器市场中所占的比重也持续提升，根据 Laser Focus World发布的数据， 2020年， 我国激光器市场规模为 109.1亿美元，占全球激光器市场 66.12%的份额 。 图 5 2019-2020年全球激光器下游应用市场概况（内环 2019、外环 2020） 资料来源： Laser Focus World， HTI 40.9%27.0%12.0%9.0%8.0%3.0% 39.6%24.5%13.8%5.7%12.6%3.8%材料加工与光刻市场通信与光存储市场科研与军事市场医疗与美容市场仪器与传感器市场娱乐、显示与打印市场 7 Jul 2022 7 Table_header1 中国电子 图 6 2015-2021年全球激光器总收入及结构（单位：亿美金） 资料来源： Laser Focus World， HTI 图 7 2019年全球激光器厂商竞争格局 资料来源： Laser Focus World， HTI 近年来全球工业激光器市场规模呈波动走势，根据 Laser Focus World测算， 2020全球工业激光器市场规模约为 51.57 亿美元，同比增长 2.4%。从结构上，市场份额最大的是光纤激光器， 2018至 2020年的销售占比均超过 50%，其中 2020年全球光纤激光器销售额占比为 52.7%；固体激光器销售占比 16.7%；气体激光器销售占比 15.6%；直接半导体 /准分子激光器销售占比 15.04%。 41.8 48.4 59.2 61.3 58.967.2 79.555.3 59.178.5 88.1 88.392.9105.3-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%35%0204060801001201401601802002015 2016 2017 2018 2019 2020 2021E二极管激光器 非二极管激光器YoY (二极管激光器 ) YoY (非二极管激光器 )IPG光子46.8%锐科激光10.3%nLIGHT (恩耐 )6.3%创鑫激光3.6%杰普特2.9%其他30.2% 7 Jul 2022 8 Table_header1 中国电子 图 8 工业激光器主要性能参数对比 对比项目 参数说明 CO2 气体 激光器 YAG 固体 激光器 薄盘激光器 （固体） 光纤 激光器 半导体 激光器 波长 m 数值越小，加工能力越强 10.6 1.06 1.01.1 1.01.1 0.91.0 典型电光效率 % 数值越大，效率越高，耗电越小 10 5 15 30 45 质量 BPP（ 4/5kw） 数值越小，光束质量越好 6 25 8 4 1 1 体积 体积越小，适用场合越多 大 最大 较大 很 小 很 小 可加工材料类型 范围越广，加工适应性越好 高反材料如铜、 铝不可 高反材料如铜、铝不可 高反材料亦 可 高反材料亦 可 高反材料 亦可 维护周期（ Khrs） 数值越大，维护越少 12 35 35 4050 4050 相对运行 成本 数值越小，运行成本越小 1.14 1.80 1.66 1 0.8 资料来源：创鑫激光， HTI 图 9 2020年全球工业激光器应用市场结构 资料来源： Laser Focus World， HTI 图 10 2017-2020全球工业激光器市场规模（左）及结构（右） 资料来源： Laser Focus World， HTI 金属切割40.6%焊接 /钎焊13.5%打标 /雕刻12.6%精密金属加工8.8%显示8.3%非金属加工6.5%半导体 /PCB3.7%增材制造2.0%其他4.0%48.6 56.1 50.4 51.6 -15%-10%-5%0%5%10%15%20%01020304050602017 2018 2019 2020全球工业激光器市场规模 (亿美元 ) YoY51.5% 53.3% 52.7%15.7% 15.4% 15.6%16.2% 16.3% 16.7%16.7% 15.0% 15.0%0%20%40%60%80%100%2018年 2019年 2020年半导体 /准分子激光器固体激光器气体激光器光纤激光器 7 Jul 2022 9 Table_header1 中国电子 光通信芯片市场：中长期替代空间广阔 1. 光通信原理 光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由 数据源、光发送端、光学信道 和 光接收机 组成。具体过程为：在发送端将传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。 光发信机： 光发信机是实现电 /光转换的光端机。它由 光源、驱动器和调制器 组成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。 光收信机： 光收信机是实现光 /电转换的光端机。它由 光检测器 和 光放 大器 组成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经 光检测器转变为电信号 ，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端。 光纤或光缆： 二者光的传输通路，其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的 远距离传输 后 ，耦合到收信端的光检测器上 ，完成传送信息任务。 