硅光直流光源行業產銷需求與投資預測

國產高端突破主旋律，新應用領域正快速擴展光芯片應用場景主要分三大類。三大場景包括4G/5G無線網絡，固定寬帶網絡，數據中心場景。光芯片的市場增長中，一是跟隨下游光模塊的用量走，二是跟隨高價值量芯片最集中的場景。從發展歷史看，光纖接入市場由于貼近家庭、企業用戶，光模塊需求量上億，是全球用量最大的場景；數據中心則是高端、高價值量芯片最集中的場景，當前廣泛應用的100G/200G/400G/800G模塊需要大量的25G/50G/100G光芯片，合計達到數千萬量級，也是值得重視的市場。移動通信市場前傳達到千萬量級，中回傳達到百萬量級，技術難度較高，屬于需要繼續突破的市場。光纖接入和數據中心兩個場景將在2023-2025年迎來較為明顯的確定性機遇。邊際上，光纖接入場景迎來國內外10GPON升級，家庭端和運營商機房局端將迎來明顯機會。數通場景是傳統的高端光芯片主力市場，長期被日本、美國芯片廠商壟斷，也是國內產業鏈往高端突破繞不開的路。移動通信市場周期性較強，以較為成熟的10G、25G為主，市場有望平穩發展。材料與結構各異，市場規模約14億美金光芯片類別較多，可從材料和結構兩維度進行區分。光芯片屬于半導體激光器/探測器，從結構看，激光器常用的結構有面發射結構的VCSEL，和邊發射（EEL）的FP、DFB和EML，發光材料襯底主要有lnP和GaAs。而目前商用的探測器主要結構有PIN、APD兩種，材料體系較為多樣，Si/Ge/LnP均是可選用的材料。光發射芯片種類較多，應用場景各異。其中，VCSEL主要應用于短距離傳輸，成本、功耗較低，在數據中心內數百米內占統治地位，已經得到廣泛使用；FP是多縱模激射的激光器，主要應用于GPON、EPON等低速率接入場景，工藝已比較成熟；DFB主要在FP上進行改進，使得實現單波長的出射，主要應用于中短距離較高速率的固定接入網和無線接入網，25GDFB是目前廣泛應用在基站前傳、中傳的主力光芯片；EML由于在LnP上集成了DFB激光器和外調制器，需要兩次或多次外延，工藝難，良率低，但其調制和發射性能較好，可以廣泛應用在10km以上的城域網、傳輸網等。光接收芯片按內部結構分，可分為PN結構、PIN結構和APD結構。其中，PN結構由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN結構廣泛代替。PIN主要應用于短距離（2km以下），成本較低；而APD由于可實現光子的雪崩倍增現象，對光電探測靈敏度有很大提升，但由于成本較為昂貴，廣泛應用于中長距離如城域網、5G中回傳等場景。光收發芯片約占光模塊20%-25%的成本，光發射芯片價值量較大。在主要的應用場景光模塊中，以典型的100GCWDM4光模塊成本為例，普遍采用四通道25G速率的LD芯片和PD芯片（或芯片陣列），光芯片約占總成本23%，其中，預計光發射芯片占比BOM成本達到20%，探測器芯片約占比3%。光電子產業鏈光電子技術實現光與電優勢互補，系全球半導體應用的重要分支。當前光子技術傳輸容量已經被人們充分發掘，但光子計算處理能力仍處于早期操控階段。電子技術由于發展時間較長，在運算功能上仍難被光子取代，在現有技術條件下，各取所長是人類技術發展的必然趨勢。光電子領域已是全球半導體應用重要分支，廣泛應用在光通信和消費電子領域。根據2022年8月全球半導體協會WTI的統計及預測數據，2022年光電子市場空間約435億美元，在半導體四大分支排名第二，約占7%的空間。光電子器件是利用電-光子轉換效應制成的各種功能器件。