众人看好的光芯片，国产有什么机会

早在1979年，中国科学家钱学森就看好光子学，围绕光子学提出了光子学产业的概念到现在，很多想法还没有实现，很多价值还需要挖掘

如今，以光学芯片为代表的光子学正在引发一场与电子学的科学革命从电到光，将是中国赶超的战略机遇光子革命已经到来，但要被人利用，并没有想象中那么容易

光和电的完美配合

大多数现代芯片的本质是将环境信号转换成精细操纵的电信号或将处理后的电信号转换成环境信号的过程同样，光也可以转换成电信号光学芯片是实现光电信号转换的核心器件没有它，我们就无法与光交流

光学芯片早已渗透到每个人的生活中众所周知，家用电脑要联网必须配备光纤和光猫，而光芯片是这个系统正常运行的功臣

为什么一定是光学芯片。

这是因为光子作为信息载体具有先天优势，可以实现数十Tb/s的信息传输速率，低切换延迟，高传输带宽，多通道同时通信，超低功耗研究表明，基于光学的设备中的数据以光速移动，比普通电子电路快10倍

虽然光学芯片是个天才球员，但没有电子芯片就无法在系统中发挥作用它们与PCB，结构件，套管一起进一步构成光器件，然后加工成光模块实现最终功能，最终应用于市场

光学芯片在产业链中的位置

目前，光芯片的技术概念有多重含义，包括光通信，光计算，光量子等，其应用广泛分布于工业，消费，汽车，医疗等领域但其典型的应用场景仍然是光通信，也是最核心的应用领域

光通信中的光芯片

光通信是指以光纤为载体传输光信号，通过光芯片和传输介质控制光的大容量数据传输方式。

在光通信产业链中，光芯片是核心部分，一般分为2.5Gb/s，10Gb/s，25Gb/s及以上调制速率速率越快，对应的光模块在单位时间内传输的信号量越大

同时，光学芯片是光学模块的材料成本结构中最大的部分一般来说，光芯片占中端光模块材料成本的40%左右，部分高端光模块甚至可以占到50%以上另一方面，电气芯片的成本通常占10%~30%速度和高端光模块越高，电子芯片的成本就越高

光芯片在光通信系统中的应用地位

光学芯片按功能主要分为激光芯片和探测器芯片激光芯片用于发射信号并将电信号转换成光信号按发光结构又分为面发射芯片和边发射芯片，主要有VCSEL，FP，DFB和edge探测器芯片用于接收信号并将光信号转换成电信号，主要包括PIN和APD

对于光芯片，市场上最大的需求是高速和高带宽自20世纪60年代以来，光学芯片在材料，结构设计，元件集成和生产技术方面不断改进目前EML激光芯片最大商用速率已经达到100Gb/s，DFB和VCSEL激光芯片最大商用速率已经达到50 GB/s，同时这些变化也让光学芯片有信心向更广泛的应用领域发展，比如车载激光雷达，医疗等

不同光学芯片的特点和应用场景

光学芯片的制造是一个难点生产工艺有MOCVD外延生长，光栅工艺，光波导制作，金属化工艺，端面镀膜，自动芯片测试，高频芯片测试，可靠性测试和验证等其中，外延工艺是光学芯片生产中最重要也是技术门槛最高的工艺，工艺水平直接决定了成本的性能指标和可靠性一款优秀的光芯片背后，是高额的投入，超长的R&D周期，巨大的R&D风险，极快的技术更新速度

由于光学芯片位于产业链的上游，会涉及到复杂的原材料问题一般由化合物半导体制成，主要以砷化镓，磷化铟为代表的III—V族材料为主，通过伴伴随着内能级跃迁过程的光子的产生和吸收，实现光电信号的相互转换此外，制造过程中还会用到电子专用气，光刻胶，湿电子化学品等原材料

光学芯片的主要分类

作为上游组件，光芯片的市场主要由下游光模块带动据国信证券测算，以光模块行业平均25%的毛利率和光计数预测的全球光模块市场规模超过150亿美元计算，2021年全球光芯片市场规模约为35亿美元，预计2025年将达到60亿美元

光通信产业链和市场规模

伴随着数据需求的爆炸式增长，人们对光芯片的速度要求越来越高，而学术界和工业界关注的焦点是硅光芯片。

将光子与电子结合。

展望未来三年，硅光芯片将是光通信的一大趋势，它将支持大型数据中心的高速信息传输目前，硅光芯片技术的研究由美国，欧洲和日本领先，100Gb/s，200Gb/s和400Gb/s硅光系列产品占全球相干光模组市场的30%以上

顾名思义，硅光芯片就是取长补短，充分利用硅光子和硅电子芯片的优势这个概念早在40年前就诞生了，但是硅基发光一直是个巨大的难题所以硅基发光一般是通过引入多种材料来实现的，分为SOI，SiN，III—V ，硅基铌酸锂薄膜四种制造平台

复杂的材料科学问题导致了更多的技术问题，如硅光耦合技术，自动晶圆测试和切割，硅光芯片的设计工具等技术挑战此外，由于产业链和工艺水平的限制，硅光芯片在产能，成本和良率等方面并没有显示出优势但硅光芯片的颠覆性引发了研究热潮，技术日趋成熟，即将进入大规模商用阶段

