国产光芯片进入高端市场,开启广阔增长空间

 

 

近期,国联证券发布行业深度报告《通信行业:国产光芯片进入高端市场,开启广阔增长空间》,本文摘录了部分内容,想要获取原文,可按下面提示操作。

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证券观点

 
 

国内光通信产业环境有利于国产光芯片发展

根据LightCounting统计数据,2021年我国光模块产业全球份额达到50.81%,国内光模块企业在800G、1.6T、相干光模块等先进产品开发和交付方面保持领先。我国电信运营商建设了全球最大的基础网络,华为、中兴、烽火等国内企业处于全球光通信产业领先地位。中下游丰富的产业资源为光芯片行业快速发展提供有利的发展条件。

 

从25G光芯片开始,我国光芯片有望进入广阔数通市场

当前10G及以下国产光芯片已经取得了较高的全球市场份额。但是10G 1577 EML,25G及以上光芯片等高端产品的市场占有率还很低。目前国产光芯片主要应用场景以电信市场为主。2023年国产25G DFB光芯片有望批量应用于100G及以上光模块市场,进入高端数通光芯片市场。

 

2023年电信运营商网络建设带给光芯片产业的机会

2023年国内运营商加快推进400G ONT骨干网测试入网,这为薄膜铌酸锂调制器提供了加速产业化的历史机遇。在OFC2023上,多家国内光模块厂商展出了基于薄膜铌酸锂芯片的800G光模块,2023年薄膜铌酸锂调制器有望实现突破。2023年运营商继续推动千兆用户增长并开始推广FTTR业务,有望推动非对称PLC芯片需求快速增长。

 

积极布局激光雷达产业,开拓第二增长曲线

激光雷达和通信光学同属信息光学范畴,对激光器的功率要求高于传统光模块,和硅光子学对大功率激光器的需求趋势一致。根据Yole发布的《2022年汽车与工业领域激光雷达应用报告》显示,2022-2027年,激光雷达整体市场将以22%的CAGR增长,到2027年市场规模将达到63亿美元。光库科技、仕佳光子等光芯片企业立足现有技术,积极向激光雷达领域横向拓展,开拓企业第二成长曲线。

 
 

背景聚焦

 

研究背景

根据LightCounting统计和预测数据,2021年全球光模块市场规模超过100亿美金,国产光模块市场份额过半。2022年400G光模块开始大规模部署,800G光模块开始放量,高速光芯片产品需求持续增长。根据Omdia对数据中心和电信场景激光器芯片的预测,2019年至2025年25G及以上速率光模块所使用的光芯片整体市场空间将从13.56亿美元增长至43.40亿美元,年均复合增长率将达到21.40%。

 

随着25G国产光芯片量产,国产光芯片有望切入25G及以上高端光芯片市场。MPO高效链接器,AWG无源芯片、薄膜铌酸锂调制器等低功耗器件的需求有望持续增长。我们看好国产光芯片行业从低端市场向高端市场,从电信市场向数通市场,从国内市场向海外市场扩展的机会。

 

创新之处

我们结合LightCounting 数据库,对各类通信光芯片的应用场景进行了细致的拆解,分析数据中心、PON网络、无线回传、DWDM等各个细分光通信市场对各类光器件的需求变化,测算2023-2027年的市场空间。为未来五年光芯片、光器件行业研究提供数据支持。

 

我们聚焦10G、25G和50G及以上三个关键代际的光芯片产品,重点分析国产光芯片切入海外数通市场带来产业发展机会。

 

我们同时分析了FTTR、400G OTN等2023年国内运营商网络建设重点方向带给光芯片产业的机会,特别是对非对称PLC分路器芯片、薄膜铌酸锂调制器的影响。

 

核心结论

10G光芯片的主要增量需求来自10G PON和5G 中回传市场,但是需求增长的同时市场规模逐步减少,成本优势成为重要的竞争力之一;

 

25G DFB是国产光芯片进入数据市场的机会,50G EML是国产光芯片在数通市场份额提升的重点。从国内电信市场到海外数通市场,国产光芯片行业空间有望实现快速扩展;

 

低功耗和小型化成为800G和1.6T光模块的关键诉求,薄膜铌酸锂芯片和硅光工艺结合成为行业技术方向。同时400G DWDM商用为薄膜铌酸锂调制器产业化提供机会。2023年薄膜铌酸锂芯片和调制器有望批量应用于800G光模块和400G OTN设备,实现从零到一的突破;

 

随着400G以上光模块放量部署,AWG无源芯片、MPO高速率连接器迎来持续增长机会。

 

 

正文

 

 1. 厚积薄发不断进步的国产光芯片行业

 

