光芯片产业发展前景预测与投资战略规划

光芯片产业发展前景预测与投资战略规划

光芯片的发展概况光通信指的是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。20世纪60年代，激光器芯片技术和低损耗光纤技术出现，激光器芯片材料和结构不断发展，逐步实现对激光运行波长、色散问题、光谱展宽等的控制。经过结构设计、组件集成和生产工艺的改进，目前EML激光器芯片大规模商用的最高速率已达到100G，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50G。在不断满足高带宽、高速率要求的同时，光芯片的应用逐渐从光通信拓展至包括医疗、消费电子和车载激光雷达等更广阔的应用领域。光芯片行业产业链从产业链角度看，光芯片与其他基础构件（电芯片、结构件、辅料等）构成光通信产业上游，产业中游为光器件，包括光组件与光模块，产业下游组装成系统设备，最终应用于电信市场，如光纤接入、4G/5G移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等领域。光通信产业链中，组件可分为光无源组件和光有源组件。光无源组件在系统中消耗一定能量，实现光信号的传导、分流、阻挡、过滤等交通功能，主要包括光隔离器、光分路器、光开关、光连接器、光背板等;光有源组件在系统中将光电信号相互转换，实现信号传输的功能。（一）市场规模不断扩大，5G助力光芯片需求增长近年来，中国逐渐成为全球最大的光通信市场，光芯片市场规模也逐年扩大。2015-2021年，国内光芯片市场从8亿美元扩大到20．8亿美元，年均复合增长率超过15%。中国光芯片市场的扩大与市场需求的增长密不可分。从中国光芯片终端应用市场来看，电信市场、数据中心市场和消费电子市场是其主要应用市场。其中，电信市场份额约占60%；数据中心市场份额约占30%；电子市场的市场份额约占10%。随着中国5G时代的到来，国内电信市场、数据中心市场、消费电子市场也面临发展机遇。据悉，早在去年8月，我国已建成99．3万个5G基站，居世界第一。5G基站已覆盖全国所有地级市、95%以上的县和35%的乡镇。随着国内5G基站的大规模建设，对光模块的需求再次被拉动，对光芯片的需求也在增加。而且一般来说，5G单基站光模块的数量比4G单基站光模块多2-4个，5G基站的建设对光芯片需求的拉动作用很大。据测算，5G基站光芯片的市场规模约为4G基站的2．8倍。（二）低端光学芯片技术相对成熟，高端光学芯片技术欠缺资料显示，中国通信设备占全球份额的40%-70%，光模块约占全球份额的18%-20%；光器件约占全球市场份额的25%-30%，但光芯片仅占全球市场份额的1%左右。作为光通信产业的上游技术密集型产业，光器件中光芯片的成本一直居高不下，在30%-60%之间。这主要是因为我国光芯片产业还存在产能不足、国产化率低、缺乏高端光芯片技术等问题。从我国光芯片的产能和产量来看，我国能生产光芯片的企业约30家，实现量产的企业仅5家左右；光芯片技术方面，大部分企业可以量产低端芯片，只有少数厂商可以生产高端芯片，产能有限，占市场份额不到1%。目前，国产光芯片仍以低端产品为主；但是高端外延片需要从国际外延厂购买，限制了高端光芯片的发展。以激光芯片为例，我国能够量产10G及以下的中低速激光芯片，只有少数25Gb/s激光器的厂商接近成熟，实现了批量交付，而25G以上的激光芯片大部分厂商还处于研发或小规模试制阶段。总体来看，高速光芯片严重依赖进口，与国外行业领先水平存在一定差距。（三）政策助力，企业积极布局国内高端光芯片技术的匮乏仍然是行业的一大痛点。然而，高速光学芯片的稳定性和大规模生产能力取决于设备的精度和参数、人的经验和资金投入。光芯片设备投资大，如果没有资本介入，只靠一家公司很难投资R&D和生产。目前国内的人才引进环境和政策都比较好，也可以在海外设立研究院，所以各大企业也在布局。随着产业政策的持续利好，光通信芯片的市场前景对企业来说是广阔的，因此国内通信企业纷纷加大投入，积极布局光芯片产业。其中，华为、霍峰等通信巨头对光通信芯片投入巨大，中兴、海信等公司也在积极布局。面向全球竞争，高端亟需突破光芯片属于光通信产业最上游，是不可或缺的环节。光芯片是下游有源器件、光模块中必不可少的元件。国内厂商按覆盖环节主要分专业光芯片厂商和光芯片模块综合厂商。其中，专业光芯片企业包括源杰科技、武汉敏芯、中科光芯、光安伦、云岭光电、仕佳光子等；而综合光芯片模块厂商包括光迅科技、海信宽带、华为海思等。高端光芯片国产供给与下游需求错配。