從光電子器件的應用看，主要包括用于通信領域的光通信器件和光纖光纜，顯示領域的顯示面板、OLED顯示面板，用于照明領域的LED照明芯片/模塊等光照明器件，以及應用于傳感領域的圖像傳感器等光傳感器件。其中，按利用光的屬性區分（信息傳輸屬性和能量屬性），光通信、光傳感均屬于信息光子，光照明、光顯示均屬于能量光子。光通信芯片是伴隨流量增長的絕佳賽道。根據Omdia預測，綜合蜂窩網，有線接入和Wifi等三種接入渠道統計，全球總網絡流量2019-2024年復合增長率28%，預計到2024年，全球流量將達到576萬PB。在流量增長的需求帶動下，通信基礎設施如數據中心、電信傳輸網光口速率、密度不斷提升。目前，無線接入網已經從10G轉向25G，城域網線路側也從10GDWDM到目前將大量采用100G相干高速率端口，領先的云廠商數據中心光芯片從25G逐漸向50G/100G/200G速率進行升級。流量應用端帶來的需求增長是光通信芯片發展的核心驅動因素。光芯片是光通信核心元件，廣泛應用于光收發模塊中。光芯片屬主要應用于光通信系統的發射和接收端，實現光電信號的相互轉化，可分為激光器芯片和探測器芯片。激光器芯片主要實現電信號轉換為光信號，探測器芯片則將光信號還原為電信號。具體地，光芯片廣泛應用于光收發模塊中。制作工序上百道，行業以IDM模式為主。GaAs、lnP等三五族半導體材料。由于三五族半導體材料并不如集成電路可大規模標準化使用，而是需要很多產線、工藝的Knowhow積累，因此各家光芯片廠商的制作方案各不相同。但大體的制造流程，主要需要經過四大步驟：購買襯底-外延生長-后端工藝-測試封裝。光芯片廠商主要向成熟的磷化銦、砷化鎵襯底廠商購買襯底。接下來主要是光芯片廠商自己的設計和生產工序。以常見的RWGDFB激光器芯片為例，主要流程可以用兩次外延、四次光刻與刻蝕、掩膜層制備、兩次金屬電極制備，以及減薄、解理、鍍膜、耦合封裝等工藝，加上各個流程中材料準備、儀器調整、清潔等輔助流程，25GDFB激光器生產工序超過280道，而中低速率激光器也需要200-230道工序。光芯片廠商在每個步驟的差距，都會導致最終產品巨大數量級的影響。為此，除了少數玩家，國內專業光芯片廠商、光芯片模塊廠商通常采用IDM模式。光芯片行業的市場競爭格局根據LightCounting并結合行業數據測算，2021全球光通信用光芯片市場規模為146．70億元，其中2．5G、10G及25G及以上光芯片市場規模分別為11．67億元、27．48億元、107．55億元。結合ICC數據測算，2021年我國光芯片廠商的銷售規模為37．37億元。我國光芯片廠商包括專業化光芯片企業、光芯片光模塊一體化企業。其中，專業化光芯片企業專注于光芯片領域且產品種類齊全，而光芯片光模塊一體化企業為確保光芯片供應安全，除直接對外采購光芯片外，會通過自研或收購光芯片業務開發部分型號光芯片產品，與專業化光芯片企業存在合作大于競爭的關系。光纖接入：全球景氣周期，10GPON升級明確光纖接入網絡是家庭寬帶用戶上網的主要承載網絡。通常網絡使用光纖從運營商機房局端設備連接到光分路器，再進入到家庭用戶的光貓處，其中在局端設備側將大量使用到OLT光模塊，以及在家庭用戶光貓中的ONU光模塊。局端設備側光模塊通常采用適合高速率、大功率、長距離傳輸的EML芯片，價值量較高，而家庭用戶側通常采用DFB芯片。10GPON升級景氣度高，可展望2-3年高景氣。