光芯片原理、产业链、分类、技术壁垒及供需格局如何？

AI 带动数通高速增长，给予高速光芯片厂商切入机遇。

光芯片是实现光转电、电转光、分路、衰减、合分波等基础光通信功能的芯片，是 光器件和光模块的核心。光芯片的原理是基于光子学原理，即利用光的波动性和粒子性 来传输和处理信息。光芯片的工作过程可简单分为三个步骤：光发射、光传输和光检测。 首先，激光器将电信号转换为光信号，其次，光波导将光信号在芯片内传输；最后，光 探测器将光信号转换为电信号。光芯片通过加工封装为光发射组件（TOSA）及光接收 组件（ROSA）， 再将光收发组件、电芯片、结构件等进一步加工成光模块。

光芯片作为光通信产业链的核心，承担着电信号与光信号转换的关键角色。光芯片 的性能直接决定了光模块的传输速率，而光模块又是数据中心内部互连和数据中心相互 连接的核心部件，因此光芯片直接关联整个通信系统的数据传输速率和稳定性，其技术 进步直接推动着光通信系统性能的提升。

从产业链角度看，光芯片与其他基础构件（电芯片、结构件、辅料等）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。在移 动通信方面，5G 网络的前传、中传、回传都可以见到光模块的应用。随着数据中心的快速发展以及 5G 技术的商用化，光芯片的市场需求日益增长。

按功能分类，光芯片可分为有源光芯片和无源光芯片。有源光芯片负责光电信号转 换，包括激光器芯片和探测器芯片；无源光芯片则包括光开关芯片、光分束器芯片等。 （1）有源光芯片： 有源光芯片主要负责光电信号的转换，包括激光器芯片和探测器芯片，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。 （2）无源光芯片： 无源光芯片主要负责光信号的路由、分路、合路等任务，不涉及光电信号的转换。 主要类型包括：PLC 分路器芯片、AWG 芯片、MEMS 芯片、SiP（System in Package）。

按材料分类。光芯片的制造材料通常基于不同的化合物半导体，主要包括：InP 系 列：铟磷化物，适用于制造高速率激光器和探测器芯片；GaAs 系列：砷化镓，常用于 制造 PIN 和 APD 探测器芯片；Si/SiO2 系列：硅和二氧化硅材料，用于制造 PLC 和 AWG 等无源器件；SiP 系列：硅磷化物，用于某些特定类型的光电子集成电路；LiNbO3 系列：用于高速调制器芯片。

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。 （1）芯片设计： 利用专业的 EDA（电子设计自动化）软件进行芯片的版图设计，包括电子线路的 布局和光学路径的设计。设计过程中需要考虑芯片的电气特性、光学特性以及与后续工 艺的兼容性，这是光芯片具有存在和使用价值的核心环节。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。 （2）基板制造： 基板是芯片的物理基础，通常由高纯度的半导体材料如 InP（磷化铟）、GaAs（砷 化镓）或 Si（硅）制成。基板的制造包括晶体生长、切割、抛光等步骤，要求极高的材 料纯度和表面平整度，当前能实现高纯度单晶体衬底批量生产的全球仅有几家企业，均 为海外企业。 （3）磊晶成长/外延片： 在基板上生长多层半导体材料，形成具有不同掺杂特性的多层结构，这一过程称为 外延生长。常用的外延生长技术包括分子束外延（MBE）、有机金属气相沉积（MOCVD） 等。外延片是决定光芯片性能的关键一环，生成条件较为严苛，因此是光芯片行业技术壁垒最高环节。成熟技术工艺主要集中于中国台湾以及美日企业，国内企业量产能力相 对有限。 （4）晶粒制造（Chip Fabrication）： 通过光刻技术将设计好的版图转移到外延片上，然后通过蚀刻、离子注入、扩散、 抛光等步骤制造出芯片的微观结构。这一步骤对工艺的精确度要求极高，因为任何微小 的偏差都可能影响芯片的性能。 （5）封装测试（Packaging and Testing）： 将制造完成的芯片进行切割、清洁，然后安装到封装中，形成可以方便使用的模块。 封装不仅起到物理保护作用，还提供电气连接和散热功能。在封装前后，需要对芯片进 行多次性能测试，包括光学测试、电学测试和可靠性测试，确保产品符合设计规格。中 国台湾是全球光芯片晶粒制造和封装测试集中地区。

高速光芯片是光通信技术发展的重要瓶颈，外延环节是核心。高速光芯片，特别是 25G 及以上的高速率光芯片，是行业中技术壁垒最高的环节。高速光芯片的生产包含 280 多道工序，涉及外延生长、光刻、刻蚀等精密加工，比中低速率激光器多出 50~70 道，尤其外延环节对设计及生产工艺的要求极高，是当前国内厂商与海外头部厂商的主 要差距所在。外延环节需要精确控制材料厚度、比例和电学掺杂，每层量子阱的厚度精 度误差需小于 0.2nm。

