眾人看好的光芯片，國產(chǎn)有什么機會(huì )

早在1979年，我國科學(xué)家錢(qián)學(xué)森就看好光子學(xué)，并圍繞光子學(xué)提出了光子工業(yè)的概念，而到現在很多設想依然沒(méi)有實(shí)現，許多價(jià)值還有待挖掘。^[1]

如今，光芯片代表的光子學(xué)正與電子學(xué)引發(fā)一場(chǎng)科學(xué)革命，芯片從電到光，將是我國實(shí)現趕超的戰略機遇^[2]。光子革命已至，但若要光為人所用，其實(shí)也沒(méi)有想象中那樣容易。

本文是“國產(chǎn)替代”系列的第十四篇，關(guān)注光芯片國產(chǎn)替代。在本文中，你將了解到：光芯片到底是什么，國產(chǎn)發(fā)展情況究竟如何，光芯片的未來(lái)。

付斌丨作者

李拓、劉冬宇丨編輯

果殼硬科技丨策劃

光與電的完美配合

現代大多數芯片的本質(zhì)，就是將環(huán)境信號轉換為可精細操控的電信號，或將處理過(guò)的電信號轉換為環(huán)境信號的一個(gè)過(guò)程（如用電產(chǎn)生電熱或用洛倫茲力產(chǎn)生磁場(chǎng)）。同理，光也可轉化為電信號。實(shí)現光電信號相互轉換的核心器件，就是光芯片。沒(méi)有它，我們就無(wú)法與光交流。

光芯片早已深入每個(gè)人生活之中。你我都知道，家用電腦若要連接網(wǎng)絡(luò )，都要安裝光纖和“光貓”，讓這套系統正常運作的功臣，就是光芯片。

為什么一定是光芯片？

這是因為光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢，可以實(shí)現幾十Tb/s的信息傳輸速率，實(shí)現低交換延遲和高傳輸帶寬，實(shí)現多路同時(shí)通信，同時(shí)擁有超低功耗的表現^[2]。研究顯示，光基設備中的數據以光速移動(dòng)，相比普通電子電路，移動(dòng)速度快10倍。^[3]

雖然光芯片是天賦型選手，但要在系統中發(fā)揮作用，還是離不開(kāi)電芯片。二者與PCB、結構件、套管進(jìn)一步構成光器件，并以此為基礎加工為光模塊實(shí)現最終功能，最終應用于市場(chǎng)。

光芯片在產(chǎn)業(yè)鏈中的位置^[4]

目前，光芯片的技術(shù)概念有多重含義，包括光通信、光計算、光量子等，應用廣泛分布在工業(yè)、消費、汽車(chē)、醫療等領(lǐng)域。但它的典型應用場(chǎng)景仍然是光通信，也是最核心的應用領(lǐng)域。

光通信中的光芯片

光通信指以光纖為載體傳輸光信號的大容量數據傳輸方式，通過(guò)光芯片和傳輸介質(zhì)實(shí)現對光的控制。

在光通信產(chǎn)業(yè)鏈中，光芯片是最核心的部分，一般分為2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各種調制速率，速率越快對應的光模塊在單位時(shí)間內傳輸的信號量就越大。

與此同時(shí)，光芯片也是光模塊物料成本結構中占比最大的部分。通常而言，光芯片約占中端光模塊物料成本的40%，一些高端光模塊中它的物料成本甚至能占到50%以上^[5]，反觀(guān)電芯片的成本通常占比為10%~30%，越高速、高端的光模塊電芯片成本占比越高。^[6]

光芯片在光通信系統中應用位置^[4]

按功能，光芯片主要分為激光器芯片和探測器芯片兩類(lèi)。激光器芯片用于****信號，將電信號轉化為光信號，按出光結構進(jìn)一步分為面****芯片和邊****芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探測器芯片用于接收信號，將光信號轉化為電信號，主要包括PIN和APD。

對光芯片來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)最大的訴求是高速率和高帶寬。自上世紀60年代開(kāi)始，光芯片就在材料、結構設計、組件集成和生產(chǎn)工藝方面不斷改進(jìn)。目前EML激光器芯片大規模商用最高速率已達100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大規模商用最高速率已達50Gb/s，與此同時(shí)，這些改變也讓光芯片擁有向更廣闊應用領(lǐng)域發(fā)展提供底氣，諸如車(chē)載激光雷達、醫療等。^[4]

不同光芯片的特性和應用場(chǎng)景^[4]