局端（運營商機房）提供高速上網能力，需要運營商提前部署，根據2022年11月工信部數據，我國10GPON端口超過1400萬個，大概滲透率達到存量PON端口的1/3；而家庭端需要家庭用戶自身選擇是否更換上網套餐和網關設備，千兆用戶數達到約8707萬個，大概占5億家庭用戶15%。從滲透率角度看，預計2023-2025年仍將是國內10GPON升級滲透的景氣周期。海外光纖網絡建設迅猛，全球各地區加大投入。疫情爆發后，歐洲、北美、發展中國家及地區大力投入寬帶網絡設施建設。根據FTTHGlobalAlliance的數據，2021年9月的數據顯示，墨西哥滲透率僅19．6%，而美國的滲透率僅21．5%。根據歐洲FTTHCouncilEurope發布的2021年9月數據，歐盟27國光纖覆蓋率約48．5%，歐盟39國光纖覆蓋率約57．0%，而光纖服務訂閱者比覆蓋率更低。而根據《中國寬帶白皮書2021》，我國光纖接入用戶FTTH/O已經超過4．8億戶，在固定寬帶用戶中占比94．1%。對比而言，歐洲、北美光纖覆蓋滲透率提升還有很大空間。北美XGS-PON未來有望高增長。根據Dell’OroGroup分析，2019-2022年北美地區XGS-PONOLT端口出貨量增長2231%，從2019年的3．2萬個躍升至2022年的74．8萬個。如果供應鏈問題得到解決，2022年的出貨量數字或將更高。我國設備商占比較高，國內光芯片產業鏈有望受益。根據Omdia2022Q1統計，滾動一年中PON設備市場華為市占率達到36%，中興占比22%，烽火占比6%，中國設備商占比超過60%以上。考慮下游市占率較高的前提下，國內的光芯片產業鏈有望持續受益。光纖接入市場以2．5G和10G芯片為主，國產化水平已經較高。根據ICC數據，2．5G及以下市場，國內光芯片企業如源杰、敏芯、中科光芯、仕佳、光安倫等已經占據主要市場份額。公司主要以差異化競爭，面向附加值更高的1270nm/1490nm為主，所以發貨量排名不占領先地位。10G光芯片市場中我國光芯片企業已經基本掌握核心技術，根據ICC統計，全球10GDFB市場中公司占比20%，已經超過住友電工、三菱電機等。中國光芯片行業發展現狀投資前景中國光芯片規模在全球占據重要地位，但25G及以上光芯片占比較低。芯片技術發展至今，芯片的發展也達到了一個極限，一般人都以為芯片的極限是1nm，但如今芯片行業正在朝著更高級的方向發展，比如量子芯片、光電子芯片、碳基芯片等等。中國在量子晶片、光伏晶片領域，都是全球領先的，在全球率先建設了一條量子晶體管、晶體管的流水線，而中國也是如此，他們的晶體管，在晶體管領域，已經超過了美國，未來的晶體管，將會成為全球最大的競爭對手。組件、光接收組件、光調制器等。光芯片加工封裝為光發射組件（TOSA）及光接收組件（ROSA），再將光收發組件、電芯片、結構件等進一步加工成光模塊。光芯片的性能直接決定光模塊的傳輸速率，是光通信產業鏈的核心之一。光芯片主要使用光電子技術，海外在近代光電子技術起步較早、積累較多，歐美日等發達國家陸續將光子集成產業列入國家發展戰略規劃。國內的光芯片生產商普遍具有除晶圓外延環節之外的后端加工能力，而光芯片核心的外延技術并不成熟，高端的外延片需向國際外延廠進行采購，限制了高端光芯片的發展。以激光器芯片為例，我國能夠規模量產10G及以下中低速率激光器芯片，但25G激光器芯片僅少部分廠商實現批量發貨，25G以上速率激光器芯片大部分廠商仍在研發或小規模試產階段。整體來看高速率光芯片嚴重依賴進口，與國外產業領先水平存在一定差距。