高速光芯片的研发和生产需要长期的技术积累和经验沉淀，新进入者难以快速突 破。高速光芯片良率的爬坡过程通常缓慢，需要大量的试验和优化。在高速光芯片领域， 先发优势尤为明显，早期进入市场的企业能够通过持续的研发投入和市场实践，逐步建 立起技术壁垒，形成强大的竞争优势。海外领先光芯片公司如 II-VI、Lumentum 等，它 们不仅在高端通信激光器领域已经广泛布局，而且在可调谐激光器、超窄线宽激光器、 大功率激光器等高端产品领域也已有深厚积淀。这些企业通过长期的技术积累，能够量 产 25G 及以上速率的光芯片，而国内企业在这些高端产品的研发和生产上仍有较大的 差距，25G 以上速率的激光器芯片大部分厂商仍在研发或小规模试产阶段。高速光芯片 的研发和生产不仅是技术的竞争，更是时间的赛跑。 服务器稳定性是首要选择，供应商替换难度大。在选择光模块时，服务器厂商通常 优先选择已经建立长期合作关系、具备良好稳定性记录的光模块供应商，这种谨慎的选 择有助于确保数据传输的可靠性和服务器的持续稳定运行。当现有供应商无法满足需求、 出现供不应求的情况时，便成为新厂商切入市场的最佳时机。同样，光模块厂商在选择 光芯片供应商时也遵循类似的逻辑。由于光芯片的性能直接影响光模块的稳定性和整体 性能，光模块厂商会倾向于选择具有稳定供货能力和高质量产品的光芯片供应商，以确 保最终产品的可靠性。然而当现有光芯片供应商无法满足需求或供货不稳定时，新供应 商若能在供不应求的时机进入并提供高质量和稳定的光芯片产品，就有机会成为新的合 作伙伴。

光芯片下游应用广泛，包括光纤接入、移动通信网络、数据中心互联以及新兴的 AI 和物联网领域。随着 5G 基站的大规模部署和数据中心的持续扩容，对高速光芯片的需 求不断上升，为光芯片市场带来新的增长点。 数据中心：光芯片在数据中心中扮演着至关重要的角色，主要用于实现数据在大型 数据中心内部以及数据中心间的传输。随着数据中心流量的快速增长，对更高速率光模 块的市场需求不断凸显。当前，数据中心使用的光芯片速率以 25G、50G、100G 为多， 且正向 200G/400G 光模块过渡。光芯片在数据中心中的应用主要集中在短距离传输， 其中 VCSEL 芯片因其体积小、成本低等特点，在数据中心内部传输中得到广泛应用。

光纤接入：在光纤接入领域，光芯片作为发射端的激光器芯片和接收端的探测器芯 片，通过光电转换，实现信息在光纤中的高速稳定传递。PON 技术作为一种基于无源 ODN 网络的宽带接入技术，使用广泛。PON 网络由 OLT（光线路终端）、ODN（光分 配网络）、ONU（光网络单元）等部分构成，其中光芯片在 OLT 和 ONU 中发挥着核心 作用。随着技术的发展，PON 技术的速率等级也在不断提升，如 10G PON、50G-PON 等，以满足更高的带宽需求。 移动通信：在移动通信领域，光芯片主要应用于基站的前传和回传网络中。前传网 络连接基站的有源天线单元（AAU）和分布单元（DU），而回传网络则负责将数据传输 到更远的核心网络。移动通信领域光芯片的应用以 10G、25G 光芯片为主，以适应 5G 基站建设对高速光芯片的需求。

3.1. 数通市场：AIGC 引爆高算力需求，数据中心扩容助力市场增长

数据中心扩张：互联网及云计算的普及推动了数据中心的快速发展，数据中心内部 互连和数据中心间的互联需求日益增长，对高速光芯片的需求同步增加。数据中心市场 规模及其营收占比持续提升，预计未来 5 年将驱动光器件行业规模扩张。全球 AI 计 算、互联网业务及应用数据处理集中在数据中心进行，使得数据流量迅速增长，而数据 中心需内部处理的数据流量远大于需向外传输的数据流量，使得数据处理复杂度不断提 高。光模块是数据中心内部互连和数据中心相互连接的核心部件，需求量大。 目前北美拥有最大的数据中心市场，未来一段时间内数据中心在亚太地区的营收 将以最快的速度增长，主要拉动点为中国和印度的工业化进程和科技突破。根据恒讯科 技的数据，截至 2022 年底，我国数据中心总数为 416 个，全球排名第四。IDC 预测， 中国智能算力规模将持续高速增长，预计到 2026 年中国智能算力规模将达到 1271.4EFLOPS（百亿亿次浮点运算/S），21-26 年复合增长率达 52.3%，同期通用算力规模的复合增长率为 18.5%。

