5G光通信芯片技術(shù)簡(jiǎn)介

21世紀(jì)初，由光纖之父-高錕起源的光纖通訊引領(lǐng)了世界范圍內(nèi)的通訊熱潮。雖然光纖的發(fā)明是高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的拐點(diǎn)，但是光器件在之后卻成為了光通信系統(tǒng)的核心。

圖表1 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖

光芯片是光器件核心元器件。在光器件中，光芯片用于光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，是核心元器件。根據(jù)種類不同，可分為有源光芯片和無(wú)源光芯片，有源光芯片又分為激光器芯片（發(fā)射端）和探測(cè)器芯片（接收端）。在發(fā)射端，光發(fā)射模塊將電信號(hào)（0/1二進(jìn)制碼）轉(zhuǎn)換成光信號(hào)（0對(duì)應(yīng)于無(wú)光、1對(duì)應(yīng)于有光）；在接收端，將光信號(hào)還原為電信號(hào)，導(dǎo)入電子設(shè)備。因此，光芯片的性能與傳輸速率直接決定了光纖通信系統(tǒng)的傳輸效率。其中，激光器芯片價(jià)值占比大，技術(shù)壁壘高，是光芯片中的“明珠”。根據(jù)基板（襯底）材料的不同，可將激光器芯片分為磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、硅基（Si）等種類（見圖表）。

圖表2光芯片的材料與種類

核心光芯片主要應(yīng)用于光通信系統(tǒng)的發(fā)射端。鑒于光芯片主要依附于激光器，可以根據(jù)不同類型的激光器對(duì)光芯片作如下分類：

（1）按發(fā)光類型，分為面發(fā)射與邊發(fā)射。其中，面發(fā)射型激光主要為VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）；邊發(fā)射型激光種類較多，包括 FP（Fabry–Pérot，法布里-珀羅激光器）、DFB（Distributed Feedback Laser, 分布反饋式激光器）以及EML（Electroabsorption Modulated Laser，電吸收調(diào)制激光器）等。

（2）按調(diào)制類型，分為直接調(diào)制與外調(diào)制。其中，直接調(diào)制（DML，Directly ModulatedLaser）由電路直接控制激光的開關(guān)，其中最常見的是DFB。外調(diào)制則由外電路控制激光的開與關(guān)，其中較為常見的是在DFB激光器上添加電吸收調(diào)制器 EAM，形成EML。

圖表3 面發(fā)射與邊發(fā)射激光器

隨著傳統(tǒng)的 FP 激光器芯片（損耗較大，傳輸距離短）在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸收窄，核心激光芯片主要有三種：DFB、EML和VCSEL：

（1）DFB是最常用的直接調(diào)制激光器，是在FP的基礎(chǔ)上通過(guò)內(nèi)置布拉格光柵，使激光呈高度單色性，降低損耗，提升傳輸距離。目前，DFB激光主要應(yīng)用于中長(zhǎng)距離傳輸，主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：FTTx 接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、無(wú)線基站、數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)等。

（2）EML激光通過(guò)在DFB的基礎(chǔ)上增加電吸收片（EAM）作為外調(diào)制器，啁啾與色散性能均優(yōu)于 DFB，更適用于長(zhǎng)距離傳輸。EML的主要應(yīng)用場(chǎng)景主要有：高速率、遠(yuǎn)距離的電信骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI網(wǎng)絡(luò)）。

（3）VCSEL具有單縱模、圓形輸出光斑、價(jià)格低廉和易于集成等特點(diǎn)，但發(fā)光傳輸距離較短，適用于500m內(nèi)的短距離傳輸。主要應(yīng)用場(chǎng)景有：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、消費(fèi)電子領(lǐng)域（3D ）。

二產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

（一）供應(yīng)鏈現(xiàn)狀

在光模塊產(chǎn)業(yè)鏈中，光芯片處于核心地位，具有高技術(shù)壁壘，成本占比接近50%且有提升趨勢(shì)。相較于電芯片，目前光芯片市場(chǎng)規(guī)模較小，分工程度有限，垂直一體化的IDM廠商市場(chǎng)份額超過(guò)50%。但伴隨VCSEL芯片的消費(fèi)電子市場(chǎng)打開，芯片市場(chǎng)規(guī)模加速擴(kuò)展，分工程度有望提升，第三方代工模式逐漸興起。