光芯片的生產(chǎn)制造是難點(diǎn)。生產(chǎn)工序依序為MOCVD外延生長(cháng)、光柵工藝、光波導制作、金屬化工藝、端面鍍膜、自動(dòng)化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等。其中，外延工藝是光芯片生產(chǎn)中最主要和最高技術(shù)門(mén)檻的環(huán)節，工藝水平直接決定了成本的性能指標和可靠性。一款優(yōu)秀的光芯片背后，是高昂的投入、極長(cháng)的研發(fā)周期、較大的研發(fā)風(fēng)險以及極快的技術(shù)更新速度。

由于光芯片處在產(chǎn)業(yè)鏈上游，會(huì )牽扯出復雜的原材料問(wèn)題。其本身一般由化合物半導體所制造，主要以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的III-V族材料為襯底，通過(guò)內部能級躍遷過(guò)程伴隨的光子的產(chǎn)生和吸收，進(jìn)而實(shí)現光電信號相互轉換。除此之外，制造過(guò)程中還會(huì )用到電子特氣、光刻膠、濕電子化學(xué)品等原材料。

光芯片的主要分類(lèi)^[4]

光芯片作為上游元件，市場(chǎng)主要受下游光模塊拉動(dòng)。據國信證券測算，以光模塊行業(yè)平均25%的毛利率及Light Counting對光模塊全球超150億美元的市場(chǎng)規模預測估算，2021年光芯片全球市場(chǎng)規模約為35億美元，預計2025年可達60億美元。^[7]

光通信產(chǎn)業(yè)鏈及市場(chǎng)規模^[7]

隨著(zhù)數據量需求爆炸式增長(cháng)，人們對光芯片的速率要求越來(lái)越高，而學(xué)術(shù)界和工業(yè)界則將目光放到了硅光芯片上。

把光子和電子糅在一起

展望未來(lái)3年，硅光芯片（或光電融合）將是光通信的一大趨勢，它將支撐大型數據中心的高速信息傳輸。目前，硅光芯片技術(shù)研究由美國、歐洲和日本引領(lǐng)，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列產(chǎn)品占據全球相干光模塊市場(chǎng)約30%以上。^[8]

顧名思義，硅光芯片就是在硅光子和硅電子芯片上取長(cháng)補短，發(fā)揮二者優(yōu)勢。這一概念早在40年前就已誕生，但硅基發(fā)光一直是巨大難題，因此一般是以硅材料為基底，引入多種材料實(shí)現發(fā)光^[9]，分為SOI（絕緣體上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅襯底上鈮酸鋰薄膜四種制造平臺。^[10]

復雜的材料學(xué)問(wèn)題引發(fā)更多技術(shù)難題，諸如硅光耦合工藝、晶圓自動(dòng)測試及切割、硅光芯片的設計工具等技術(shù)挑戰。另外，受制于產(chǎn)業(yè)鏈、工藝水平限制，硅光芯片還沒(méi)有在產(chǎn)能、成本、良率上凸顯優(yōu)勢。不過(guò)，硅光芯片的顛覆性引發(fā)了研究熱潮，技術(shù)日趨成熟，即將進(jìn)入規?；逃秒A段。^[11]

硅光芯片的作用遠不至此，它具有高運算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)，在制造工藝上，與微電子器件類(lèi)似，但又不必追求工藝尺寸的極限縮小，也許是幫助人們突破摩爾定律天花板的關(guān)鍵^[12]。更重要的是，做好它就相當于打通光子工業(yè)的關(guān)節?？茖W(xué)家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來(lái)生成、處理、傳輸信息，其中光計算就是重要先進(jìn)領(lǐng)域之一。光通信的光電轉換技術(shù)可以應用在光計算中，而光計算所要求的低損耗、高密度光子集成也會(huì )進(jìn)一步促進(jìn)光通信發(fā)展。未來(lái)5年~10年，以硅光芯片為基礎的光計算將逐步取代電子芯片的部分計算場(chǎng)景。^[13]

據Yole預測，從2020年到2026年，硅光芯片的全球市場(chǎng)規模將從8700萬(wàn)美元升至11億美元。其中，消費者健康、數據中心、光子計算、共封裝引擎、長(cháng)距離收發(fā)器將是主要細分市場(chǎng)。^[14]

硅光領(lǐng)域近年并購動(dòng)作頻繁^[15]

理想是豐滿(mǎn)的，想要走那么遠，還是要腳踏實(shí)地，先做好現有的光通信芯片。

光芯片的追逐者

歐美日在光芯片上技術(shù)起步早、積累多，是市場(chǎng)的主導者。這些國家的研究機構和先進(jìn)企業(yè)通過(guò)不斷積累核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，逐步實(shí)現產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，建立起了極高的行業(yè)壁壘。

