光芯片光器件行业科普
发布时间：2022-11-01 11:02:28 所属栏目：应用 来源：
导读： 光通信
光通信技术推动网络变革以满足数据增长需求
数据流量爆发式增长，光通信技术成为终极方案
自1980年代光纤诞生以来，光通信技术引领了信息技术革命性变革，光通信以光波作为信息传
光通信技术推动网络变革以满足数据增长需求
数据流量爆发式增长，光通信技术成为终极方案
自1980年代光纤诞生以来，光通信技术引领了信息技术革命性变革，光通信以光波作为信息传
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光通信 光通信技术推动网络变革以满足数据增长需求 数据流量爆发式增长，光通信技术成为终极方案 自1980年代光纤诞生以来，光通信技术引领了信息技术革命性变革，光通信以光波作为信息传输的载体，以光纤作为信息传输媒介，具有高速率、大容量、长距离、低损耗、体积小、重量轻、抗干扰能力强等优势，在无线通信、光纤宽带、数据中心和消费电子等领域广泛应用。 光通信变革从网络逐步延伸到系统芯片，从广域网、城域网到局域网，从系统、设备到芯片，正在逐步取代电信号的信息传输。1980年代，运营商大带宽长距离通信需求持续增长，光通信首先在广域网应用，随着成本的逐步降低，在运营商城域网又广泛使用。1990年代，数据流量快速增长，光通信进入园区、企业层面的中短距离应用领域。进入2000年，超级计算和大型数据处理需求增长，光通信在数据中心的系统机架间广泛使用，大幅提升了系统级数据处理速度。随着全球数据流量的持续增长，光通信未来将逐步实现板卡级、模块级、芯片级的高速传输，市场规模有望达到数百亿美元。 运营商光通信变革从骨干网延伸到城域网、接入网、基站，未来向全光网演进。随着数量流量的增长，电子器件存在的带宽限制、容量不足、高功耗等缺点凸显，在通信网中出现了“电子瓶颈”的现象。为了解决这一瓶颈，运营商骨干网线路最先采用光通信，并逐步延伸到城域网、接入网和基站。在线路完成光纤化之后，进一步提出了全光网概念，数据只是在进出网络时才进行电光和光电转换，而在网络中所有传输和交换的过程始终以光的形式存在，网络中的设备由电路交换升级到高可靠、大容量和高灵活度的光交叉连接数据交换。在全光网中，由于没有光电转换环节，支持各种不同协议和编码形式，信息传输具有透明性，数据传输效率进一步提升。目前，全球运营商骨干网和城域网已实现光纤化，部分地区接入网光纤化已完成，向全光网的演进已经开始。 应对数据量指数级增长，光通信成为数据中心解决方案。随着移动互联网和云计算的发展，全球互联网业务和应用数据处理都在数据中心进行，数据中心的计算能力和数据交换能力也呈指数级的增长。和传统电信网络不同，数据中心网络主要是机器和机器之间的东西向流量。随着网络速率的不断提高，光通信技术在数据中心得到大量的使用，光通信的应用主体从电信运营商网络转向了数据中心，数据中心成为光通信的最大市场。现代数据中心为了应对数据流量的快速增长，普遍采用Spine-Leaf网络架构，数据中心内部数据交换和处理能力更强，网络结构也更加扁平化和密集。 随着光器件的成熟，网络设备内部引入光交换，实现全光网络传输。网络线路实现光纤化仅是全光网络的第一步，随着光交换、光存储、光多路复用器件的成熟，网络设备节点由光电转换、电交换技术向光交换方向发展，将会引领走向一个全动态的数字光网络。5G对光网络的容量、时延、光纤密度要求很高，需要强大的传输承载架构，全光网是5G最理想的承载技术，具有巨大的可用频谱、超大容量、超高速率等优势。数据中心对交换性能、功耗、集成度、成本等关键指标要求较高，引入全光交换技术，可进一步节能增效，满足数据中心内部海量连接需求。 光互连演进到计算机系统内部，从机架级、设备级、板卡级到芯片级，推动着计算机体系架构对速度的不断突破。