一、光芯片的概念

光芯片是光模塊中完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的直接芯片，按應(yīng)用情況，分為激光器芯片和探測(cè)器芯片。激光器芯片發(fā)光基于激光的受激輻射原理，按發(fā)光類型，分為面發(fā)射與邊發(fā)射：面發(fā)射類型主要為VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)，適用于短距多模場(chǎng)景;邊發(fā)射類型主要為FP(法布里-珀羅激光器)、DFB(分布式反饋激光器)以及EML(電吸收調(diào)制激光器)。

FP適用于10G以下中短距場(chǎng)景，DFB及EML適用于中長(zhǎng)距高速率場(chǎng)景。EML通過(guò)在DFB的基礎(chǔ)上增加電吸收片(EAM)作為外調(diào)制器，目前是實(shí)現(xiàn)50G及以上單通道速率的主要光源。

【資料圖】

研究人員將磷化銦的發(fā)光屬性和硅的光路由能力整合到單一混合芯片中。當(dāng)給磷化銦施加電壓的時(shí)候，光進(jìn)入硅片的波導(dǎo)，產(chǎn)生持續(xù)的激光束，這種激光束可驅(qū)動(dòng)其他的硅光子器件。這種基于硅片的激光技術(shù)可使光子學(xué)更廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，因?yàn)椴捎么笠?guī)模硅基制造技術(shù)能夠大幅度降低成本。 英特爾認(rèn)為，盡管該技術(shù)離商品化仍有很長(zhǎng)距離，但相信未來(lái)數(shù)十個(gè)、甚至數(shù)百個(gè)混合硅激光器會(huì)和其它硅光子學(xué)部件一起，被集成到單一硅基芯片上去。這是開(kāi)始低成本大批量生產(chǎn)高集成度硅光子芯片的標(biāo)志。

二、光芯片行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

光芯片還可以按照材料體系及制造工藝的不同，分為InP、GaAs、硅基和薄膜鈮酸鋰四類，其中InP襯底主要包括直接調(diào)制DFB/電吸收調(diào)制EML芯片、探測(cè)器PIN/APD芯片、放大器芯片、調(diào)制器芯片等，GaAs襯底包括高功率激光芯片、VCSEL芯片等，硅基襯底包括PLC、AWG、調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)芯片等，LiNbO3包括調(diào)制器芯片等。

隨著集成電路的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電子集成電路在帶寬與能耗等方面逐漸接近極限。隨著電子電路集成度的不斷提高，金屬導(dǎo)線變得越來(lái)越細(xì)，導(dǎo)線之間的間距不斷縮小，這一方面使得導(dǎo)線的電阻和其歐姆損耗不斷增大，使得系統(tǒng)能耗不斷增加;另一方面會(huì)造成金屬導(dǎo)線間的電容增大，引起導(dǎo)線之間的串?dāng)_加大，進(jìn)而影響芯片的高頻性能。

光芯片是全球半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要細(xì)分賽道，涵蓋工業(yè)用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手機(jī)人臉識(shí)別用VCSEL等成熟應(yīng)用，以及車用激光雷達(dá)和硅光芯片等未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)的新領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球光電子器件(含CCD、CIS、LED、光子探測(cè)器、光耦合器、激光芯片等)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)414億美元，預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)561億美元，2021-2025年CAGR為9%。

電子集成芯片采用電流信號(hào)來(lái)作為信息的載體，而光子芯片則采用頻率更高的光波來(lái)作為信息載體。相比于電子集成電路或電互聯(lián)技術(shù)，光子集成電路與光互連展現(xiàn)出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時(shí)間延遲、以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。 此外，光互連還可以通過(guò)使用多種復(fù)用方式(例如波分復(fù)用WDM、模分互用MDM等)來(lái)提高傳輸媒質(zhì)內(nèi)的通信容量。 因此，建立在集成光路基礎(chǔ)上的片上光互連被認(rèn)為是一種極具潛力的技術(shù)用以克服電子傳輸所帶來(lái)的瓶頸問(wèn)題。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2022-2027年中國(guó)光芯片行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告》顯示：

