光芯片为激光器、探测器等应用的核心元器件，衬底价值量大、外延壁垒高。光芯片主要包括激光器芯片与探测器芯片，实现光信号和电信号相互转化。衬底作为影响性能的关键，价值量占比高；外延技术门槛高，具备工艺及时间壁垒。海外产业发展相对成熟，IDM模式为主导。
　　产业趋势：光子替代电子大势所趋，远期前景向好。产业应用方向关注光通信、光传感和光计算。光通信领域，光纤较铜缆具备信息容载量大、传输距离远、损耗低等优势，“光进铜退”已成趋势；光传感领域，硅光芯片赋能智能驾驶是产业发展方向；光计算领域，硅光芯片部分取代电芯片在计算场景中的应用是产业探索的方向。
　　市场空间：数通领域复苏，激光雷达打开成长空间。光芯片下游应用广泛(电信/数据中心/消费电子/汽车)，2022E全球市场规模分别为10.5/11.7/9.2/0.7亿美元；我们预测2025年达14.0/18.4/13.7/12.4亿美元。1）电信：光纤入户+5G基建+现有升级驱动缓慢增长。2）数据中心：云计算厂商持续投资本开支，需求回暖。3）消费电子：苹果仍为主导者。4）汽车：激光雷达为光芯片开拓应用场景，远期空间较大。
　　海外龙头对标：II-VI和Lumentum纵向并购+横向拓展。海外龙头产品矩阵丰富，涵盖光芯片、光器件、光模块、激光器等，并绑定苹果、亚马逊等优质客户。2016-2022财年，Lumentum营收CAGR 11.3%；2009-2022财年，II-VI营收CAGR为20.6%。两家公司均进行多次外延并购，丰富布局。
　　国产化展望：替换动力强，国产化持续推进。光通信领域，低速率光芯片已实现较高程度国产化，高速率芯片、车载雷达芯片均在验证导入过程中，产业进展积极。考虑到国内以激光雷达整机厂为代表的终端客户快速发展，光芯片作为核心环节有望随之国产化，深度受益。
　　投资建议：把握上行周期，关注增量市场。复盘历史，光芯片下游具备较强周期性，需关注光通信行业景气度及车规进展。看好主业稳健，开拓汽车等新应用的标的，建议关注长光华芯/源杰科技/光迅科技/仕佳光子等；海外建议关注II-VI(Coherent) /Lumentum。
　　风险提示：车规进度不及预期风险，国产化进展不及预期风险，疫情扰动风险

研究报告全文：证券研究报告行业深度报告光学光电子光学光电子行业深度报告海外观察系列九景气向上从和II-VI2022年12月17日Lumentum看光芯片国产化证券分析师张良卫增持维持执业证书S0600516070001021-60199793zhanglwdwzqcomcn关键词TableTag第二曲线进口替代研究助理卞学清执业证书投资要点TableSummaryS0600121070043bianxqdwzqcomcn光芯片为激光器探测器等应用的核心元器件衬底价值量大外延壁垒高光芯片主要包括激光器芯片与探测器芯片实现光信号和电信号行业走势相互转化衬底作为影响性能的关键价值量占比高外延技术门槛高具备工艺及时间壁垒海外产业发展相对成熟IDM模式为主导光学光电子沪深3000-4产业趋势光子替代电子大势所趋远期前景向好产业应用方向关注-8-12光通信光传感和光计算光通信领域光纤较铜缆具备信息容载量大-16-20传输距离远损耗低等优势光进铜退已成趋势光传感领域硅光-24-28芯片赋能智能驾驶是产业发展方向光计算领域硅光芯片部分取代电-32-36-40芯片在计算场景中的应用是产业探索的方向202112162022416202281520221214市场空间数通领域复苏激光雷达打开成长空间光芯片下游应用广泛电信数据中心消费电子汽车2022E全球市场规模分别为相关研究亿美元我们预测年达亿美10511792072025140184137124海外观察系列八从安森美战元1电信光纤入户5G基建现有升级驱动缓慢增长2数据中心云计算厂商持续投资本开支需求回暖3消费电子苹果仍为主略转型看碳化硅供需平衡表导者4汽车激光雷达为光芯片开拓应用场景远期空间较大2022-11-03海外龙头对标II-VI和Lumentum纵向并购横向拓展海外龙头产海外观察系列六从TI和ADI品矩阵丰富涵盖光芯片光器件光模块激光器等并绑定苹果复盘看模拟芯片赛道的进攻性亚马逊等优质客户2016-2022财年Lumentum营收CAGR113和防守性2009-2022财年II-VI营收CAGR为206两家公司均进行多次外延并购丰富布局2022-09-19舜宇韦尔对比研究复苏将国产化展望替换动力强国产化持续推进光通信领域低速率光芯片已实现较高程度国产化高速率芯片车载雷达芯片均在验证导入过至或跃在渊程中产业进展积极考虑到国内以激光雷达整机厂为代表的终端客户2022-05-18快速发展光芯片作为核心环节有望随之