反觀(guān)國內則起步較晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）嚴重依賴(lài)進(jìn)口，與國外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在明顯差距。數據顯示，我國2.5Gb/s光通信芯片國產(chǎn)化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片國產(chǎn)化率卻不超過(guò)5%，非常依賴(lài)Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。^[16]

與此同時(shí)，雖然光芯片國產(chǎn)商普遍擁有晶圓外延環(huán)節以外的后端加工能力，但核心的外延技術(shù)并不成熟，高端的外延片需要進(jìn)口，大大限制了高端光芯片發(fā)展。

光芯片市場(chǎng)主要參與者^[17]

2017年，中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（2018-2022 年）》中指出，我國廠(chǎng)商只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探測器、調制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工藝和配套IC的設計、封測能力，高端芯片能力比國際落后1~2代以上，且缺乏完整、穩定的光芯片加工平臺和人才，導致芯片研發(fā)周期長(cháng)、效率低，逐漸與國外的差距拉大。彼時(shí)明確了重點(diǎn)是25Gb/s及以上速率激光器和探測器芯片。^[18]

2017年光收發(fā)模塊及光芯片、電芯片國產(chǎn)化率測算^[18]

到了2022年，國產(chǎn)高端光芯片有明顯突破，但依舊大幅落后于國際巨頭。而關(guān)鍵的25Gb/s激光器和探測器芯片方面，源杰科技、武漢敏芯、云嶺光電、光迅科技等企業(yè)開(kāi)始量產(chǎn)，不過(guò)整體銷(xiāo)售規模仍然較小。以源杰科技為例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列產(chǎn)品出貨量在國內同類(lèi)產(chǎn)品中已名列前茅，但其2022年上半年銷(xiāo)售額僅為4100萬(wàn)元。^[19]

對國產(chǎn)光芯片追逐者來(lái)說(shuō)，分工模式是關(guān)鍵。芯片行業(yè)分為Fabless（設計公司）和IDM（設計、制造、封裝全流程）兩種模式，其中IDM模式是主導光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圓外延技術(shù)；另一方面，由于采用III-V族半導體材料，因此要求光芯片設計與晶圓制造環(huán)節相互反饋驗證。

不同分工模式的區別^[20]

縱覽市場(chǎng)，國產(chǎn)光芯片典型玩家均選擇了IDM模式，如仕佳光子、長(cháng)光華芯、源杰科技。一方面，IDM能夠及時(shí)響應市場(chǎng)需求，靈活調整產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中各種工藝參數；另一方面，能夠高效排查問(wèn)題，精準觸達產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、測試環(huán)節問(wèn)題；另外，IDM模式形成了完整的閉環(huán)流程，不僅全部自主可控，同時(shí)能夠有效保護知識產(chǎn)權。^[21]

國產(chǎn)光芯片典型玩家情況，制表丨果殼硬科技

參考丨公司招股書(shū)

近兩年，光芯片在投融資界也熱鬧異常。據統計，25Gb/s及以上高速率光芯片、車(chē)用激光雷達芯片和硅光電子（光電融合）是最為熱門(mén)和吸金的賽道，也是商業(yè)化較近的項目。另一些項目則更聚焦在未來(lái)，如光計算、光量子，這些項目商業(yè)化進(jìn)程動(dòng)輒十年、二十年，非常具有前瞻性。

近期國產(chǎn)光芯片融資不完全統計，制表丨果殼硬科技

掌握先進(jìn)的光芯片技術(shù)，是各國爭相競逐的關(guān)鍵。以美國為例，不僅在政策上不斷傾斜，以IBM、Intel為代表的工業(yè)巨頭、以MIT、UCSB為代表的學(xué)術(shù)界領(lǐng)軍機構都在不遺余力地發(fā)展大規模光子集成芯片。另外，歐盟的“地平線(xiàn) 2020”計劃和日本的“先端研究開(kāi)發(fā)計劃”中也涉及光電子集成研究項目。^[22]

種種動(dòng)作，預示著(zhù)一場(chǎng)以光為核心的科技革命，正在醞釀之中。

中科創(chuàng )星創(chuàng )始合伙人米磊曾提出“米70定律”，即光學(xué)技術(shù)是推動(dòng)科技產(chǎn)品進(jìn)步的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，光學(xué)成本占未來(lái)所有科技產(chǎn)品成本的70％。^[23]

縱觀(guān)歷史，科技革命的擴散周期大約為60年，集成電路從20世紀60年代誕生至今也已過(guò)去60年^[2]，光芯片無(wú)疑是引領(lǐng)下一個(gè)60年的關(guān)鍵。當然，光子也并不是要完全替代掉電子，而是相互協(xié)同。