中继器（放大器）： 中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用一是 补偿 光信号在光纤中传输时受到的衰减，二是对波形失真的脉冲进行整形。 光纤连接器、耦合器等无源器件： 由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的，因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤 连接器、耦合器 等无源器件的使用是必不可少的。 图 11 光通信器件与信息流的对应关系 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（ 2018-2020年）， HTI 图 12 光通信原理示意图 资料来源：光通信器件与系统， HTI 7 Jul 2022 10 Table_header1 中国电子 图 13 现代通讯网络架构（左） & 光纤通信系统原理图（右） 资料来源：光纤通信系统， HTI 2. 光模块是光通信设备的核心 光通信系统主要由 光通信设备 、传输光纤、光无源器件（光分路器、波分复用器、光隔离器、光开关、光连接器、光背板、光滤波器等）构成。 光通信设备的核心为 光模块 （光模块产值在光通信中份额约 65%）。 光模块的核心为 光有源模块 和 电芯片： 1）光有源模块包括 光芯片 和 光调制器 ，其中光芯片为核心。光芯片包括 激光器芯片 、 探测器芯片 ； 2）电芯片包括 LD Driver、 TIA、 LA、 CDR芯片等。 LD Driver：激光驱动芯片，发射端数字信号是电压信号，而激光器本身是依靠电子激发进行发光的，所以必须将要发送的电压信号转换成为电流信号，因此需要Laser Driver驱动激光二极管发射激光。 TIA： Transimpedance Amplifier，即跨阻放大器，增益定义为输出电压除以输入电流，单位是电阻，由于是将电流放大为电压，因此将这种类型的放大器称为跨阻放大器。 TIA 应用于将电流放大至电压的场景，例如光电探测器探测信号的放大。 PD 接收到光信号后，产生的电流信号比较微弱（ uA 量级），因此需要利用TIA将其放大，便 于后续的信号处理。 LA： Limiting Amplifier，即限幅放大器。限幅放大器电路功能是输入信号较小时，限幅放大器处于线性放大工作状态，输出跟随输入线性变化；而当输入信号达到某一电平时，输出将不随输入信号的增加而变化，而维持在一定值上，即处于限幅工作状态。 LA 解决的问题场景是， PD 产生的电流信号跟其接收的光信号强弱成正比，而 TIA 的跨阻 (V=I*R，电压 =电流 *电阻 )R 是一定的，这样产生的电压信号就会随着输入光的大小变化而变化，而且变化的范围比较大。所以 Receiver 还需要一个 LA，对前面 TIA 转换出来的小电压信号继续放大，以保证输出幅度足够大，同时限幅功能使得在强光输入的时候，输出能够维持在一定值上，处于限幅工作状态 。 7 Jul 2022 11 Table_header1 中国电子 CDR： Clock and Data Recovery，即时钟数据恢复。 CDR的主要功能是： 1）为接收器端各电路提供时钟信号； 2）对接收到的信号进行判决，便于数据信号的恢复与后续处理。光信号经过一定距离的传输后，其波形会发生一定程度的失真。如果没有时钟信号伴随光信号一起传输，接收端接收到的信号将会是一个个长短不一的脉冲，因此需要 CDR芯片对这些脉冲信号进行处理以得到想要传输的数 据。 图 14 光通信器件构成（左）及光模块成本构成（右） 资料来源：电子技术应用， HTI 图 15 相关术语缩写对照表 术语 中文 解析 TOSA (Transmitter Optical Sub-Assembly) 光发射次模块 将电信号转化成光信号组件 ROSA (Receiver Optical Sub-Assembly) 光接收次模块 接收光信号并转化为电信号的组件 CDR (Clock and Data Recovery) 时钟恢复电路 从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息 TIA (Trans-lmpedance Amplifier) 跨阻放大器 利用光信号转换的电流，进 一 步 转换为 电压信号 LA (Limiting Amplifie) 限幅放大芯片 对于输入信号进行限幅，弱信号增强，强信号减弱 LD (Laser Diode) 激光二极管 受激发射激光 LD Driver (Laser Diode Driver) 激光二极管驱动 驱动激光 器发射 一定 频率 激光 PD (Photo Detector) 光电二极管探测器 探测光信号，将之转化为电信号 APD (Avalanche Photo Diode) 雪崩式光电二极管 利用光电流的雪崩式增效应提供增益的特性而设计的光电二极管 PLC (Planar Lightwave Circuit) 平面光波导 光波导位于个平面内，基于 PLC的器件包括：分路器、星形糯合器 、 可调光衰减器、光开关、光梳和阵列波导光栅等 PLC Splitter (PLC Splitter) PLC分路器 平面波导型光分路器 AWG (Array Wave-guide Grating) 阵列波导光栅 用于波分复用 WDM系统，把许多波长的光复合到单一的光纤中传输 VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 垂直腔面发射激光器 其激光垂直于顶面射出 DFB (Distributed-Feedback) 分布反馈 DFB激光器芯片是一种在 III-V 族半导体材料上制作的光发射有源芯片 ， 在其多量子阱 （ MQW） 有源层附近人工嵌入了纳米级的布拉格光栅，使之成为具有单一波长输出的单模激光器件。 