摩尔定律依然在发挥效力，推动处理器性能不断进步，计算机系统内外部I/O互连性能远低于处理器性能，成为计算机系统的瓶颈。基于铜线互连的链路在10Gbps以上速率出现明显的瓶颈，在设备机架之间互连、设备板卡之间互连、板卡模块之间互连和芯片之间互连，无法满足计算和数据快速增长的需求。光互连具有高速率、低功耗、小尺寸的性能优势，在铜互连成为计算机系统架构瓶颈时，有望成为最佳解决方案。计算机系统内外部的互连线缆已实现从无源铜缆、有源铜缆到有源光缆的逐步升级，在数据中心已广泛使用。计算机系统内部PCB电路板升级到OPCB光路板，芯片铜线互连升级到芯片光互连，可满足未来更高速率的数据计算处理需求，可大幅提升计算机系统的数据处理能力，具备较大的市场空间。 光器件渐入成熟期，未来市场潜力巨大 光器件依然处于行业早期。光器件位于光通信行业的上游，通过核心光电元件实现光信号的发射、接收、信号处理等功能，是光通信系统的核心。从产业发展周期看，光器件依然处于行业早期，并购整合成为该阶段市场的主旋律。随着行业头部企业规模增大，全球光器件行业将逐步进入成熟期。 光器件种类繁多、百花齐放。按光通信上下游划分，光器件可分为光电芯片、光器件和光模块。光电芯片是光器件的核心元件，根据材料不同可分为InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、LiNbO3、MEMS等芯片，根据功能不同可分为激光器芯片、探测器芯片、调制器芯片。光器件根据是否需要电源划分为有源器件和无源器件。有源器件主要用于光电信号转换，包括激光器、调制器、探测器和集成器件等。无源器件用于满足光传输环节的其他功能，包括光连接器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。光模块是多种光器件封装组合的一体化模块，包括光收发模块、光放大器模块、动态可调模块、性能监控模块 等。光器件性能向着速率高、频谱宽、损耗小、功耗低、灵敏度高、时延短、非线性弱、集成度高、尺寸小、价格便宜的方向不断发展。 光器件市场保持快速增长。根据LightCounting的预测，2019-2023年全球光器件市场规模从70亿美元增长到120亿美元。5G将带来光模块市场强劲增长，中国移动研究院以建设200万基站为例推算，预计将带来4800万支光模块需求。25G/50G/100G高速光模块将逐步在前传、中传和回传引入，100G/200G/400G高速光模块将在传输汇聚和核心层引入。预计5G光模块需求是4G光模块需求的2倍以上，我国5G光模块市场规模将达到200亿元。 我国企业在光器件市场份额进一步扩大。根据网络电信的研究，美国日本企业依然占据全球光器件市场领先地位，掌握核心光芯片、电芯片、光器件的全球主要份额，美国企业市占率约26%，中国企业市占率约17%，日本企业市占率约12%。我国企业进步明显，依靠光模块市场份额的提升，和行业头部企业的差距逐步缩小。全球光器件市场领导者主要包括II-VI、Broadcom、Lumentum、苏州旭创、光迅科技、住友电工等。国内光模块市场的主要供应商包括苏州旭创、光迅科技、海信宽带、昂纳科技、华工科技、新易盛等。 光电芯片是光器件的核心部件，主要包括光芯片（化合物半导体激光器芯片、光电探测器芯片）和电芯片。在高端模块中，光芯片成本占比通常在40%-60%，电芯片成本占比通常在10%-30%，两者合计占高端光模块成本的80%。 光芯片材料以III-V族化合物为主 光芯片材料主要有以砷化镓GaAs和磷化铟InP为代表的III-V族化合物半导体材料为主。III-V族化合物材料拥有最佳的能量转化效率，适用于高速、高频、大功率光电子芯片场景，广泛应用于光通信、卫星通讯、移动通讯和GPS等领域。而不同芯片材料的基态能级差不同，具有不同的发光工作波长，结合光纤传输损耗窗口，常用的发光波长为850nm/1310nm/1550nm。 