国产化深度受益海外观察系列三美股激光雷投资建议把握上行周期关注增量市场复盘历史光芯片下游具备达隐喻较强周期性需关注光通信行业景气度及车规进展看好主业稳健开2022-05-02拓汽车等新应用的标的建议关注长光华芯源杰科技光迅科技仕佳光海外观察系列一从wolfspeed子等海外建议关注II-VICoherentLumentum发展看碳化硅国产化风险提示车规进度不及预期风险国产化进展不及预期风险疫情扰2022-02-26动风险表1公司估值以2022年12月16日收盘价计算总市值收盘价EPS元人民币PE代码公司投资评级亿元元2021A2022E2023E2021A2022E2023E688048长光华芯14210443113111187929456002291光迅科技1141637081092105291816688498源杰科技212174240688313仕佳光子449640110230301184232数据来源Wind东吴证券研究所盈利预测为Wind一致预期注源杰科技截至报告发出日还未上市因此没有行情数据142东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告内容目录1光芯片光进铜退光子领域核心元器件511原理三五族化合物主导实现光电信号转换5111光芯片为激光器探测器核心组成5112激光器芯片5113探测器芯片912产业链衬底价值量大外延为核心11121光芯片制造工艺复杂外延为核心IDM模式为主流11122光芯片上游衬底为核心原材料海外厂商仍为主导12123光芯片下游光模块应用广泛1313产业趋势光子替代电子大势所趋142市场空间数通领域复苏激光雷达支撑远期成长1521概览激光雷达市场接力数据中心需求1522电信领域光纤入户5G基站建设现有基站升级三大驱动力16221下游趋势国内光纤入户5G基站高渗透全球仍具发展潜力17222应用种类光纤入户25G占主流移动通信10G25G占主流18223电信领域光芯片市场规模1923数据中心光模块速率持续提升资本开支驱动增长19231下游趋势云计算厂商营收与CAPEX高速增长20232应用种类VCSEL与EEL互补速率需达到50G及以上21233数通领域光芯片市场规模2124消费电子苹果主导940nmVCSEL为主流22241下游趋势苹果主导安卓阵营中渗透率有望提升23242应用种类940nmVCSEL芯片在消费电子领域占主流24243消费电子光芯片市场规模2425车载激光雷达光芯片的新蓝海24251下游趋势车载雷达为光芯片最快增速支点25252应用种类EELVCSEL应用广泛9051550或将共存25253激光雷达光芯片市场规模263II-VIlumentum复盘光芯片和器件龙头的成长之路2731Lumentum消费电子VCSEL龙头车规彰显实力2732II-VI光芯片碳化硅持续收购注入增长动能3033商业模式探讨需求变化快盈利不稳定把握上行周期334国产化展望远期趋势确定立足光通信切入车规3541政策扶持光芯片国产化稳步推进3542相关公司梳理38421长光华芯平台型激光芯片龙头VCSEL布局领先38422光迅科技光电器件及模块巨头产业链布局构建核心竞争力39423源杰科技聚焦光芯片开发把握数通市场上行期实现快速增长39424仕佳光子从无源有源走向光电集成415风险提示41242东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图表目录图1激光器芯片探测器芯片在半导体中所处范畴5图2激光器芯片工作原理6图3激光器芯片分类6图4FPDFBEML激光器芯片结构示意图7图5直接带隙间接带隙的能量-波矢图8图6材料的带隙-波长-晶格常数图及典型应用场景所需激光波长9图7光电二极管结构及工作原理9图8PN与PIN光电二级管结构10图9PIN光电二极管工作原理10图10APD与SPAD光电探测器结构图11图11SPAD工作电压高于击穿电压可对单光子计数11图12主流探测器芯片衬底的光谱响应曲线11图13光芯片晶圆制造芯片加工与测试工艺流程12图14光芯片各原材料成本占比13图15光芯片产业链梳理13图16FTTHO渗透率不断提升14图17我国宽带接入发展历史复盘14图18硅光计算愿景图15图19光芯片各下游领域市场规模及增速亿美元16图20各层通信网络结构图16图21光芯片-移动接入网PON与前传网络16图22我国FTTHO端口数量及占比17图23我国千兆光网宽带用户数及占比17图24我国5G基站建设数目及占比17图252016-2021全球云计算巨头营收规模百万美元20图262015-2021全球云计算巨头CAPEX变化百万美元20图272021-2