EML (Electro-absorption Modulated Laser) 电吸收调制激光器 同一半 导 体芯片 上集成 激光器 光源和 电 吸收外调制 器 资料来源：公开资料， HTI整理 光芯片 , 40%电芯片 , 30%其他组件（外壳、PCB、气密、温控等） , 30%光模块成本构成 7 Jul 2022 12 Table_header1 中国电子 图 16 光通信产业链 资料来源：长光华芯招股书， HTI 3. 光模块的本质是实现光电信号的转换 一个光模块通常由光发射器件（ TOSA，含激光器）、光接收器件（ ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。光模块的应用场景丰富，可分为电信市场与数通市场，涵盖了数据宽带、电信通讯、数据中心、 Fttx、安防监控和智能电网等领域。光模块的性能主导着光通信网络的升级换代，在接入端、传输端等不同细分市场上均发挥着至关重要的作用。 光模块作为光电转换的连接模块，包含两个端口即 发射端 和 接收端 。其中发射端将电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。 光模块由光电子器件、功能电路和光接口组成，其中光电子器件包括发射和接收两部分。 光模块在整体产品架构上包括光学次模块（ Optical Subassembly； OSA）及电子次模块（ Electrical Subassembly； ESA）两大部分。光学 次模块的制造流程为：激光二极管芯片的外延部分以砷化镓（ GaAs）、磷化铟（ InP）、砷化铟镓（ InGaAs）等作为发光与检光材料，利用有机金属气相沉积法（ MOCVD）等方式，制成外延片，然后将外延片制成激光二极管，随后搭配滤镜、金属盖等组件，封装成TO can（ Transmitter Outline can），再将此 TO can与陶瓷套管等组件，封装成光学次模块（ OSA）。最后再搭配电子次模块（ ESA），电子次模块内部包含传送及接收两颗驱动 IC，用以驱动激光二极管与检光二极管，如此结合即组成光模块。 早期的 光模块所用的光器件收和发是分开的，一个是 TOSA（ Transmitting Optical Sub-Assembly，光发射组件），一个是 ROSA（ Receiving Optical Sub-Assembly，光接收组件），随着小型化的发展，二者合二为一就成了 BOSA（ Bi-Directional Optical Sub-Assembly，光发射接收组件），也有的光器件集成 1 个 TOSA 和 2 个ROSA的就成了 Triplexer。 光器件可根据工作时是否进行光电转换，分为有源光器件和无源光器件。有源光器件是光通 信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏，主要包括包括 激光器、调制器、探测器和集成器件等； 无源光器件是光通信系统中需要消耗一定能量但没有光电或电光转换的器件，用于满足光传输环节的其他功能，是光传输系统的关键节点，包括光连接器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。 7 Jul 2022 13 Table_header1 中国电子 图 17 光模块示意图 资料来源：讯石光通信网，光通信百科， HTI 图 18 光通信器件按物理形态划分 产品类别 典型产品 芯片 InP系列（高速直接调制 DFB和 EML芯片、 PIN与 APD芯片、高速调制器芯片、多通道可调激光器芯片） GaAs系列（高速 VCSEL芯片、泵浦激光器芯片） Si/SiO2 系列 (PLC、 AWG、 MEMS芯片） SiP系列（相干光收发芯片、高速调制器、光开关等芯片； TIA、 LD Driver、 CDR芯片） LiNbO3系列（高速调制器芯片）等 光有源器件 激光器 (VCSEL、 DFB直调激光器， EML外调激光器） 光调制器（ PMQ调制器、相位调制器、强度调制器） 光探测器 (PIN、 APD) 集成器件 (相 干 光收发器件、阵列调制器 )等 光无源器件 光隔离器、光分路器、光开关、光连接器（ MPO连接器）、光背板、 光滤波器（合波器 /分波器）等 光模块与子系统 光收发模块 (10G/25G/100G/400G) 光放大器模块 (EDFA、 Raman) 动态可调模块 (WSS、 MCS、 OXC) 性能监控模块 (OPM、 OTDR) 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（ 2018-2020年）， HTI 图 19 光模块成本构成（左）及光器件元件成本构成（右） 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（ 2018-2020年）， HTI 器件元件 , 73%控制芯片 , 18%印刷电路板 , 5%外壳 , 4%TOSA, 48%ROSA, 32%结构件 , 8%尾纤 , 9%滤光片 , 2%其他 , 1% 7 Jul 2022 14 Table_header1 中国电子 图 20 光通信产业链 -光学元件视角 资料来源：腾景科技招股书， HTI 图 21 光通信器件按功能划分 资料来源：讯石光通信网， HTI 4. 