数据中心和消费电子需求驱动砷化镓市场增长。砷化镓在光通信领域主要应用于VCSEL激光器，产品分布在数据中心和手机3D感应市场。根据Yole的预测，2019-2025年砷化镓光通信市场规模从2400万美元增长的6100万美元，复合年增长率17%。砷化镓衬底主要供应商包括Freiberger、住友电工、AXT和Vital Materials，主流尺寸为3英寸和4英寸。砷化镓外延材料主要供应商包括IQE、全新光电、住友化学、英特磊、II-V。 5G和数据中心需求驱动磷化铟市场增长。磷化铟主要应用在光通信波长为1000nm以上的激光器，主要包括分布式反馈激光器（DFB）、电吸收调制激光器（EML）。DFB适用于速率在25G及以下、传输距离在10千米以内的基站和数据中心场景，EML适用于速率在50G及以下，传输距离在80千米以内的骨干网、城域网和DCI互联场景。随着5G基站和数据中心高速光模块需求的增长，对于磷化铟的需求有望快速增长。根据Yole的预测，2018-2024年磷化铟光通信市场规模从5700万美元增长到1.49亿美元，复合年增长率为14%。磷化铟衬底的主要供应商包括住友电工、AXT、JX Nippon Group，主流尺寸为2英寸和3英寸。磷化铟外延材料主要供应商包括联亚光电、IQE。 SOI是未来硅光集成领域的应用材料。根据Markets and Markets的预测，2019-2024年SOI硅片市场规模将从9亿美元增长至22亿美元，年复合增速超29%。目前，SOI晶圆供应商包括Soitec、信越、SUMCO、环球、上海新傲、TowerJazz、Sony、WaferPro等。 化合物半导体激光器是市场主流 激光器是光模块的核心器件，激光器将电流注入化合物半导体材料中，通过光子震荡和增益产生光信号。化合物半导体激光器是最主要的光通信激光器，主要包括VCSEL（垂直腔面发射激光器）、FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布式反馈激光器），适用于不同传输距离和速度。激光器调制方式分为直接调制和外调试，DFB激光器基于不同调制方式分为DML直接调制激光器和EML电吸收调制激光器。 VCSEL在消费电子市场具有广阔空间。VCSEL在通信领域主要应用于850nm波段数据传输，广泛应用于数据中心和接入网。根据Yole的预测，2018-2024年VCSEL市场规模从7.38.亿美元增长到37.75亿美元，复合年增长率31%。随着VCSEL在苹果手机3D传感的应用突破，未来VCSEL有望广泛应用于消费电子、工业、汽车、医疗等新兴领域。VCSEL的主要供应商包括Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、光迅科技、华芯半导体等。 FP激光器适用于短距离通信。FP主要应用于1310nm/1550nm波段低速率短距离传输，速率一般在1.25G以内，主要应用于接入网GPON/EPON市场。由于存在损耗大、传输距离短的问题，逐步被DFB激光器取代。 DFB激光器适用于中长距离通信。DFB基于FP的基础，目前是最常用的直接调制激光器，主要使用于1310nm、1550nm波段数据通信，广泛应用于数据中心、城域网及接入网。DFB的主要供应商包括II-VI(Finisar)、Lumentum（Oclaro）、Neophotonics、三菱、光迅科技、海信宽带等。 EML激光器成为高速远距离主流光芯片。EML是DFB与EAM（电吸收调制器）的集成激光器芯片，与直接调制的DFB激光器相比，EML具有功率高、窄线宽、宽波长调谐范围等传输优势，广泛应用于数据中心、城域网和骨干网。EML的主要供应商包括Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞萨、住友电工、Neophotonics、光迅科技等。 