027年全球云计算公司光模块总销售额亿美元21图28数据中心领域光芯片市场规模测算亿美元22图29结构光方案工作原理22图30TOF方案工作原理22图31光芯片在结构光方案中的应用22图32光芯片在TOF方案中的应用22图33安卓与苹果产品应用3D传感摄像头的历程23图342021-2027消费电子3D传感市场规模预测23图3520172021年消费电子领域光芯片厂商竞争格局23图36光芯片应用领域发展与各领域所需光芯片波长24图37光芯片参与机械式机关雷达的构成25图38光芯片参与MEMS式激光雷达的构成25图392022-2025年乘用车激光雷达市场规模测算25图402022-2025年车载激光雷达领域光芯片市场规模测算26图41Lumentum主要产品及客户情况27图42Lumentum营业收入逐年增长27342东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图43Lumentum归母净利润稳中向好27图44Lumentum毛利率连续4年增长28图45Lumentum研发费用率较高28图46Lumentum长期占据VCSEL市场40份额28图47LumentumVCSEL产品收入持续增长28图48自2018年起苹果就成为Lumentum第一大客户29图49Lumentum股价复盘美元30图50II-VI产品体系健全下游市场广阔30图51II-VI成长的关键阶段始终伴随收购31图52II-VI股价复盘美元32图53II-VI公司毛利率净利率长期稳定33图54II-VI对研发的重视程度在不断提高33图55II-VILumentum股价随市场需求变化呈现脉冲式特征33图56200G400G光模块迎来上行期带动25G以上光芯片需求增长百万美元34图57光通信厂商利润水平波动周期34图58光芯片厂商良性成长循环路径34图59II-VI收购Coherent丰富产品结构35图60Lumentum收购NeoPhotonics丰富产品结构35图612010-2021全球光模块厂商份额变化36图62全球25G及以下DFBFP激光器芯片市场份额36图63全球10GDFB激光器芯片市场份额36图64长光华芯营业收入长期维持高速增长38图65公司VCSEL芯片收入比重相对较低2021H138图66长光华芯综合毛利率稳定在50左右39图67长光华芯高效率VCSEL系列毛利率较高39图68光迅科技收入持续稳定增长39图69光迅科技毛利率净利率长期保持稳定39图70源杰科技产品矩阵丰富覆盖数通等下游40图71源杰科技收入情况亿元40图72源杰科技毛利率情况40表1VCSELFPDFBEML激光器芯片特性及主要应用场景7表2我国三大运营商5G小基站建设布局情况18表32020-2021运营商关于5G建设的集采情况18表42021-2025年电信领域光芯片市场规模测算19表52021-2025年移动消费领域光芯片市场规模测算24表6Lumentum通过合作并购和产品开发提升核心竞争力29表7不同速率光芯片主要竞争格局37表8近年国家扶持光芯片的部分重要政策汇总37442东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告1光芯片光进铜退光子领域核心元器件11原理三五族化合物主导实现光电信号转换111光芯片为激光器探测器核心组成激光应用广泛其工作有赖于激光器与探测器得益于方向性好单色性好能量密度高激光不仅在光纤通信工业制造等传统领域应用广泛更在3D传感车载激光雷达等新型领域日益普及激光的输出有赖于激光器根据增益介质的不同激光器可分为气体激光器液体激光器与固态激光器而半导体激光器是固态激光器的典型形态激光的接收则有赖于探测器其又被称为光敏二极管激光器探测器的核心构成部分为光芯片光芯片核心功能为光电信号转换光芯片主要包括激光器芯片与探测器芯片激光器芯片应用于半导体激光器中实现电信号向光信号的转换将电信号蕴含的信息通过激光输出探测器芯片则在探测器中不可或缺实现光信号向电信号的转换图1激光器芯片探测器芯片在半导体中所处范畴半导体分立器件D-O-S集成电路IC分立器件光电子器件传感器数字集成电路模拟集成电路数模混合DSOTSensorsDigitalAnalogADDA二级管发光二极管微元件电源管理芯片三级管激光器芯片存储器运算放大器探测器芯片逻辑IC稳压器光电耦合器其他通用模拟芯片数据来源长光华芯招股说明书源杰科技招股说明书东吴证券研究所112激光器芯片1工作原理电激励为泵浦源半导体为增益介质输出激光激光的发出有赖于泵浦源增益介质谐振腔三大部件激光的输出需要外界提供能量泵浦源又称激励源即负责向增益介质中的粒子提供能量常