中国本土光芯片向国际先进水平发起冲击

　　随着光电半导体产业的发展，作为产业链上游的核心元器件，光电子器件（光芯片）已经广泛应用于通信、工业、消费等领域。

　　光芯片包括CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等多种类型。如果按照是否发生光电信号转化分类，光芯片可分为有源光芯片和无源光芯片两类，有源光芯片包括发射芯片和接收芯片，无源光芯片包括光开关芯片、光分束器芯片等。下面主要分析一下有源光芯片，如激光芯片和光子探测芯片等的产业发展情况。

　　有源光芯片，特别是激光芯片，主要用于工业（高功率激光芯片）、通信（高速率激光芯片），另外，VCSEL和硅光芯片处于成长期，未来有更广阔的发展空间。

　　在光通信领域，光芯片是光模块发射、接收组件的核心元器件，分别实现电信号向光信号、光信号向电信号的转换，决定着光模块的传输速率。在工业应用中，光芯片同热沉、光束整形器件等组成光纤激光器、固体激光器的泵浦源，为激光器内的工作介质实现粒子数反转提供能源。在消费类应用中，光芯片已广泛应用于3D传感（手机、汽车）等场景，以车载激光雷达为例，光芯片是发射端和接收端的核心器件，决定着激光雷达的探测距离、分辨率等关键性能。

　　与大规模集成电路已形成高度产业链分工相比，光芯片行业尚未形成成熟的设计-代工-封测产业链。国际头部光芯片厂商，如 II-IV、Lumentum等，多为IDM模式，之所以如此，主要原因在于光芯片主要采用特色工艺制造，其芯片制造技术门槛较高，且产线难以实现标准化，厂商采用IDM模式可以实现生产环节协同优化，同时满足客户多样化的需求。

　　目前，中国本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G等）等已处于国产化加速突破阶段，而光探测芯片、25G以上高速率激光芯片刚刚起步，本土化还有较长的路要走。

　　厂商方面，中国本土光芯片企业主要关注工业/国防等高功率应用，这也是它们主要的营收来源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企业具备与II-VI、Lumentum等国际大厂进行竞争的能力。但在光通信、消费类应用领域，与国际大厂差距较大，是下一步努力的重点。光通信市场空间广阔，同时，光通信、VCSEL等光芯片制造工艺与高功率激光芯片工艺复用程度较高，中国本土企业可以基于自身技术积累切入。

　　下面具体看一下中国本土企业在高功率激光芯片、光探测芯片、VCSEL和硅光芯片方面的发展情况。

　　美国和欧洲在高功率激光芯片方面的产业化起步较早，技术上具备领先优势，传统巨头包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。近些年，中国本土激光芯片技术不断突破，相关产业处于快速发展期，主要厂商包括长光华芯、武汉锐晶、华光光电、度亘激光、深圳瑞波等。据长光华芯招股书测算，2021年，长光华芯、武汉锐晶在国内高功率激光芯片市场中的份额分别为13.4%和7.4%。

　　本土企业的产品力一直在提升，以长光华芯为例，该公司成立于2012年，成立之初研发出13W以上高亮度单管芯片，2019年推出15W单管芯片，2020年推出18W、25W单管芯片，2021年实现了30W单管芯片量产，目前，其产品正在向更高功率水平持续迭代。

　　25G及以下光芯片方面，我国已基本实现国产化，特别是在10G芯片方面，源杰科技等本土企业已在部分细分市场取得领先份额，但技术门槛较高市场仍依赖进口，25G以上市场是国产化薄弱环节，据IDC统计，25G光芯片的国产化率约为20%，25G以上的国产化率只有约5%。近些年，中国本土企业在5G基站前传光模块用25GDFB激光芯片方面有所突破，用于数据中心的光模块企业开始使用国产的25GDFB激光芯片。

　　长光华芯等公司已切入锐科激光、创鑫激光等头部光纤激光器厂商供应链，推动对II-VI、Lumentum 等海外厂商进口替代的步伐。未来，随着国产更高功率产品的导入，以及新建产能的落地，有望加速国产份额提升步伐。

　　光探测芯片广泛应用于手机、光通信、智能家电（如扫地机器人）等应用场景，随着车载激光雷达产业的快速发展，光探测芯片作为激光雷达接收端核心元器件，有望迎来新的发展机遇。

