早在1979年，我国科学家钱学森就看好光子学，并围绕光子学提出了光子工业的概念，而到现在很多设想依然没有实现，许多价值还有待挖掘。[1]6 K f( K8 e* F! b. m
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如今，光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革命，芯片从电到光，将是我国实现赶超的战略机遇[2]。光子革命已至，但若要光为人所用，其实也没有想象中那样容易。5 k) F) a4 I( w# H: |
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本文是“国产替代”系列的第十四篇，关注光芯片国产替代。在本文中，你将了解到：光芯片到底是什么，国产发展情况究竟如何，光芯片的未来。
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付斌丨作者
% |! {: p3 z' i1 `- N4 ~# ^( d李拓、刘冬宇丨编辑
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光与电的完美配合
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' I6 n B; v$ y" Z( s* Z9 i现代大多数芯片的本质，就是将环境信号转换为可精细操控的电信号，或将处理过的电信号转换为环境信号的一个过程（如用电产生电热或用洛伦兹力产生磁场）。同理，光也可转化为电信号。实现光电信号相互转换的核心器件，就是光芯片。没有它，我们就无法与光交流。; h2 u, ^3 n& ~, q8 A
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2 O! d n& e. d5 e/ j: q+ t光芯片早已深入每个人生活之中。你我都知道，家用电脑若要连接网络，都要安装光纤和“光猫”，让这套系统正常运作的功臣，就是光芯片。
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0 ?% Y& ?1 O% e# b$ ^+ [& |2 ~为什么一定是光芯片？; o" \) T1 i# N5 }6 K2 W, M
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. Z1 `1 R* a. x9 m5 S1 ]) `3 Y这是因为光子作为信息载体具有先天的优势，可以实现几十Tb/s的信息传输速率，实现低交换延迟和高传输带宽，实现多路同时通信，同时拥有超低功耗的表现[2]。研究显示，光基设备中的数据以光速移动，相比普通电子电路，移动速度快10倍。[3]0 i; |1 c# o0 ~* ?3 L
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4 G+ }4 E) B. L: ]4 b+ ~1 Q) {虽然光芯片是天赋型选手，但要在系统中发挥作用，还是离不开电芯片。二者与PCB、结构件、套管进一步构成光器件，并以此为基础加工为光模块实现最终功能，最终应用于市场。0 B( X9 R% U. u, G3 J7 l1 |
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% ^5 V; q+ m" O9 l3 p光芯片在产业链中的位置[4] , S1 G# D: n8 z0 v! a
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目前，光芯片的技术概念有多重含义，包括光通信、光计算、光量子等，应用广泛分布在工业、消费、汽车、医疗等领域。但它的典型应用场景仍然是光通信，也是最核心的应用领域。
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$ [6 [* }& a% O9 w7 B& g8 N光通信中的光芯片' h: c' q* b9 ?! E3 P0 c8 d
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光通信指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式，通过光芯片和传输介质实现对光的控制。" ]2 r& b b8 e" e
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在光通信产业链中，光芯片是最核心的部分，一般分为2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各种调制速率，速率越快对应的光模块在单位时间内传输的信号量就越大。6 c8 j/ c, Q. I7 l
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与此同时，光芯片也是光模块物料成本结构中占比最大的部分。通常而言，光芯片约占中端光模块物料成本的40%，一些高端光模块中它的物料成本甚至能占到50%以上[5]，反观电芯片的成本通常占比为10%~30%，越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高。[6]
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. Y. ^( u, i- c* g* s* T光芯片在光通信系统中应用位置[4] + U) h. f. u5 M" v; o0 |' @( _
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* C& U' t0 l1 @& U1 k3 B" p按功能，光芯片主要分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片，主要包括VCSEL、FP、DFB、EML；探测器芯片用于接收信号，将光信号转化为电信号，主要包括PIN和APD。) G" s3 D! Y! } w. n2 _- N
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对光芯片来说，市场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪60年代开始，光芯片就在材料、结构设计、组件集成和生产工艺方面不断改进。目前EML激光器芯片大规模商用最高速率已达100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用最高速率已达50Gb/s，与此同时，这些改变也让光芯片拥有向更广阔应用领域发展提供底气，诸如车载激光雷达、医疗等。[4]
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不同光芯片的特性和应用场景[4] ( L# p" y7 \( K! F: a