需求侧，下游光通信模块、设备厂商在全球份额市占率已经较高。以模块为例，根据Lightcounting统计2021年前十模块供应商中，我国模块厂商占了5家。此外，2021年87亿美金的全球光模块销售额中，我国模块供应商占比超过一半以上。上下游的供需错配将成为我国光芯片产业持久的发展动力。绝大多数模块厂商并不具备光芯片研发自给能力，需要国内产业链的大力支持。国内仅少数模块厂商如光迅科技、华为海思、海信宽带、华工正源等具备光芯片研发和生产能力，绝大部分厂商需要依赖外部合作或者海外光芯片供应商的长期供应。对于大多数模块厂商而言，当前时点自研光芯片投入大，短期产出缓慢，亟需国内产业链的大力支持。本土光芯片将参与全球竞争，成长不止于。除了下游国内模块厂商市占率已经较高以外，由于我国具备人口红利、工程师红利和市场红利等三大红利优势，全球海外知名模块厂商均在我国拥有办事处、产能、代工厂或销售服务部门，这也意味着，本土的光芯片企业不仅有机会参与到国内客户的供应链，也有接触海外客户的机遇。光纤接入：全球景气周期，10GPON升级明确光纤接入网络是家庭宽带用户上网的主要承载网络。通常网络使用光纤从运营商机房局端设备连接到光分路器，再进入到家庭用户的光猫处，其中在局端设备侧将大量使用到OLT光模块，以及在家庭用户光猫中的ONU光模块。局端设备侧光模块通常采用适合高速率、大功率、长距离传输的EML芯片，价值量较高，而家庭用户侧通常采用DFB芯片。10GPON升级景气度高，可展望2-3年高景气。局端（运营商机房）提供高速上网能力，需要运营商提前部署，根据2022年11月工信部数据，我国10GPON端口超过1400万个，大概渗透率达到存量PON端口的1/3；而家庭端需要家庭用户自身选择是否更换上网套餐和网关设备，千兆用户数达到约8707万个，大概占5亿家庭用户15%。从渗透率角度看，预计2023-2025年仍将是国内10GPON升级渗透的景气周期。海外光纤网络建设迅猛，全球各地区加大投入。疫情爆发后，欧洲、北美、发展中国家及地区大力投入宽带网络设施建设。根据FTTHGlobalAlliance的数据，2021年9月的数据显示，墨西哥渗透率仅19．6%，而美国的渗透率仅21．5%。根据欧洲FTTHCouncilEurope发布的2021年9月数据，欧盟27国光纤覆盖率约48．5%，欧盟39国光纤覆盖率约57．0%，而光纤服务订阅者比覆盖率更低。而根据《中国宽带白皮书2021》，我国光纤接入用户FTTH/O已经超过4．8亿户，在固定宽带用户中占比94．1%。对比而言，欧洲、北美光纤覆盖渗透率提升还有很大空间。北美XGS-PON未来有望高增长。根据Dell’OroGroup分析，2019-2022年北美地区XGS-PONOLT端口出货量增长2231%，从2019年的3．2万个跃升至2022年的74．8万个。如果供应链问题得到解决，2022年的出货量数字或将更高。我国设备商占比较高，国内光芯片产业链有望受益。根据Omdia2022Q1统计，滚动一年中PON设备市场华为市占率达到36%，中兴占比22%，烽火占比6%，中国设备商占比超过60%以上。考虑下游市占率较高的前提下，国内的光芯片产业链有望持续受益。光纤接入市场以2．5G和10G芯片为主，国产化水平已经较高。根据ICC数据，2．5G及以下市场，国内光芯片企业如源杰、敏芯、中科光芯、仕佳、光安伦等已经占据主要市场份额。公司主要以差异化竞争，面向附加值更高的1270nm/1490nm为主，所以发货量排名不占领先地位。10G光芯片市场中我国光芯片企业已经基本掌握核心技术，根据ICC统计，全球10GDFB市场中公司占比20%，已经超过住友电工、三菱电机等。数据中心：光芯片技术高地，国产化空间大海外云厂商持续升级，100G/400G模块升级至800G/1．6T。海外互联网厂商如Meta、Google、Amazon等拥有规模较大、技术先进的数据中心集群，是每一轮光模块速率升级需求最先出现的地方。当前，根据800GMSA白皮书，2022-2023年海外北美市场对光模块速率需求从200G/400G升级到800G。考虑到高速率模块通常采用多通道方案，意味着50G、100G光芯片用量将快速提升。该领域海外企业历史悠久，先发优势明显。25G以上高速率芯片目前几乎全部由海外厂商供应，主要有博通、Lumentum、三菱、AOI、住友、Macom等，其中欧美的厂商主要通过收并购核心资产的方式发展激光器业务，而日本厂商主要通过自身研发传承，因此两类企业主要的激光器业务部门历史都较长，先发优势较为明显。海外厂商在激光器前沿持续创新能力强。