從光器件產(chǎn)業(yè)鏈看，主要環(huán)節(jié)為“光芯片、光器件、光模塊、光設(shè)備”，最終應(yīng)用于電信市場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)及消費(fèi)電子市場(chǎng)。其中，光芯片處于產(chǎn)業(yè)鏈的核心位置，具有高技術(shù)壁壘，占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值制高點(diǎn)。

圖表4光通信產(chǎn)業(yè)鏈

在半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展中，隨著硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和GaAs化合物半導(dǎo)體在射頻器件領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，相應(yīng)的IC產(chǎn)業(yè)分工開始逐漸細(xì)化，芯片設(shè)計(jì)—磊晶成長(zhǎng)—晶粒制作（晶圓代工）等專業(yè)廠商如雨后春筍般地出現(xiàn)，如以臺(tái)積電為代表的硅基晶圓代工大廠以及穩(wěn)懋為代表的 GaAs 晶圓代工廠商。光器件行業(yè)的發(fā)展也遵循類似的規(guī)律，目前主要有兩類光芯片制備廠商：垂直一體化的IDM廠商以及第三方代工廠商。

圖表5 光芯片產(chǎn)業(yè)鏈分工及主要供應(yīng)商

光芯片屬于技術(shù)密集型行業(yè)，具有極高的技術(shù)壁壘和復(fù)雜的工藝流程。因此，光芯片在光器件/光模塊中成本占比較大。此外，隨著芯片速率的提升，制備難度增大，成本占比或進(jìn)一步提升。一般情況下，對(duì)于低速率光模塊/光器件（轉(zhuǎn)換速率小于10Gbps），光芯片的成本占比約為30%左右；而對(duì)于高速光模塊/光器件（調(diào)制速率大于 25Gbps），芯片的成本占比約為60%左右。例如，全球數(shù)通光模塊龍頭中際旭創(chuàng)（公司主力產(chǎn)品為100GQSFP28，采用25G光芯片），整體光芯片及組件成本占比在50%左右。

圖表6 光芯片在光器件中的成本占比

（二）市場(chǎng)端現(xiàn)狀

從細(xì)分市場(chǎng)看，光芯片主要應(yīng)用于電信市場(chǎng)、數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)、以及消費(fèi)電子市場(chǎng)。其中，電信市場(chǎng)主要應(yīng)用于傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)以及無(wú)線基站，市場(chǎng)份額占比約60%左右；數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)、連接數(shù)據(jù)中心間的 DCI 網(wǎng)絡(luò)，市場(chǎng)份額占比約30%左右；消費(fèi)電子市場(chǎng)主要包括手機(jī)3D感應(yīng)系統(tǒng)（內(nèi)含VCSEL芯片），市場(chǎng)份額占比約10%左右。

圖表7 國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)規(guī)模

在不考慮消費(fèi)電子 VCSEL 激光市場(chǎng)規(guī)模的情況下，2015年中國(guó)光器件市場(chǎng)規(guī)模為16.2億美元，到2020 有望達(dá)到26.8億美元，增長(zhǎng)65.4%。若考慮消費(fèi)電子VCSEL激光器，國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)從2018年開始將加速拓展。我們預(yù)計(jì)光芯片在光器件的成本占比為50%，2015—2020年間國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)規(guī)模有望從2015年的8.1億美元增長(zhǎng)到2020年的21.4億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)21.4%。

從電信市場(chǎng)看：有線方面，傳輸網(wǎng)擴(kuò)容愈加緊迫，城域網(wǎng)100G逐漸下沉；接入網(wǎng)由GPON/EPON向10GPON升級(jí)。無(wú)線基站方面，目前正處于4G建設(shè)后期，需求相對(duì)疲軟。隨著5G基站大規(guī)模建設(shè)逐漸開啟，有望迎來(lái)5G高增長(zhǎng)機(jī)遇。

自2015年起，4G基站建設(shè)整體進(jìn)入中后期，近兩年需求有所下滑。2020年，5G規(guī)模商用開啟，有望再次拉動(dòng)對(duì)光模塊的需求，市場(chǎng)空間超45億美元，按照芯片成本占比50%估算，市場(chǎng)空間超20億美元。根據(jù)測(cè)算，5G基站光芯片市場(chǎng)規(guī)模約為4G基站2.8倍左右。與4G基站光模塊市場(chǎng)相比，5G基站的建設(shè)對(duì)光芯片的需求將持續(xù)提升：（1）從基站數(shù)量看：由于5G頻譜頻率上升，信號(hào)穿透建筑物的衰減較大，建站密度與4G基站相比將更高。