见的泵浦方式有电泵浦光学泵浦核能泵浦等增益介质用来提供向高能级跃迁的粒子常用材料有氖气有机染料红宝石半导体光纤等谐振腔指使光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔其作用是使腔内的光子具有一致的频率相位和运行方向使激光具有良好的方向和相干性同时还能放大受激辐射的强度激光器芯片将电激励作为泵浦源以半导体材料为增益介质通过谐振腔选模放大进而输出激光完成光电转换542东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图2激光器芯片工作原理电激励激光输出工作介质半导体材料全反射镜部分反射镜L光学谐振腔数据来源长光华芯招股说明书东吴证券研究所整理2激光器芯片分类谐振腔制造工艺差异适用不同场景按照谐振腔制造工艺差异激光器光芯片可分为边发射激光器芯片EEL与面发射激光器芯片VCSEL两类EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔光子经谐振腔选模放大后将沿平行于衬底表面的方向形成激光VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔由于谐振腔与衬底垂直光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光EEL与VCSEL各具优势EEL的输出功率电光转化效率更高而VCSEL具有阈值电流低单波长工作稳定可高效调制易二维集成无腔面阈值损伤制造成本低等优点图3激光器芯片分类光学镀膜光学镀膜增益介质光学镀膜光学镀膜5m数据来源面包板社区光芯片工艺技术东吴证券研究所整理EEL进一步分为FPDFBEML三类应用场景相异FPDFB为独立器件通过控制电流的有无来调制信息输出激光故被称为直接调制激光器芯片DML在DML中FP激光器诞生较早主要用于低速率短距离传输DFB在FP激光器的基础上发展而来采用光栅滤光器件实现单纵模输出主要用于高速中长距离传输DML通过调制注入电流来实现信号调制然而注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率造成波长漂移啁啾从而产生色散限制了传输距离同时DML带宽有限调制电流大时激光器容易饱和难以实现较高的消光比电吸收调制激光器芯片EML较好地缓解了啁啾色散问题它由EAM电吸收调642东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告制器与DFB激光器集成而来信号传输质量高易实现高速率长距离的传输不过价格与能耗相对较高图4FPDFBEML激光器芯片结构示意图数据来源易飞扬通信讯石光通讯网高速电吸收调制激光器研究进展东吴证券研究所整理VCSELFPDFBEML光芯片的特性与主要应用场景如下表表1VCSELFPDFBEML激光器芯片特性及主要应用场景激光器芯片类别工作波长激光器芯片特性主要应用场景线宽窄功耗低调制速率高500m以内短距离传输如数据中心内部传VCSEL800-900nm耦合效率高传输距离短输消费电子领域如3D传感面部识别中低速无线接入短距离市场由于存在损FP1310-1550nm成本低耦合效率低耗大传输距离短的问题部分应用场景逐步被DFB激光器芯片取代调制速率高波长稳定耦合中长距离的传输如FTTx接入网传输网DFB1270-1610nm效率低无线基站数据中心内部互联等调制效率高波长稳定性好长距离传输如高速率远距离的电信骨干EML1270-1610nm传输距离长成本较高网城域网和数据中心互联数据来源源杰科技招股说明书东吴证券研究所3激光器芯片材料三五族化合物为主流光学特性较硅更优三五族化合物泛指由元素周期表的三族与五族元素构成的合金化合物种类丰富如砷化镓GaAs磷化铟InP砷化铟镓InGaAs根据所含元素种类数又可分为二元化合物如InP三元化合物如1四元及更高化合物等硅是目前工业中最主要的半导体材料广泛用于集成电路但在光电器件领域三五族化合物却因具有更好的光学特性而更为重要三五族化合物具有直接带隙进而电子在高低能级间跃迁时效率更高进而使芯片输出激光的效率更高带隙是电子从低能级价带跃迁高能级导带所需吸收的最小能量对应的是价带顶部与能带底部的能量差距直接带隙是指在能量-波矢图中元742东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告素电子的价带底与导带顶对应的波矢相同反之若二者波矢有异则称为间接带隙对于直接带隙结构电子在价带与导带间的跃迁只需满足能量守恒对于间接带隙结构由于价带顶与导带底的波矢不同需在水平方向施加动