光电探测器市场保持同步快速增长 光电探测器能够检测光信号并完成光信号向电信号的转换。主要的光电探测器包括PIN（光电二极管探测器）和APD（雪崩光电二极管探测器）。 PIN探测器适用于中短距离的光通信场景。PIN只能实现光电转换功能，输出光电流较弱，适用于中短距离、低灵敏度的场景。主要的PIN供应商包括Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞萨、住友电工、环宇通讯、光迅科技等。 APD探测器是一种高灵敏度探测器。APD除了可实现光电转换功能，对光电流具有放大作用，具备更高的灵敏度、高响应和高可靠性的特性，广泛应用到通信、工业、航空、医疗等各领域。预计2019-2027年全球APD市场规模从re1.51亿美元增长到2.03亿美元，复合年增长率为3.5％。APD的主要参与者包括Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞萨、Excelitas、环宇通讯、光迅科技等。 伴随网络速率提升，电芯片需求日益增长 电芯片主要功能包括对光芯片的配套支撑、电信号功率调节和复杂的数字信号处理。在光模块发射端，Driver驱动芯片用于产生电信号，驱动激光器实现电信号到光信号的转换。在光模块接收端，TIA跨阻放大器芯片在光探测器芯片接收光信号后，完成光信号到电信号的转换，并进行信号放大。在光通信领域，DSP主要用于支持更高速率调制，以提高频谱效率。 逐步提升制造工艺成为控制功耗和成本的主要方式。随着光器件集成度提升，对光模块功耗的要求越来越高，电芯片降低功耗的方法比较有限，提升芯片工艺成为主要方式。电芯片制造工艺逐步从28nm、16nm到7nm，从16nm升级到7nm工艺能够降低功耗高达65%。 从应用市场来说，运营商市场主要是大于40km的相干芯片，数据中心市场主要是小于40km的PAM芯片。电芯片主要的供应商包括Broadcom、Inphi、ADI、瑞萨等。 光通信行业市场格局分析 光通信行业受益于5G网络和数据中心建设需求，未来2-3年具有确定性行业发展机遇。光通信行业包括光纤光缆、有源线缆、光器件、光模块、光设备等细分领域，各细分行业在技术难度、市场规模、市场增长率和市场竞争格局又有所差异。各行业市场格局对比分析如下表所述，行业机会从大到小依次是光模块、光设备、光器件、光线缆。 光通信 光电子产业未来市场前景广阔 上游核心芯片是光通信短期突破方向 国内外政策层面积极布局 国外政府积极布局研究光电子先进技术。20世纪80年代以来，光电子产品市场规模不断扩大，应用日益广泛，大规模光子集成芯片已成为国际竞争最激烈的领域之一，美欧发达国家纷纷将光子集成产业列入国家发展战略性规划。美国宣布光子集成技术国家战略，建立“国家光子集成制造创新研究所”，打造光子集成器件研发制备平台。欧盟“地平线2020”计划中集中部署光电子集成研究项目，旨在实现基于半导体材料和二维晶体材料的光电混合集成芯片。日本实施的“先端研究开发计划”部署光电子融合系统技术开发项目。 我国在光电子技术产业也进行了政策重点布局。“十二五”期间我国在多波束、高速率、大规模和全光信号处理芯片等光电子集成芯片相关技术方面取得了重要进展。“十三五”期间，我国明确了信息光电子方向的技术发展趋势，高端光电子关键技术达到国际先进水平。工信部和电子元器件行业协会也推出了中国光电子器件产业技术发展路线图。 我国光通信上游核心高端芯片器件亟待突破 我国光通信领域企业整体实力仍然偏弱，产业结构不合理，大部分企业位于产业中低端领域。从产品结构看，光通信上游光芯片和光器件处于光通信产业链的核心位置，具有技术壁垒高、产品价值含量高的特点。我国企业虽然逐步提升了在光通信设备器件的全球市场占有率，但仍以中低端的光模块封装制造为主，在上游核心光芯片领域与国际先进水平差距较大。