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# g7 r7 p" o Z5 _2 }3 X光芯片的生产制造是难点。生产工序依序为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。其中，外延工艺是光芯片生产中最主要和最高技术门槛的环节，工艺水平直接决定了成本的性能指标和可靠性。一款优秀的光芯片背后，是高昂的投入、极长的研发周期、较大的研发风险以及极快的技术更新速度。
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由于光芯片处在产业链上游，会牵扯出复杂的原材料问题。其本身一般由化合物半导体所制造，主要以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的III-V族材料为衬底，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号相互转换。除此之外，制造过程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原材料。) d3 R( a: ?* u! c
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- }. u1 d' I6 K4 Y! y光芯片的主要分类[4] $ u5 v4 X0 P% p3 i, F+ b: V
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, g+ O5 R' e% _* X光芯片作为上游元件，市场主要受下游光模块拉动。据国信证券测算，以光模块行业平均25%的毛利率及Light Counting对光模块全球超150亿美元的市场规模预测估算，2021年光芯片全球市场规模约为35亿美元，预计2025年可达60亿美元。[7]) }% l3 e b, t
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光通信产业链及市场规模[7] 1 f) ^! ?; ]0 S3 d2 E' s
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随着数据量需求爆炸式增长，人们对光芯片的速率要求越来越高，而学术界和工业界则将目光放到了硅光芯片上。8 N5 c3 f" c) g w1 h6 t* a
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把光子和电子糅在一起
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8 A; J" M2 c* {9 }展望未来3年，硅光芯片（或光电融合）将是光通信的一大趋势，它将支撑大型数据中心的高速信息传输。目前，硅光芯片技术研究由美国、欧洲和日本引领，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列产品占据全球相干光模块市场约30%以上。[8]
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顾名思义，硅光芯片就是在硅光子和硅电子芯片上取长补短，发挥二者优势。这一概念早在40年前就已诞生，但硅基发光一直是巨大难题，因此一般是以硅材料为基底，引入多种材料实现发光[9]，分为SOI（绝缘体上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制造平台。[10]4 V' d4 J) r* W% m) ?
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复杂的材料学问题引发更多技术难题，诸如硅光耦合工艺、晶圆自动测试及切割、硅光芯片的设计工具等技术挑战。另外，受制于产业链、工艺水平限制，硅光芯片还没有在产能、成本、良率上凸显优势。不过，硅光芯片的颠覆性引发了研究热潮，技术日趋成熟，即将进入规模化商用阶段。[11]2 Q: {) ^! \" W/ i! V6 Z, H. L. Q
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1 p2 ^6 C) v# t5 ]; l' N硅光芯片的作用远不至此，它具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，在制造工艺上，与微电子器件类似，但又不必追求工艺尺寸的极限缩小，也许是帮助人们突破摩尔定律天花板的关键[12]。更重要的是，做好它就相当于打通光子工业的关节。科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息，其中光计算就是重要先进领域之一。光通信的光电转换技术可以应用在光计算中，而光计算所要求的低损耗、高密度光子集成也会进一步促进光通信发展。未来5年~10年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。[13], w5 x1 p5 d2 l6 J# \
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% J/ y, n( ?0 d1 s据Yole预测，从2020年到2026年，硅光芯片的全球市场规模将从8700万美元升至11亿美元。其中，消费者健康、数据中心、光子计算、共封装引擎、长距离收发器将是主要细分市场。[14]
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7 i( z, y4 `. w( S硅光领域近年并购动作频繁[15]
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理想是丰满的，想要走那么远，还是要脚踏实地，先做好现有的光通信芯片。
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* g/ m% R- A5 u% q% t光芯片的追逐者# R; j9 D7 a. V3 R7 \
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欧美日在光芯片上技术起步早、积累多，是市场的主导者。这些国家的研究机构和先进企业通过不断积累核心技术和生产工艺，逐步实现产业闭环，建立起了极高的行业壁垒。& B/ ~$ Z3 q; u ?0 q
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8 F! y$ i+ Q% j/ h, H! D* f反观国内则起步较晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）严重依赖进口，与国外产业领先水平存在明显差距。数据显示，我国2.5Gb/s光通信芯片国产化率接近50%，但10Gb/s及以上的光通信芯片国产化率却不超过5%，非常依赖Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]5 C, O y0 j$ ~