数据中心架构进行调整优化。随着云计算的推进，数据中心的服务器计算资源逐步 被池化，部计算资源的界限逐步模糊，同时微服务架构开始推进，诸多软件实现解耦， 带来庞大的内部数据处理需求，为了处理更多东西向数据，叶脊架构应运而生。相比传 统网络的三层架构，叶脊网络进行了扁平化，叶交换机相当于三层架构中的接入交换机， 作为 TOR（Top Of Rack）直接连接物理服务器，脊交换机相当于核心交换机实现不同 叶交换机之间的交互。脊叶方式减少延迟和流量瓶颈，同时拥有更好的扩展性，也可以 降低对交换机的需求节约成本，日益成为数据中心主流部署形式。叶脊架构所需高速光 模块数量巨大，是传统三层架构的 15-30 倍，这意味着光芯片的需求也将放大 30-60 倍。

AI 大模型竞速时代到来，交换机互联速率逐步由 100G 向 400G 升级，且未来将逐 渐出现 800G 需求。根据 LightCounting 的统计，预计至 2025 年，400G 光模块市场规 模将快速增长并达到 18.67 亿美元，带动 25G 及以上速率光芯片需求。受下游大模型市场算力需求拉动，数据中心市场中高速率光模块的需求大幅提升、低能耗的方向发展。 其中，光模块的速率和光芯片速率呈直接正相关。随着国内外大模型陆续发布，400G， 800G 甚至 1.6T 的光模块技术受到市场的广泛关注。其中，800G 的光模块作为英伟 达算力方案下的主力军，市场呈高速增长态势。每生产一片应用在三层架构 AI 数据中 心的 A100 和 H100，分别需要六块 200G 和六块 800G 光模块。

数据中心资本支出上升，推动数通光模块需求量高涨。根据 Dell'Oro Group 统计， 从全球的数据中心建设情况来看，2022 年全球数据中心资本支出超过 2500 亿美元，到 2023 年将成长到 2650 亿美元，同比增长超过 6%；到 2027 年全球数据中心资本支出 将增长 15%，并且在未来四年内将突破 5 万亿美元。全球云厂商巨头的资本支出将直 接影响到数通光模块的景气度，全球光模块的需求量有望受益于超大规模云厂商对于数 据中心资本支出的提升。

3.2. 光纤接入：10G PON 需求持续增长，50G PON 有望提供新增量

千兆光纤网络全面部署，10G PON 需求持续增长。FTTx 光纤接入是全球光模块 用量最多的场景之一。随着光纤到户技术的普及，光纤接入向 10G-PON 发展，10G 光 芯片规模应用。PON 技术是实现光纤接入主流方案。PON 是指 OLT（光线路终端，用 于数据下传）和 ONU（光网络单元，用于数据上传）之间的 ODN（光分配网络）全部采用无源设备的光接入网络，是点到多点结构的无源光网络。目前 PON 技术包括 APON/BPON 、 EPON 、 GPON 和 10G-PON 等 ， 随 着 带 宽 需 求 提 升 ， 主 流 的 EPON/GPON 技术（2.5G 光芯片）向 10G-PON 技术（10G 光芯片）升级。根据 LightCounting 预测数据，2022 年 10G PON 发货量约为 2690 万只，预计 2027 年发 货量将达到 7300 万只，5 年 CAGR 为 22.07%，这将有力推动 10G 光芯片的需求。

作为 10G PON 的进阶技术，50G PON 正逐渐成为推动光纤接入市场发展的关键 技术。据 Omdia 的数据显示，2022 年 10G PON 端口的出货量已经占据了全球 OLT PON 端口总出货量的大部分，达到了 73%。随着 10G PON 技术的普及，行业已经开始着手 准备下一代的宽带技术——50G PON，它将为网络接入提供更高的速率和更优的性能。 50G PON 技术不仅能够向后兼容现有的 PON 网络，允许在现有基础设施上进行升级， 而且它还具备显著提升的带宽能力，可达 10G PON 的五倍。此外，50G PON 技术还具 备低时延和低抖动的特点，这对于需要高可靠性和实时性的业务场景至关重要。它还能 够提供增强的网络安全保护功能，支持与 GPON 和 10G PON 的共存，实现无缝的网络演进。 50G PON 的应用前景广阔，它能够支持多种高带宽、低时延的应用场景，如智 能园区、数字化制造、智能家居和城市治理等。Omdia 在 2023 年 11 月发布的一份白皮 书中预测，50G PON 技术将在 2024 年进入部署阶段，并在随后的几年内，即 2024 至 2028 年，预计每年的端口出货量将呈现显著增长，预计会有每年 200%的复合增长率。 50G PON 不仅将推动宽带技术的升级，还将为整个通信行业带来新的增长机遇。