圖表8 光芯片應(yīng)用于 4G 與 5G 基站的對(duì)比

2017年全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量達(dá)到840萬(wàn)座，其中美國(guó)占據(jù)全球近一半的數(shù)據(jù)中心，成為過(guò)去幾年數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。2012—2017年，全球IDC市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合增長(zhǎng)率為15.94%；同期，中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模的復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)35.02%，高于全球增速19.08 個(gè)百分點(diǎn)。2017年，中國(guó)IDC市場(chǎng)規(guī)模達(dá)946.1億元。

圖表9 全球數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模和中國(guó)數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模

從消費(fèi)電子市場(chǎng)看：消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模有望極大拓展，VCSEL成為3D感應(yīng)核心組件。3D感應(yīng)技術(shù)是面部識(shí)別的核心，其目的是創(chuàng)建一種非接觸、非破壞性方式來(lái)數(shù)字化捕捉對(duì)象的技術(shù)，從而精確記錄被捕捉對(duì)象的形狀、距離等參數(shù)。VCSEL激光憑借其線寬窄、功耗低等特點(diǎn)，成為3D感應(yīng)系統(tǒng)的首選紅外光源，VCSEL芯片也成為3D感應(yīng)系統(tǒng)的核心組件。

預(yù)計(jì)，2020年3D感應(yīng)功能在蘋果手機(jī)的前置攝像頭滲透率有望達(dá)到95%以上，VCSEL芯片的需求量有望達(dá)到2.45億只；后置攝像頭的 3D 感應(yīng)滲透率有望達(dá)到50%，VCSEL芯片的需求量為1.29億只。經(jīng)綜合計(jì)算，2020年蘋果手機(jī)對(duì)VCSEL芯片的需求量有望達(dá)到3.74 億個(gè)。

預(yù)計(jì)，到2020年VCSEL在安卓手機(jī)的前置攝像頭滲透率有望達(dá)到50%，后置攝像頭的滲透率有望達(dá)到30%。經(jīng)綜合計(jì)算，安卓手機(jī)對(duì)VCSEL芯片的總需求量有望達(dá)到11.54億個(gè)。VCSEL芯片的市場(chǎng)規(guī)模有望從2017年的0.58億美元增長(zhǎng)到2020年的22.92億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)241.6%。

圖表10 VCSEL芯片在消費(fèi)電子市場(chǎng)規(guī)模

三產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)高速光芯片國(guó)產(chǎn)化率較低，已成為我國(guó)光器件的“阿喀琉斯之踵”。目前，高速光芯片核心技術(shù)主要掌握在美日廠商手中。2018 年1月，工信部頒布《光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖》，將光芯片國(guó)產(chǎn)化上升為國(guó)家戰(zhàn)略。而中美貿(mào)易摩擦與中興禁售事件或?qū)⒋偈刮覈?guó)加大力度扶持高速光芯片，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程有望進(jìn)一步提速。

圖表11 芯片國(guó)產(chǎn)化情況

2016年，在全球光器件市場(chǎng)份額排名前10的廠商中，美日公司占據(jù)9個(gè)席位。以Finisar、Lumentum、Avago、Oclaro 等為首的北美企業(yè)與日本企業(yè)在高速光芯片方面占據(jù)了技術(shù)制高點(diǎn)。國(guó)內(nèi)，目前僅光迅科技具備高速光芯片批量生產(chǎn)能力。其 10GDFB/VCSEL已批量出貨，且25GDFB/EM等有望年底出貨。

光芯片與光器件產(chǎn)品種類多且升級(jí)更新快，在市場(chǎng)規(guī)模既定的情況下單個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)空間有限。與此同時(shí)，不同產(chǎn)品的細(xì)分使廠商不斷尋求差異化競(jìng)爭(zhēng)，在某一細(xì)分領(lǐng)域精耕細(xì)作，這也是市場(chǎng)集中度難以提升的一大因素。

總結(jié)

光通信芯片獨(dú)立于通信標(biāo)準(zhǔn)制定。從硬件出發(fā)，不需要通過(guò)國(guó)際通信組織的投票決議審核其制造標(biāo)準(zhǔn)，性能優(yōu)秀的光通信芯片可以完全成為行業(yè)龍頭產(chǎn)品，避免成為華為通信標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)頭失敗的另一案例。在5G通信浪潮到來(lái)的時(shí)候，光通信芯片將成為隱藏的熱點(diǎn)，無(wú)論產(chǎn)品利潤(rùn)還是科創(chuàng)企業(yè)，都可能從中受益巨大。