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与此同时，虽然光芯片国产商普遍拥有晶圆外延环节以外的后端加工能力，但核心的外延技术并不成熟，高端的外延片需要进口，大大限制了高端光芯片发展。+ @, z- V: F* d0 t$ a8 b, N" W
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光芯片市场主要参与者[17]
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: k4 G- x: A6 c- R. I8 {' Z2017年，中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》中指出，我国厂商只掌握了10Gb/s速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工艺和配套IC的设计、封测能力，高端芯片能力比国际落后1~2代以上，且缺乏完整、稳定的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长、效率低，逐渐与国外的差距拉大。彼时明确了重点是25Gb/s及以上速率激光器和探测器芯片。[18]$ B1 e0 T0 W: R+ [; J
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2017年光收发模块及光芯片、电芯片国产化率测算[18]
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到了2022年，国产高端光芯片有明显突破，但依旧大幅落后于国际巨头。而关键的25Gb/s激光器和探测器芯片方面，源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等企业开始量产，不过整体销售规模仍然较小。以源杰科技为例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列产品出货量在国内同类产品中已名列前茅，但其2022年上半年销售额仅为4100万元。[19]% Z- ?" P5 _' Z: M4 h' d" `
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! B- s( v' R) h& G2 a- _对国产光芯片追逐者来说，分工模式是关键。芯片行业分为Fabless（设计公司）和IDM（设计、制造、封装全流程）两种模式，其中IDM模式是主导光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圆外延技术；另一方面，由于采用III-V族半导体材料，因此要求光芯片设计与晶圆制造环节相互反馈验证。
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% Y, S2 @$ g; W9 Q3 u不同分工模式的区别[20]
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4 j) G0 c. _7 O; |6 S$ K% }纵览市场，国产光芯片典型玩家均选择了IDM模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面，IDM能够及时响应市场需求，灵活调整产品生产过程中各种工艺参数；另一方面，能够高效排查问题，精准触达产品设计、生产、测试环节问题；另外，IDM模式形成了完整的闭环流程，不仅全部自主可控，同时能够有效保护知识产权。[21]" E$ ?9 c' ~& m" ?9 O+ E
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国产光芯片典型玩家情况，制表丨果壳硬科技
! ^7 N7 r( ^' I参考丨公司招股书
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近两年，光芯片在投融资界也热闹异常。据果壳硬科技统计，25Gb/s及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子（光电融合）是最为热门和吸金的赛道，也是商业化较近的项目。另一些项目则更聚焦在未来，如光计算、光量子，这些项目商业化进程动辄十年、二十年，非常具有前瞻性。" Y* Q9 R4 f/ X& z
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7 `" U3 u; z6 E. g& V) P近期国产光芯片融资不完全统计，制表丨果壳硬科技
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' r, o3 p* l b2 c! o掌握先进的光芯片技术，是各国争相竞逐的关键。以美国为例，不仅在政策上不断倾斜，以IBM、Intel为代表的工业巨头、以MIT、UCSB为代表的学术界领军机构都在不遗余力地发展大规模光子集成芯片。另外，欧盟的“地平线 2020”计划和日本的“先端研究开发计划”中也涉及光电子集成研究项目。[22]! _ F$ c& L5 s
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$ X: [) d- n0 T2 f( h) b- g* `: u: u种种动作，预示着一场以光为核心的科技革命，正在酝酿之中。
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3 l" M! s, f4 q2 Q. \中科创星创始合伙人米磊曾提出“米70定律”，即光学技术是推动科技产品进步的关键瓶颈技术，光学成本占未来所有科技产品成本的70％。[23], ]' [$ h" G8 C& I( P* I
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2 Z8 I0 r! n5 ~$ t( h& G2 u _纵观历史，科技革命的扩散周期大约为60年，集成电路从20世纪60年代诞生至今也已过去60年[2]，光芯片无疑是引领下一个60年的关键。当然，光子也并不是要完全替代掉电子，而是相互协同。% V) L r& M; S, h0 y& Q& f* d" w
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6 Y) H" z& u4 d6 |: w+ O属于光芯片的时代已经到来，但芯片行业一直残酷地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会成功。
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发表于 2022-10-11 09:45:27