我國政府在光電子技術產業進行重點政策布局，2017年中國電子元件行業協會發布《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022年）》，明確2022年25G及以上速率DFB激光器芯片國產化率超過60%，實現高端光芯片逐步的目標。光芯片行業產業鏈從產業鏈角度看，光芯片與其他基礎構件（電芯片、結構件、輔料等）構成光通信產業上游，產業中游為光器件，包括光組件與光模塊，產業下游組裝成系統設備，最終應用于電信市場，如光纖接入、4G/5G移動通信網絡，云計算、互聯網廠商數據中心等領域。光通信產業鏈中，組件可分為光無源組件和光有源組件。光無源組件在系統中消耗一定能量，實現光信號的傳導、分流、阻擋、過濾等交通功能，主要包括光隔離器、光分路器、光開關、光連接器、光背板等;光有源組件在系統中將光電信號相互轉換，實現信號傳輸的功能。（一）市場規模不斷擴大，5G助力光芯片需求增長近年來，中國逐漸成為全球最大的光通信市場，光芯片市場規模也逐年擴大。2015-2021年，國內光芯片市場從8億美元擴大到20．8億美元，年均復合增長率超過15%。中國光芯片市場的擴大與市場需求的增長密不可分。從中國光芯片終端應用市場來看，電信市場、數據中心市場和消費電子市場是其主要應用市場。其中，電信市場份額約占60%；數據中心市場份額約占30%；電子市場的市場份額約占10%。隨著中國5G時代的到來，國內電信市場、數據中心市場、消費電子市場也面臨發展機遇。據悉，早在去年8月，我國已建成99．3萬個5G基站，居世界第一。5G基站已覆蓋全國所有地級市、95%以上的縣和35%的鄉鎮。隨著國內5G基站的大規模建設，對光模塊的需求再次被拉動，對光芯片的需求也在增加。而且一般來說，5G單基站光模塊的數量比4G單基站光模塊多2-4個，5G基站的建設對光芯片需求的拉動作用很大。據測算，5G基站光芯片的市場規模約為4G基站的2．8倍。（二）低端光學芯片技術相對成熟，高端光學芯片技術欠缺資料顯示，中國通信設備占全球份額的40%-70%，光模塊約占全球份額的18%-20%；光器件約占全球市場份額的25%-30%，但光芯片僅占全球市場份額的1%左右。作為光通信產業的上游技術密集型產業，光器件中光芯片的成本一直居高不下，在30%-60%之間。這主要是因為我國光芯片產業還存在產能不足、國產化率低、缺乏高端光芯片技術等問題。從我國光芯片的產能和產量來看，我國能生產光芯片的企業約30家，實現量產的企業僅5家左右；光芯片技術方面，大部分企業可以量產低端芯片，只有少數廠商可以生產高端芯片，產能有限，占市場份額不到1%。目前，國產光芯片仍以低端產品為主；但是高端外延片需要從國際外延廠購買，限制了高端光芯片的發展。以激光芯片為例，我國能夠量產10G及以下的中低速激光芯片，只有少數25Gb/s激光器的廠商接近成熟，實現了批量交付，而25G以上的激光芯片大部分廠商還處于研發或小規模試制階段。總體來看，高速光芯片嚴重依賴進口，與國外行業領先水平存在一定差距。（三）政策助力，企業積極布局國內高端光芯片技術的匱乏仍然是行業的一大痛點。然而，高速光學芯片的穩定性和大規模生產能力取決于設備的精度和參數、人的經驗和資金投入。光芯片設備投資大，如果沒有資本介入，只靠一家公司很難投資R&D和生產。目前國內的人才引進環境和政策都比較好，也可以在海外設立研究院，所以各大企業也在布局。隨著產業政策的持續利好，光通信芯片的市場前景對企業來說是廣闊的，因此國內通信企業紛紛加大投入，積極布局光芯片產業。其中，華為、霍峰等通信巨頭對光通信芯片投入巨大，中興、海信等公司也在積極布局。集成光學：大功