在OFC2020，多家欧美日厂商均公布其前沿的激光器研究成果，主要方向为高速率和PAM4调制来提升单通道速率，主要厂家有II-VI，博通、NTT等厂商。国内厂商当前速率仍主要在10G-25G领域，仍有很大的追赶空间。国内厂商数通领域份额高，上游光芯片国产化空间较大。根据Omdia数据，我国模块厂商中际旭创、光迅科技、华工科技、新易盛等均在全球数通市场占据较好份额。此外，海外模块厂商均在国内有办事处或产能，本土光芯片企业可以实现本土化服务，国产化空间较大。光电子产业链光电子技术实现光与电优势互补，系全球半导体应用的重要分支。当前光子技术传输容量已经被人们充分发掘，但光子计算处理能力仍处于早期操控阶段。电子技术由于发展时间较长，在运算功能上仍难被光子取代，在现有技术条件下，各取所长是人类技术发展的必然趋势。光电子领域已是全球半导体应用重要分支，广泛应用在光通信和消费电子领域。根据2022年8月全球半导体协会WTI的统计及预测数据，2022年光电子市场空间约435亿美元，在半导体四大分支排名第二，约占7%的空间。光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。从光电子器件的应用看，主要包括用于通信领域的光通信器件和光纤光缆，显示领域的显示面板、OLED显示面板，用于照明领域的LED照明芯片/模块等光照明器件，以及应用于传感领域的图像传感器等光传感器件。其中，按利用光的属性区分（信息传输属性和能量属性），光通信、光传感均属于信息光子，光照明、光显示均属于能量光子。光通信芯片是伴随流量增长的绝佳赛道。根据Omdia预测，综合蜂窝网，有线接入和Wifi等三种接入渠道统计，全球总网络流量2019-2024年复合增长率28%，预计到2024年，全球流量将达到576万PB。在流量增长的需求带动下，通信基础设施如数据中心、电信传输网光口速率、密度不断提升。目前，无线接入网已经从10G转向25G，城域网线路侧也从10GDWDM到目前将大量采用100G相干高速率端口，领先的云厂商数据中心光芯片从25G逐渐向50G/100G/200G速率进行升级。流量应用端带来的需求增长是光通信芯片发展的核心驱动因素。光芯片是光通信核心元件，广泛应用于光收发模块中。光芯片属主要应用于光通信系统的发射和接收端，实现光电信号的相互转化，可分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要实现电信号转换为光信号，探测器芯片则将光信号还原为电信号。具体地，光芯片广泛应用于光收发模块中。制作工序上百道，行业以IDM模式为主。GaAs、lnP等三五族半导体材料。由于三五族半导体材料并不如集成电路可大规模标准化使用，而是需要很多产线、工艺的Knowhow积累，因此各家光芯片厂商的制作方案各不相同。但大体的制造流程，主要需要经过四大步骤：购买衬底-外延生长-后端工艺-测试封装。光芯片厂商主要向成熟的磷化铟、砷化镓衬底厂商购买衬底。接下来主要是光芯片厂商自己的设计和生产工序。以常见的RWGDFB激光器芯片为例，主要流程可以用两次外延、四次光刻与刻蚀、掩膜层制备、两次金属电极制备，以及减薄、解理、镀膜、耦合封装等工艺，加上各个流程中材料准备、仪器调整、清洁等辅助流程，25GDFB激光器生产工序超过280道，而中低速率激光器也需要200-230道工序。光芯片厂商在每个步骤的差距，都会导致最终产品巨大数量级的影响。为此，除了少数玩家，国内专业光芯片厂商、光芯片模块厂商通常采用IDM模式。国产高端突破主旋律，新应用领域正快速扩展光芯片应用场景主要分三大类。三大场景包括4G/5G无线网络，固定宽带网络，数据中心场景。光芯片的市场增长中，一是跟随下游光模块的用量走，二是跟随高价值量芯片最集中的场景。从发展历史看，光纤接入市场由于贴近家庭、企业用户，光模块需求量上亿，是全球用量最大的场景；数据中心则是高端、高价值量芯片最集中的场景，当前广泛应用的100G/200G/400G/800G模块需要大量的25G/50G/100G光芯片，合计达到数千万量级，也是值得重视的市场。移动通信市场前传达到千万量级，中回传达到百万量级，技术难度较高，属于需要继续突破的市场。光纤接入和数据中心两个场景将在2023-2025年迎来较为明显的确定性机遇。边际上，光纤接入场景迎来国内外10GPON升级，家庭端和运营商机房局端将迎来明显机会。数通场景是传统的高端光芯片主力市场，长期被日本、美国芯片厂商垄断，也是国内产业链往高端突破绕不开的路。移动通信市场周期性较强，以较为成熟的10G、25G为主，市