國(guó)內(nèi)目前參與廠商較散，產(chǎn)品體系豐富度、成熟度低，廠商對(duì)于探測(cè)芯片方案的選擇較為分明，以光迅科技、光森電子、三安光電為首的公司選擇傳統(tǒng)成熟的PIN-PD、APD領(lǐng)域，產(chǎn)品較多運(yùn)用于光通信產(chǎn)業(yè)鏈中;以芯視界、靈明光子、阜時(shí)科技為首的一眾創(chuàng)企較多選擇布局未來(lái)方向的SPAD/SiPM。

外延是半導(dǎo)體工藝當(dāng)中的一種。在bipolar工藝中，硅片最底層是P型襯底硅(有的加點(diǎn)埋層);然后在襯底上生長(zhǎng)一層單晶硅，這層單晶硅稱為外延層;再后來(lái)在外延層上注入基區(qū)、發(fā)射區(qū)等等。最后基本形成縱向NPN管結(jié)構(gòu)：外延層在其中是集電區(qū)，外延上面有基區(qū)和發(fā)射區(qū)。外延片就是在襯底上做好外延層的硅片。因有些廠只做外延之后的工藝生產(chǎn)，所以他們買別人做好外延工藝的外延片來(lái)接著做后續(xù)工藝。

根據(jù)國(guó)內(nèi)第三方工商注冊(cè)服務(wù)機(jī)構(gòu)--"企查查"查詢結(jié)果顯示，截止2021年12月底，國(guó)內(nèi)"存續(xù)"和"在業(yè)"的企業(yè)中業(yè)務(wù)包含"光芯片或者外延片"，并通過(guò)查找范圍"品牌/產(chǎn)品"，篩選之后企業(yè)有19996家，同比2020年年底的11698家增長(zhǎng)8298家。從光芯片外延片行業(yè)人員規(guī)模企業(yè)發(fā)布的人才需求來(lái)看，研發(fā)和銷售是企業(yè)人員需求量最大的兩個(gè)部分，對(duì)研發(fā)崗位的需求高達(dá)55%，其后是銷售客戶支持類崗位，占18%。

2019年中國(guó)光芯片外延片市場(chǎng)規(guī)模為112億元，2020年受新冠疫情影響，中國(guó)光芯片外延片市場(chǎng)規(guī)模有所下降，但隨著相關(guān)領(lǐng)域投資建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，中國(guó)光芯片外延片市場(chǎng)需求將持續(xù)增長(zhǎng)，2021年光芯片外延片行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到125億元，同比增長(zhǎng)17.92%。

在旺盛需求的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)嚴(yán)格的疫情防控措施為國(guó)內(nèi)外光芯片外延片工廠提供復(fù)工生產(chǎn)、調(diào)升稼動(dòng)率彌補(bǔ)庫(kù)存的可能，因此產(chǎn)能擴(kuò)張帶來(lái)的剛需以及提前搶單共同推動(dòng)了中國(guó)大陸地區(qū)光芯片外延片工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)，2021年光芯片外延片行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到118億元，同比增長(zhǎng)16.83%。中國(guó)光芯片外延片產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐步由小而全的綜合制造模式逐步走向設(shè)計(jì)、制造、封裝測(cè)試三業(yè)并舉，各自相對(duì)獨(dú)立發(fā)展的格局。

三、光芯片行業(yè)市場(chǎng)未來(lái)展望

高速數(shù)據(jù)處理和傳輸構(gòu)成了現(xiàn)代計(jì)算系統(tǒng)的兩大支柱，而光子芯片將信息和傳輸和計(jì)算提供一個(gè)重要的連接平臺(tái)，可以大幅降低信息連接所需的成本、復(fù)雜性和功率損耗。隨著硅基光電子學(xué)和半導(dǎo)體加工技術(shù)的不斷發(fā)展，光子和電子混合集成的光電子芯片還可以進(jìn)一步的提升器件性能并降低成本，以滿足不斷增長(zhǎng)的高帶寬互連的需要。

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