上游材料和芯片的薄弱导致相应的光器件及模块业务发展受到制约，严重依赖于进口。 核心光电芯片成为短期重点突破方向。目前，光芯片核心技术主要掌握在美国、日本厂商手中，我国企业虽然具有光芯片量产能力，但依然以中低速率光芯片、无源芯片制造为主，产品附加值不高，产品同质化严重。国内光模块制造对于高速率光芯片、可调谐激光器芯片、相干DSP芯片、电跨阻放大芯片（TIA）、半导体制冷器（TEC）等高价值核心器件的需求依然依赖进口，未来成为重点突破方向。 硅光集成是光通信中期发展趋势 硅光集成是光通信未来发展方向。随着高速光模块在数据中心的大量运用，传统光模块将面临成本高、功耗高、体积大的问题。硅光集成技术以硅基衬底材料作为光学介质，利用成熟CMOS工艺制造光电器件，利用这些器件进行光子发射、传输、检测和处理，实现在光通信、光互连、光计算等领域的应用。硅光集成将大量分立光学元器件集成在单个硅片上，提升了产品性能，降低了产品价格，将传统光模块的劳动密集型产业升级到高端半导体制造业，是光通信行业未来的发展方向。 光电芯片一体封装（Co-Package）成为硅光集成的技术方向。随着数据中心对于功耗与高密度安装的要求越来越高，可插拔模块渐渐不能满足要求。Co-Package技术是不再需要连接交换机面板上的光模块与PCB板上交换芯片之间的铜线，而且其更简单的SerDes接口不仅可以带来更低功耗，也带来更低延迟。Co-Package凭借尺寸小、功耗低，受到大型互联网公司的青睐。网络交换机的数据速率每18个月翻一番，2017-2025年交换机的数据速率将从5Tbps增长到51.2Tbps，光模块的数据速率将从100Gbps增加到800Gps。CoPackage成为交换机升级到51.2Tbps的关键因素，更低的损耗和更好的热管理技术解决了光器件集成带来的散热问题。 数据中心成为硅光最大细分市场。根据Yole的报告，2019-2025年硅光市场有望从4.8亿美元增长到39亿美元，复合年增长率达40%。其中，数据中心市场是最大细分市场，从3.64亿美元增长到36亿美元，复合年增长率达46%。预计到2025年，5G市场规模6100万美元，长距离光模块市场规模18600万美元，光互连市场规模1800万美元，汽车LiDAR市场规模4400万美元，免疫测试市场规模2200万美元，光纤陀螺仪市场规模2000万美元。 Intel和Cisco引领硅光市场。在硅光集成领域有众多公司参与竞争，其中Intel、IBM、Cisco(收购Acacia和Luxtera)、Mellanox等公司具有较强竞争力。经过了十多年的发展，亚马逊、谷歌、微软等互联网公司的数据中心已大规模采用100G硅光模块，随着400G以上高速率光模块的应用，硅光技术在良率和成本价格方面逐步具备竞争优势。我国企业在硅光集成领域还需加大投入，在硅光器件以及无源硅光集成芯片等领域均有突破。 光电子技术应用场景不断扩大成为长期发展目标 随着5G、云计算、大数据和人工智能的迅猛发展，光电子市场规模不断扩大，光电子技术在数据中心、高性能计算、消费电子、自动驾驶、卫星通信、生物医疗、工业制造等领域的应用越发广泛，光电子产业获得前所未有的市场机遇，产业规模持续扩大。 光电子技术将彻底改变数据中心和高性能计算体系。多国已将光电子技术列为21世纪的国家战略核心技术，投入了巨额资金进行大规模研究工作。光电子技术在高性能计算领域具有高性能、低成本和低功耗特性。以欧盟第七框架计划资助的PhoxTroT项目为例，该项目目标以实现Tbps级别速率的光互联，实现光路板速率超1Tbps、光背板速率超2Tbps、有源光缆传输速率超1.28T bps、集成3D SiP模块和功耗降低50%以上。光电子技术在高性能计算领域逐步成熟，将有利于未来光电子技术在更大的服务器市场、PC市场逐步替代原有的铜互连技术，实现规模化商业应用。 光电子在消费电子市场即将迎来爆发性增长。