屬于光芯片的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，但芯片行業(yè)一直殘酷地循環(huán)著(zhù)優(yōu)勝劣汰和洗牌，誰(shuí)能追逐得更快，誰(shuí)才會(huì )成功。 

References：

[1] 錢(qián)學(xué)森.光子學(xué)、光子技術(shù)、光子工業(yè)[J].中國激光,1979,6(1):1.

https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ157c3606f52a17a5/Abstract

[2] 《瞭望》：以科技革命的戰略眼光布局光子芯片.2022.1.10.http://lw.news.cn/2022-01/10/c_1310416707.htm  

[3] Leslie M. Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J]. Engineering, 2021, 7(9): 1195-1196.

[4] 源杰科技：首次公開(kāi)發(fā)行股****并在科創(chuàng )板上市招股說(shuō)明書(shū).2022.9.19.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202209/ed2747384cb447b2a20b040ced45e098.pdf

[5] 頭豹研究院：2022年中國光模塊行業(yè)研究報告（摘要版）.2022.6.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202207221576465739_1.pdf?1658524015000.pdf

[6] 浙商證券股份有限公司：關(guān)注光芯片國產(chǎn)化機會(huì ).2020年6月第4期.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202006291388250871_1.pdf?1593463535000.pdf

[7] 國信證券：光器件行業(yè)研究框架與投資機會(huì )梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf

[8] 科創(chuàng )中國：硅光技術(shù)能否促成光電子和微電子的融合？.https://www.kczg.org.cn/article/issueDetail?id=942

[9] 郭進(jìn), 馮俊波, 曹?chē)? 硅光子芯片工藝與設計的發(fā)展與挑戰[J]. ZTE TECHNOLOGY JOURNAL, 2017: 11.https://res-www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201705/465817/P020171009579288470018.pdf

[10] 馬浩然,李筱敏,王曰海,楊建義.硅基光子芯片研究進(jìn)展與挑戰[J].半導體光電,2022,43(02):218-229.

[11] 《科技日報》：硅光芯片：并非電子芯片的“對頭”而是“伙伴”.2021.8.30.http://www.xinhuanet.com/tech/20210830/a18a6550b75e4163bd0a64489619bdea/c.html

[12]《中國科學(xué)報》：百納米就好使！光芯片緩解芯片瓶頸難題.2021.5.21.https://mp.weixin.qq.com/s/evr_f5spjD8yfEplYmHTfA

[13] 阿里達摩院：2022年十大科技趨勢.https://damo.alibaba.com/techtrends/2022/silicon-photonic-chips?lang=zh

[14] Yole：Silicon photonics sticks its head above the parapet.2021.11.23.https://www.i-micronews.com/silicon-photonics-sticks-its-head-above-the-parapet/?cn-reloaded=1

[15] 華西證券：硅光：“超越摩爾”新路徑，厚積薄發(fā)大未來(lái).2022.1.14.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202201171540919727_1.pdf?1642417584000.pdf

[16] 國泰君安證券股份有限公司：關(guān)于陜西源杰半導體科技股份有限公司輔導備案的申請報告.2020.9.2.http://www.csrc.gov.cn/shaanxi/c101329/c1404264/1404264/files/1614654318079_45691.pdf

[17] 國信證券：光器件行業(yè)研究框架與投資機會(huì )梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf

[18] 中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )：中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（2018-2022年）.https://www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n1146440/c6001146/part/6005856.pdf

[19] 光通信觀(guān)察：五年之期屆滿(mǎn)，我國光器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀如何？.2022.7.5.https://mp.weixin.qq.com/s/516umRgzweTXF1XX8fyBTw

[20] 長(cháng)光華芯：首次公開(kāi)發(fā)行股****并在科創(chuàng )板上市招股說(shuō)明書(shū).2021.6.29.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202106/ef8b408d2bb54bd7916dd92fd5d21c82.pdf

[21] 新華報業(yè)網(wǎng)：IDM模式賦能，陜西源杰科技有望實(shí)現高質(zhì)量發(fā)展.2022.7.27.http://www.xhby.net/sy/cb/202207/t20220727_7632733.shtml

[22] 大規模光子集成芯片[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2016, 31(Z2): 192-194.http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/Z2/2016Z241.htm

[23] DeepTech深科技：國內對光最“執著(zhù)”的投資力量：7年投資80家光科技初創(chuàng )，靜待光子集成時(shí)代爆發(fā).2020.6.11.https://mp.weixin.qq.com/s/UV1N4BWKrXbk6ODht_O1eQ