3.3. 电信市场：5G 建设拉动光模块需求

5G 网络建设：5G 基站的大规模部署带动了前传和中回传光模块的需求，进而推 动了高速光芯片的增长。相比于 4G，5G 的传输速度更快、质量更稳定、传输更高频， 满足数据流量大幅增长的需求，实现更多终端设备接入网络并与人交互，丰富产品的应 用场景。我国 5G 建设走在全球前列。2022 年末，国内 5G 基站达到 231.2 万个，全 年新建 5G 基站 88.7 万个，占移动基站总数的 21.3%，占比较上年末提升 7 个百分 点。

5G 移动通信网络提供更高的传输速率和更低的时延，各级光传输节点间的光端口速率明显提升，要求光模块能够承载更高的速率。5G 移动通信网络可大致分为前传、 中传、回传，光模块也可按应用场景分为前传、中回传光模块，前传光模块速率需达到 25G，中回传光模块速率则需达到 50G/100G/200G/400G，带动 25G 甚至更高速率光芯 片的市场需求。 随着 5G 网络的不断完善，对前传和中回传光模块的需求将持续增长。

目前全球高速光芯片市场主要被国外厂商如 II-VI、Lumentum 等主导。根据 ICC 的预测，2021 年，国产 2.5G 速率的光芯片在全球市场的份额超过了 90%。在 10G 光 芯片领域，国产芯片的全球市场份额大约是 60%，然而对于一些性能要求更高的光芯 片，国产化的比例还不到 40%。对于 25G 及以上速率的光芯片，尽管中国制造商在用 于 5G 基站前传光模块的 25G DFB 激光器芯片上取得了进展，25G 光芯片的国产化比 例大约为 25%，但更高速率的光芯片国产化比例仍然只有 5%左右，市场主要被海外 芯片制造商所主导。具体而言：

（1）2.5G 光芯片： 我国已经基本实现国产化，本土企业占据主要市场份额。2.5G 芯片主要用于光纤 接入市场，部分可靠性要求高、生产难度较高的产品如 PON（GPON）领域用作数据 下传光模块使用的 2.5G 1490nm DFB 激光芯片，国内可批产供货的玩家有限。 （2）10G 光芯片： 本土玩家基本掌握核心技术，部分型号产品仍存在较高壁垒。在光纤接入市场， 10 GPON 上传芯片仍然实现较高水平国产替代，用作数据下传的 10G 1577nm EML 激光芯片主要为博通、住友电工、三菱电机等少数头部厂商供货，本土厂商中，华 为、海信宽带可实现部分自产自用。移动通信市场中，由于 5G 基站在 2021 年使用 升级的 10G 芯片方案，技术成熟，格局稳定，玩家主要为三菱电机、朗美通、海信 宽带、光迅科技等。数据中心市场，10G 芯片主要用于 40G 光模块，依然为非常成 熟的方案，本土源杰科技、武汉敏芯等均有出货能力但光模块厂商在综合考虑成本、 可靠性等因素情况下，国产替代仍需时间。 （3）25G 及以上芯片： 25G 及以上芯片市场空间广阔，但该领域国产化率较低。其中移动网市场中，5G 前传用到的 25G DFB 芯片已经为源杰科技所突破，而中回传用到的 25G EML 芯 片，仍主要为海外厂商供应。数据中心市场中，海外公司前期主要使用 100G 光模 块，2020 年开始向 200/400G 产品升级，本土以 40/100G 为主，2022 年开始向 200/400G 升级，目前 100G 光模块仍占数据中心市场的 60%，主要采用 4 颗 25G DFB 激光器或 1 颗 50G EML 通过 PAM4 技术调制为 100G。目前 25G DFB 产品以国 外厂商供货为主，本土厂商亦有突破，而数据中心用 EML 产品工艺复杂，仍以海外 厂商为主。

国内政策支持和市场需求的增长为国内光芯片厂商提供了发展机遇。在光模块领 域，国产玩家积极突破取得了优异成绩，为光芯片的国产替代打下良好基础。近年我 国光模块厂商在技术、成本、市场、运营等方面优势凸显，在全球的份额迅速提升。 根据源杰科技招股说明书援引 LightCounting 统计，2021 年我国厂商中已有中际旭 创、华为、海信宽带、光迅科技、华工正源和新易盛进入全球前十大光模块厂商。光 通信产业链逐步向国内转移，同时中美贸易摩擦及芯片国产化趋势，将促进产业链上 游国内光芯片的市场需求。