　　在技术方案层面，目前，APD是主流方案，First-sensor、滨松和Kyosemi是行业前三厂商，三家市占率达到45%。比APD更先进的技术方案是SPAD/SiPM，对比APD，SPAD/SiPM具有更强的探测灵敏度，同时，SiPM为阵列形式，更易于与阵列光源相匹配，且更易与CMOS工艺集成，从而降低成本。因此，SPAD/SiPM有望成为激光雷达接收端芯片的未来发展方向。不过，SPAD/SiPM技术难度大，进入门槛高，全球SiPM市场主要被安森美、滨松、博通等头部企业把持着，合计市占率达到83%。

　　目前，中国本土企业在光探测芯片领域的市占率较低，主要原因在于没有完整的生产加工体系。中国在光通信用APD/PIN市场已实现国产化突破，相比之下，本土企业尚未在 SPAD/SiPM市场形成量产能力。

　　据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 年）》统计，中国SPAD等光芯片发展高度依赖生产工艺及封装测试，在SPAD领域做的较好的安森美，CIS/CCD主要玩家佳能、索尼等国际大厂，拥有大批量封装测试经验和能力，然而，中国本土相关企业生产工艺还未成熟，且缺少本地优质代工平台，在芯片流片加工方面严重依赖美国、新加坡、德国等国家的代工厂，再加上熟悉相关工艺的技术人员稀缺，造成关键技术发展缓慢、芯片研发周期较长、效率较低等局面。

　　不过，中国本土市场和相关企业也有自身优势，与国外大厂相比，国内光探测芯片厂商在产品的定制化上有较好的灵活性，价格也有一定的优势，未来，随着在产品、技术上不断突破，有望推进国产替代进程。

　　目前，中国本土企业对于光探测芯片方案的选择较为分明。以光迅科技、光森电子、三安光电为代表的公司选择传统成熟的PIN-PD、APD方案，产品多应用于光通信，而以芯视界、灵明光子、阜时科技为代表的创业型公司则更多地选择布局代表未来发展方向的SPAD/SiPM方案，而且，国产SPAD/SiPM产品已经开始应用于消费电子、激光雷达、AR/VR、医疗等领域。另外，还有中国本土企业在单项产品力上领先国际的案例，例如，灵明光子的产品在波长905nm处的单光子探测效率（PDE）达到25%，超过行业平均水平（5%~18%）。

　　与LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有许多优势，例如量产成本低，波长稳定性高（温漂小），易于二维集成，低阈值电流，可高频调制，没有腔面阈值损伤等。Yole发布的相关报告显示，自2017年苹果在iPhoneX中引入3D传感功能以来，VCSEL在消费电子应用领域快速发展，主要应用逐渐由850nm器件的高速数据通信转向940nm器件的3D传感应用。

　　目前，国际大厂Lumentum、II-IV凭借技术优势主导VCSEL芯片市场，据Yole统计，Lumentum、II-IV两家公司在2021年的市场合计份额超过80%。生产模式方面，Lumentum将外延环节外包，II-VI自产外延片。

　　中国本土传感应用类VCSEL芯片企业主要包括长光华芯、纵慧芯光、睿熙科技、柠檬光子、博升光电、瑞识科技等，大多数是创业型公司，VCSEL芯片量产能力有限，与国际大厂之间还有明显差距。不过，凭借后发优势，这些中国本土企业正在努力赶上国际先进技术和产品发展脚步，并通过多种方式提升自身竞争力，例如，采用IDM 模式，用以打造核心竞争力。

　　硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片，在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势，可广泛应用于光通信、数据中心、医疗检测、自动驾驶、国防等领域，其中，光通信是硅光芯片最主要的应用市场。

　　目前，全球硅光技术及产业化领先的玩家主要包括英特尔、思科和Inphi，近些年，思科、华为、Ciena、Juniper等知名企业纷纷通过收购来布局硅光技术，Marvell、思科、诺基亚等斥资百亿美元先后收购 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光领域的创新企业。英特尔和台积电都在大力开发硅光子制造工艺技术，已经形成较为完整的硅光芯片产业链。

　　中国在硅光芯片研究方面与国际先进水平处于同一起跑线，科研进展也相当，但在产业化发展和产业链配套建设方面，中国本土企业与国际大厂仍有差距。