硅片的作用远非如此它具有运算速度快，功耗低，时延小的特点在制造工艺上类似于微电子器件，但不必追求工艺尺寸的极限缩小或许是帮助人们突破摩尔定律天花板的关键更重要的是，做好了就相当于打开了光子产业的关节科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体产生，处理和传输信息，其中光计算是重要的前沿领域之一光通信的光电转换技术可以应用到光计算中，光计算所需的低损耗，高密度的光子集成将进一步推动光通信的发展未来5到10年，基于硅光芯片的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景

根据Yole的预测，从2020年到2026年，硅光芯片的全球市场规模将从8700万美元上升到11亿美元其中，消费者健康，数据中心，光子计算，共封装引擎和远程收发器将是主要的细分市场

最近几年来，硅领域并购频繁。

理想满满要想走那么远，还是得脚踏实地，先把现有的光通信芯片做出来

轻芯片的追逐者

欧美起步早，在光芯片上积累了很多技术，是市场的领头羊这些国家的研究机构和先进企业通过核心技术和生产工艺的积累，逐渐实现了产业闭环，建立了极高的产业壁垒

另一方面，我国起步较晚，高速光芯片严重依赖进口，远远落后于国外行业领先水平资料显示，我国2.5Gb/s光通信芯片国产化率接近50%，但10Gb/s及以上光通信芯片国产化率不足5%，非常依赖Lumentum，博通，三菱，住友等公司

同时，虽然国内光芯片厂商普遍具备除晶圆外延外的后端加工能力，但核心外延技术并不成熟，高端外延片需要进口，极大限制了高端光芯片的发展。

光学芯片市场的主要参与者

2017年，中国电子元器件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图》指出，中国厂商仅掌握了10Gb/s及以下速度的激光器，探测器，调制器芯片和PLC/AWG芯片的制造技术以及配套ic的设计和测试能力高端芯片能力落后国际1~2代以上，缺乏完整稳定的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长，效率低当时明确重点是25Gb/s及以上速率的激光器和探测器芯片

2017年光收发模块，光芯片，电芯片国产化率测算

到2022年，国产高端光芯片取得明显突破，但仍远远落后于国际巨头在关键的25Gb/s激光器和探测器芯片方面，元杰科技，武汉民芯，云凌光电和光迅科技开始量产，但整体销售规模仍然较小以元杰科技为例，其10Gb/s和25Gb/s激光芯片系列产品在国内一直名列前茅，但其2022年上半年销售额仅为4100万元

对于国内光芯片追赶者来说，分工模式是关键芯片行业分为无晶圆厂和IDM两种模式，其中IDM模式是主导光学芯片的主要模式一方面，光学芯片的核心在于晶圆外延技术，另一方面，由于使用III—V族半导体材料，需要光学芯片设计和晶圆制造之间相互反馈验证

不同分工模式之间的差异

纵观市场，国产光芯片的典型厂商都选择了IDM模式，如时嘉光子，长光新，元杰科技等一方面，IDM可以及时响应市场需求，灵活调整产品生产过程中的各种工艺参数，另一方面，可以高效排查问题，精准触达产品设计，生产，测试中的问题，此外，IDM模式形成完整的闭环流程，不仅自主可控，还能有效保护知识产权

国产光芯片典型玩家，制表，壳硬科技，参考公司招股书。

这两年，光芯片在投融资圈非常热闹根据硬科技的统计，25Gb/s及以上的高速光芯片，汽车激光雷达芯片，硅光电子是最热门，最吸金的赛道，也是最近商业化的项目其他项目更着眼于未来，比如光计算和光量子这些项目的商业化需要十年二十年的时间，非常具有前瞻性

最近国内光芯片融资不完全统计，制表，果壳硬技术。

掌握先进的光芯片技术是各国竞争的关键以美国为例不仅政策不断倾斜，以IBM，Intel为代表的产业巨头和以MIT，UCSB为代表的领先学术机构都在不遗余力地研发大规模光子集成芯片此外，欧盟的地平线2020计划和日本的先进研究开发计划也涉及光电集成研究项目

种种举动表明，一场以光为核心的科技革命正在酝酿。

中科创星创始合伙人米勒曾提出米70定律，即光学技术是推动科技产品进步的关键瓶颈技术，光学成本占未来所有科技产品成本的70%。

纵观历史，科技革命的扩散周期约为60年，从20世纪60年代集成电路诞生至今，已经过去了60年光学芯片无疑是引领未来60年的关键当然，光子并没有完全取代电子，而是相互配合

光芯片时代已经到来，但芯片行业一直在残酷地循环着优胜劣汰和洗牌谁追得快，谁就成功

参考资料:

钱学森光子学，光子技术和光子产业中国激光，1979，6 :1

基于光的芯片有望削减能源消耗并提高速度工科，2021，7: 1195—1196

，李，王跃海，杨建一硅基光子芯片的研究进展与挑战半导体光电子学，2022，43 :218—229

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