1.1 光芯片是现代光通信器件核心元件

光通信系统是以光信号为信息载体,以光纤作为传输介质,通过电光转换,以光信号传输信息的系统。按照在信息流中位置,光通信器件主要功能包括:光信号产生、光信号调制、光信号传输、光信号处理、光信号探测。

 

从产业链角度看,光芯片、电芯片、PCB、其他结构件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。

 

光器件按照是否需要电源驱动,可分为有源光器件和无源光器件。有源光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、光滤波器等。

 

光芯片还可以按照材料体系及制造工艺的不同,分为InP、GaAs、硅基和薄膜铌酸锂四类。其中InP衬底主要用于直接调制DFB/电吸收EML芯片、探测器PIN/APD芯片、放大器芯片、调制器芯片等;GaAs衬底用于高功率激光芯片、VCSEL芯片等;硅基衬底用于PLC、AWG、调制器、光开光芯片等,LiNbO3衬底主要用于高速率调制器芯片。

 

光芯片主要用于光模块内部,根据中商情报网、华经产业研究院等机构公布光模块成本结构分析,光芯片成本约占光模块总成本的19%左右。

 

激光器芯片和探测器芯片是最主要的有源光芯片,其中激光器芯片主要用于发射信号,将电信号转化为光信号,探测器芯片主要用于接收信号,将光信号转化为电信号。激光器芯片,按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片,面发射芯片包括VCSEL芯片,边发射芯片包括 FP、DFB和EML芯片;探测器芯片主要有 PIN 和 APD 两类。

 

激光器芯片和探测器芯片,根据调制速率、功耗、传输距离、成本等关键特性的不同,分别应用于无线回传、FTTX接入网、数据中心、长途传输等光通信场景中。

 

1.2 光芯片企业采用IDM模式提高竞争力

光芯片生产工艺和流程均较为复杂,包括芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造、封装测试共五个主要环节。芯片设计指根据芯片功能需求制作光电线路图,这是光芯片生产流程的核心环节。我国多数企业主要集中在这一环,拥有设计能力但不具备生产能力。

 

基板制造/衬底:主要指InP/GaAs等材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底(基板),这是光芯片规模制造的第一个重要环节;

 

磊晶生长/外延片:根据设计需求,生产企业用基板和有机金属气体在MOCVD/MBE设备里长晶,制成外延片。外延片是决定光芯片性能的关键一环,生成条件较为严苛,是光芯片行业技术壁垒最高环节;

 

晶粒制造和封装测试:对外延片进行光刻等系列处理,最后封装成拥有完整光电性能的光芯片。

 

IDM模式能及时响应各类市场需求,灵活调整产品设计、生产环节的工艺参数及产线的生产计划;能高效排查问题原因,精准指向产品设计、生产工序或测试环节等问题点;还能有效保护产品设计结构与工艺制程的知识产权。

国内光芯片企业通过IDM模式,可以在响应速度和成本方面取得竞争优势。从源杰科技IPO材料披露的产品价格看,国产光芯片可以通过价格优势提升市场份额,并且能在产品成熟期保持价格稳定。

 

1.3 国产光芯片产品竞争力不断提升

我国光通信企业从下游到中游,已经初步建立全球领先的竞争力,下游的华为、中兴、烽火等设备企业的传输设备是产率全球领先。在中游的光模块领域,根据LightCounting数据,2021年中国光模块供应商在全球市场的占有率超过50%。

 

上游的光芯片是光器件的核心元件,美国和日本企业依然占据全球光器件行业市场领先地位,高端芯片进口依赖度高。继光模块产业之后,光芯片是我国光电子领域国产化水平亟待提升的重点环节。

 

从国产化进展来看,当前我国高功率激光器芯片,部分高速率激光器芯片已处于国产化加速突破阶段,而光探测芯片、25G以上高速率光芯片仍处于进口替代早期阶段。国产光芯片在高端产品领域同国外厂商还有较大差距。

 

按照产品速率区分,我国光芯片企业已基本掌握10G及以下速率光芯片的核心技术,依靠封装优势在中低端市场已形成较强影响力。根据ICC预测,2021年2.5G及以下国产光芯片占全球比重超过90%,10G光芯片方面国产光芯片占全球比重约60%,但不同频段光芯片的国产化情况存在差异,部分10G光芯片产品性能要求较高、难度较大,如10G VCSEL EML激光器芯片等,国产化率不到40%。

国产光芯片行业同时面临低端产品竞争激烈,高端产品突破困难的国产替代挑战。

 

作为从原材料到光器件的关键环节,光芯片企业还需要上游衬底企业和下游光模块企业的配合,来加快产品性能完善和导入。

 

光芯片行业具有一定的准入门槛。特别是采用IDM模式的企业,光芯片产品设计、良率的提升需要较长周期。光芯片导入下游光器件和模块,需要经过性能测试、可靠性测试等过程。

 


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