5G光通信芯片技術簡介

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

圖表1 光電信號轉換示意圖

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的轉換，是核心元器件。根據(jù)種類不同，可分為有源光芯片和無源光芯片，有源光芯片又分為激光器芯片（發(fā)射端）和探測器芯片（接收端）。在發(fā)射端，光發(fā)射模塊將電信號（0/1二進制碼）轉換成光信號（0對應于無光、1對應于有光）；在接收端，將光信號還原為電信號，導入電子設備。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，激光器芯片價值占比大，技術壁壘高，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，電吸收調制激光器）等。

（2）按調制類型，分為直接調制與外調制。其中，直接調制（DML，Directly ModulatedLaser）由電路直接控制激光的開關，其中最常見的是DFB。外調制則由外電路控制激光的開與關，其中較為常見的是在DFB激光器上添加電吸收調制器 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）在光通信領域的應用逐漸收窄，核心激光芯片主要有三種：DFB、EML和VCSEL：

（1）DFB是最常用的直接調制激光器，是在FP的基礎上通過內置布拉格光柵，使激光呈高度單色性，降低損耗，提升傳輸距離。目前，DFB激光主要應用于中長距離傳輸，主要應用場景包括：FTTx 接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、無線基站、數(shù)據(jù)中心內部互聯(lián)等。

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

（3）VCSEL具有單縱模、圓形輸出光斑、價格低廉和易于集成等特點，但發(fā)光傳輸距離較短，適用于500m內的短距離傳輸。主要應用場景有：數(shù)據(jù)中心內部、消費電子領域（3D ）。

二產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

（一）供應鏈現(xiàn)狀

在光模塊產(chǎn)業(yè)鏈中，光芯片處于核心地位，具有高技術壁壘，成本占比接近50%且有提升趨勢。相較于電芯片，目前光芯片市場規(guī)模較小，分工程度有限，垂直一體化的IDM廠商市場份額超過50%。但伴隨VCSEL芯片的消費電子市場打開，芯片市場規(guī)模加速擴展，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、光設備”，最終應用于電信市場、數(shù)據(jù)中心市場及消費電子市場。其中，光芯片處于產(chǎn)業(yè)鏈的核心位置，具有高技術壁壘，占據(jù)了產(chǎn)業(yè)鏈的價值制高點。

圖表4光通信產(chǎn)業(yè)鏈

在半導體行業(yè)發(fā)展中，隨著硅基半導體產(chǎn)業(yè)和GaAs化合物半導體在射頻器件領域的大規(guī)模應用，相應的IC產(chǎn)業(yè)分工開始逐漸細化，芯片設計—磊晶成長—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)鏈分工及主要供應商

光芯片屬于技術密集型行業(yè)，具有極高的技術壁壘和復雜的工藝流程。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，成本占比或進一步提升。一般情況下，對于低速率光模塊/光器件（轉換速率小于10Gbps），光芯片的成本占比約為30%左右；而對于高速光模塊/光器件（調制速率大于 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）市場端現(xiàn)狀

從細分市場看，光芯片主要應用于電信市場、數(shù)據(jù)中心市場、以及消費電子市場。其中，電信市場主要應用于傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)以及無線基站，市場份額占比約60%左右；數(shù)據(jù)中心市場主要應用于數(shù)據(jù)中心內部互聯(lián)、連接數(shù)據(jù)中心間的 DCI 網(wǎng)絡，市場份額占比約30%左右；消費電子市場主要包括手機3D感應系統(tǒng)（內含VCSEL芯片），市場份額占比約10%左右。

圖表7 國內光芯片市場規(guī)模

在不考慮消費電子 VCSEL 激光市場規(guī)模的情況下，2015年中國光器件市場規(guī)模為16.2億美元，到2020 有望達到26.8億美元，增長65.4%。若考慮消費電子VCSEL激光器，國內光芯片市場從2018年開始將加速拓展。我們預計光芯片在光器件的成本占比為50%，2015—2020年間國內光芯片市場規(guī)模有望從2015年的8.1億美元增長到2020年的21.4億美元，年均復合增長率高達21.4%。

從電信市場看：有線方面，傳輸網(wǎng)擴容愈加緊迫，城域網(wǎng)100G逐漸下沉；接入網(wǎng)由GPON/EPON向10GPON升級。無線基站方面，目前正處于4G建設后期，需求相對疲軟。隨著5G基站大規(guī)模建設逐漸開啟，有望迎來5G高增長機遇。

自2015年起，4G基站建設整體進入中后期，近兩年需求有所下滑。2020年，5G規(guī)模商用開啟，有望再次拉動對光模塊的需求，市場空間超45億美元，按照芯片成本占比50%估算，市場空間超20億美元。根據(jù)測算，5G基站光芯片市場規(guī)模約為4G基站2.8倍左右。與4G基站光模塊市場相比，5G基站的建設對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 光芯片應用于 4G 與 5G 基站的對比

2017年全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量達到840萬座，其中美國占據(jù)全球近一半的數(shù)據(jù)中心，成為過去幾年數(shù)據(jù)中心市場增長的主要驅動力。2012—2017年，全球IDC市場規(guī)模的復合增長率為15.94%；同期，中國IDC市場規(guī)模的復合增長率高達35.02%，高于全球增速19.08 個百分點。2017年，中國IDC市場規(guī)模達946.1億元。

圖表9 全球數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模和中國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模

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

預計，2020年3D感應功能在蘋果手機的前置攝像頭滲透率有望達到95%以上，VCSEL芯片的需求量有望達到2.45億只；后置攝像頭的 3D 感應滲透率有望達到50%，VCSEL芯片的需求量為1.29億只。經(jīng)綜合計算，2020年蘋果手機對VCSEL芯片的需求量有望達到3.74 億個。

預計，到2020年VCSEL在安卓手機的前置攝像頭滲透率有望達到50%，后置攝像頭的滲透率有望達到30%。經(jīng)綜合計算，安卓手機對VCSEL芯片的總需求量有望達到11.54億個。VCSEL芯片的市場規(guī)模有望從2017年的0.58億美元增長到2020年的22.92億美元，年均復合增長率高達241.6%。

圖表10 VCSEL芯片在消費電子市場規(guī)模

三產(chǎn)業(yè)趨勢

國內高速光芯片國產(chǎn)化率較低，已成為我國光器件的“阿喀琉斯之踵”。目前，高速光芯片核心技術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》，將光芯片國產(chǎn)化上升為國家戰(zhàn)略。而中美貿(mào)易摩擦與中興禁售事件或將促使我國加大力度扶持高速光芯片，國產(chǎn)化進程有望進一步提速。

圖表11 芯片國產(chǎn)化情況

2016年，在全球光器件市場份額排名前10的廠商中，美日公司占據(jù)9個席位。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)了技術制高點。國內，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)品種類多且升級更新快，在市場規(guī)模既定的情況下單個產(chǎn)品的市場空間有限。與此同時，不同產(chǎn)品的細分使廠商不斷尋求差異化競爭，在某一細分領域精耕細作，這也是市場集中度難以提升的一大因素。

總結

光通信芯片獨立于通信標準制定。從硬件出發(fā)，不需要通過國際通信組織的投票決議審核其制造標準，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準領頭失敗的另一案例。在5G通信浪潮到來的時候，光通信芯片將成為隱藏的熱點，無論產(chǎn)品利潤還是科創(chuàng)企業(yè)，都可能從中受益巨大。