消费电子市场在移动互联网时代刚刚崛起，在5G智能穿戴时代将迎来全面爆发。随着大带宽需求的增长，消费电子的连接问题日益暴露出来，带宽、传输距离等受到极大挑战，以光纤作为传输介质的连接线解决铜线传输的瓶颈，能确保数据高质量无损传输。英特尔和苹果公司推出Thunderbolt技术，将光电子用于消费电子市场，能够提供40Gbps以上的传输速率。根据Yole的预计，2018-2024年VCSEL在手机3D感知市场规模将从5.5亿美元增长至33.8亿美元。苹果公司iPhone的3D感知技术，采用ToF技术，将人机互动由2D触摸屏互动推向3D感知互动发展，深刻改变人力生产生活，未来在智能家居、智能汽车、AR/VR设备、游戏、虚拟现实、生物识别等领域发展空间巨大。 光电子开启汽车电子市场，3D感知提升汽车智能化和自动驾驶安全性。3D感知技术在提高智能自动驾驶汽车的安全性和功能性方面发挥越来越重要的作用，短距激光雷达可应用于10-50米范围的车辆周边区域检测，远程激光雷达可应用于200米范围内障碍物和行人检测，车内驾驶舱感测通过收集信息用于支持车载导航、驾驶员疲劳提醒和手势操作识别等让驾驶体验更加轻松舒适。激光雷达将成为未来汽车的一项核心技术，根据Yole的预计，激光雷达市场将获得巨幅增长光通信应用，2017-2022年市场规模将从3亿美元增长至44亿美元。 光纤激光器用于工业精密切割和焊接，比传统焊接工艺效率更高。光纤激光器作为新一代工业激光器，已广泛应用于雕刻、打标、切割、焊接和制造领域。光纤激光器具备精度高、功率高、散热好、稳定性好、重量体积轻等性能优势，迅速在工业激光器市场快速增长，随着传统替代和新兴应用场景的不断开发，光纤激光器在全球的市场占比加快提升。根据Optech的报告，光纤激光器快速增长，2005-2017年全球市场规模从1.05亿美元增长到22亿美元，年均复合增速达到29%，预计到2025年全球市场规模将达到44亿美元。 光电子技术应用场景不断扩大，新应用不断涌现。光电子技术是电子信息技术的分支，包括半导体、微电子、光学、通信、计算机、材料等多学科交叉技术。光电子产业链包括激光器、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成、光转换等多个领域。根据光纤在线的报告，光通信产业直接市场规模近500亿美元，随着光电子产业的迅猛发展，全球光电子器件市场规模逐年攀升，光电子技术成为5G、消费电子、工业制造、光学显示、国防军工、光纤传感、自动驾驶、生物医疗等领域推动力量，间接市场规模突破万亿美元。 总结 （1）受益于5G网络和数据中心建设需求，光通信行业未来2-3年具有确定性行业发展机遇，结合光通信细分领域的市场规模、行业增速、竞争格局，行业机会从大到小依次是光模块、光设备、光器件、光线缆。可积极布局产能驱动阶段的子行业，包括光模块、光设备和光器件。 光模块市场受益于5G网络和数据中心市场双轮驱动，具有确定性高速增长机会，我国企业市场占有率较高。其中，数据中心光模块市场规模较大，行业龙头企业是重点方向。 光设备市场规模较大，我国企业在传输设备领域具备较强技术优势和领先的市场份额，在5G网络建设期具有行业增长机会。 光器件市场规模较小，毛利率和系统重要性较高，美日企业具备较强技术优势，我国企业在部分领域具有成本和规模优势。 光纤光缆处于行业下行期，未来3年处于产能消化阶段，需要关注龙头企业的融资需求。有源线缆处于行业早期，未来有高速增长预期。 （2）长期看，光电子产业是下一个半导体产业。光电子产业从通信到消费电子，正在走向更宽泛的汽车、工业、医疗、国防军工等行业，市场规模将突破万亿美元。 （编辑：应用网_扬州站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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