光芯片占光模块平均 50%以上成本 光器件种类繁多，按照通信上下游划分，光器件可分为光电芯片、光器件和光模块。光电芯片是光器件的核心元件，根据材料的不同可分为 InP、 GaAs、 Si/SiO2、 SiP、LiNbO3、 MEMS 等芯片，根据功能不同可分为激光器芯片、探测器芯片、调制器芯 7 Jul 2022 15 Table_header1 中国电子 片。这些芯片 /器件集成后，再加入外围电路形成一个光通信模块，被广泛应用于路由器、基站、传输系统、接入网等光网络建设中。 图 22 光模块中芯片类型 资料来源：讯石光通信网 ， HTI 光芯片在光模块中的成本占比分布在低端器件、中端器件及高端器件上的数据分别是 20%、 50% 和 70%。 光通信芯片企业采用高频性能突出的 GaAs以及 InP化合物半导体为光通信芯片的衬底。 GaAs以及 InP可被制成电阻率比硅、锗高 3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合 5G通信高频的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。 全球 GaAs衬底市场集中度较高，根据 Yole 统计， 2019 年全球砷化镓衬底市场主要生产商包括：德国 Freiberger、日本 Sumitomo 和美国 AXT（北京通美），其中德国 Freiberger 占比 28%、日本 Sumitomo 占比 21%、美国 AXT（北京通美）占比 13%。 从市场格局来看， InP 衬底材料市场头部企业集中度很高，主要供应商包括日本Sumitomo、美国 AXT（北京通美）、日本 JX 等。 Yole 数据显示， 2020 年全球 前三大厂商占据磷化铟衬底市场 90%以上市场份额，其中 Sumitomo 为全球第一大厂商，占比为 42%；美国 AXT（北京通美）位居第二，占比 36%。 磊晶生成的外延片质量（ Wafer）是决定光芯片性能的关键因素，且生成条件较为严苛，是光芯片制备的重要环节。目前磊晶生长方式有 MOCVD、 MBE两种。 GaAs 外延片生产，则有不同的商业模式： 1） GaAs LED 市场 主要是垂直整合，拥有 成熟的 IDM 厂商 ， 如欧司朗 （ Osram）、 三安光电 （ Sanan）、 晶元光电 （ Epistar）、 乾照光电（ Changelight）等； 2） GaAs 射频市场 则采用外延生产外包模式，过往几年 GaAs射频外延业务经历多次整合，如今产生了四大领导厂商： IQE、全新光电（ VPEC）、住友化学（包括住友化学先进技术和 SCIOCS）、英特磊（ IntelliEPI）； 3） GaAs 光电子市场 ，外延业务仍然取决于应用： GaAs 数据通信 市场主要是 IDM 模式，主要厂商有菲尼萨（ Finisar）、安华高（ Avago）、贰陆（ II-VI）等，而对于规模较大且成本敏感性高的消费电子类需求，主要以 Foundry 模式为主，如苹果供应商 Lumentum 选择外延生产外包，将 IQE作为其 VCSEL外延生产服务商。 7 Jul 2022 16 Table_header1 中国电子 图 23 光芯片衬底及市场集中度 中国本土厂商 国际巨头企业 CR3 份额 GaAs衬底 大庆佳昌、中科晶电、云南鑫耀 德国 Freiberger、日本 Sumitomo 、美国 AXT（北京通美） 62% InP衬底 鼎泰芯源、世纪金光、云南锗业 日本 Sumitomo、美国 AXT（北京通美）、日本 JX 91% 资料来源： 通信用光芯片市场调查报告 2020， HTI 图 24 光芯片 衬底及其供应商 GaAs 衬底 德国 Freiberger、日本 Sumitomo 、美国 AXT（ 北京通美 ） 化合物材料占据全球GaAs 衬底 62%的市场份额。中国可生产 GaAs 衬底 的企业包括大庆佳 昌 、中科 晶电、云南鑫耀、天津晶明等公司。现阶段，中国高质量 4-6英寸 GaAs衬底基本依赖进口。 InP 衬底 主流尺寸是 2-6 英寸，市场集中度较高，全球超过 90%的市场份额由 日本Sumitomo、 美国 AXT（ 北京通美 ） 、日本 JX 公占有。中国仅有极少数厂高或科研单位可制造 InP 衬底 ，包括鼎泰芯源 、 云南锗业等。其中 珠海鼎 泰芯源与中科院半导体所团队联合攻破 2-6英寸 衬底 生产技术，产能为 1万片 /年。 中国 InP 材料行业 虽 在材料合成、晶体生长、材料热处理和材料特性等 方面 取得进步，并 掌握 了 2-6 英寸衬底片的技术，但中国企业产能规模仍较小，大尺寸 InP产能不足，市场主要 掌握 在国际巨头企业中。 资料来源：公开资料， HTI整理 图 25 光通信芯片产业链 资料来源： HTI整理 激光二极管在光