量方可使电子完成跃迁也即电子跃迁过程涉及声子的吸收与发射一方面由低向高能级的跃迁必须要有声子参与这导致跃迁发生的概率降低间接带隙结构发生电子跃迁的概率约为直接间隙结构的11000另一方面跃迁释放的大部分能量会转换为声子而非光子此二因素决定了直接间隙结构中电子在高低能级间的跃迁效率更高如前所述对于激光器芯片而言输出激光的关键在于半导体中的电子吸收能量由低能级向高能级跃迁电子由不稳定的高能级回落至低能级在这一过程中以光子形式释放能量可见电子跃迁的效率是激光输出效率的本源故直接带隙结构的半导体更适用于制作激光器芯片三五族化合物大都为直接间隙半导体材料如GaAsGaNInP等少部分三五族化合物如GaP及GeSi则属于间接带隙结构这是GaAsInP等三五族化合物在激光器芯片制备中应用普遍的基础图5直接带隙间接带隙的能量-波矢图能量-波矢图左图直接带隙右图导带间接带隙高能级导带高能级电子回落导带底能带顶对应释放光子的K值波矢相同能量输入电子跃升时需吸收声导带底能带顶对应子回落时需发射声的K值波矢不同子跃迁概率大幅下能量输入降且能量损耗增大价带价带低能级低能级直接带隙间接带隙数据来源维基百科ipac东吴证券研究所整理三五族化合物可形成三元及以上化合物作为外延材料通过调整各组分元素的比例可获得期望的激光输出波长满足多样化的场景需求激光器芯片输出的激光源于从导带层回落至价带层时释放的光子故激光的波长主要由释放光子的波长决定而光子的波长与光子的频率进而光子的能量成反比故输出激光的波长将主要由电子由导带底回落至价带顶释放的能量大小决定即半导体材料的带隙对于SiGe而言除电子跃迁效率较低外它们为单一材料带隙固定故只能发出单一波长的光对三五族化合物而言单个化合物的带隙同样固定但它们可按照不同比例进行混合形成不同的三元及以上化合物由此可得多种带隙需指出光芯片的衬底通常还是二元化合物三元及以上化合物一般作为从衬底上生长出的外延材料842东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告图6材料的带隙-波长-晶格常数图及典型应用场景所需激光波长典型应用场景所需激光波长连线代表线段两端的化合物可按不同比例混合由此激工业制造发的光子可横跨多个波长730-880nm光泵浦源带波隙长850nm数据中心905nm激光雷达单单940nm3D传感位位ev1330nm光纤通信m1550nm激光雷达2000nm危险预警气体监测晶格常数单位A数据来源基于InSb的新型红外探测器材料特邀半导体激光器研究进展东吴证券研究所整理三五族化合物中InP与GaAs两类材料在激光器光芯片衬底中居于主流GaAs是目前研究得最成熟生产量最大的化合物半导体材料具有电子迁移率高禁带宽度大等优点适合于制造高频高速的器件与电路InP则具有高电光转换效率与高电子迁移率抗辐射等品质二者各具优势前述VCSEL面发射激光器芯片主要以GaAs材料为衬底而FPDFBEML三类边发射激光器芯片主要以InP材料为衬底113探测器芯片1工作原理依托光电效应将光信号转为电信号探测器芯片又称光电二极管PD通过光电效应识别光信号转化为电信号光电效应是指在光照下材料中的电子吸收光子的能量若吸收的能量超过材料的逸出功电子将逸出材料形成光电子同时产生一个带正电的空穴光电二极管工作时在其双极加上反向电压无光照射时由于二极管反向高电阻的特性电路中只存在很小的反向电流有光照射时由光电效应产生的空穴将前往外接电压的负极光电子前往外接电压的正极从而增大二极管中的反向电流由此实现对光信号的探测图7光电二极管结构及工作原理外接反向电压的反光电二极管向电流A阳极阴极光强单位lux反向电流反向电未受光照时的电流流A反向电压光强为1000lux电源正极与二极时的电流管阴极相接光强越大电流越大由此将光信号转化为电信号数据来源维基百科立创商城东吴证券研究所整理942东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告2典型探测器芯片PINAPDSPAD应用最广泛灵敏度渐增PIN光电二极管PIN-PDAPD雪崩光电二极管SPAD单光子雪崩二极管的使用最为广泛三者灵敏度逐次提升传统的PN-PD二极管的基础部件是PN结P层由P型材料构成空穴居多带正电N层由N型材料构成电子居多带负电当PN结受到光照时即可产生光电效应PIN-PD则是在P层与N层间引入了I层I层为掺杂有极少量P型材料或N型材料的纯净本征半导体构成相较传统的PN-PD当施加反向电压时I层将为PIN-PD提供更宽的耗尽区从而提高光电转化的效率图8PN与PIN光电二级管结构电触点光照电触点光照P层P层I层N层N层PN光电二极管PIN光电二极管数据来源维基百科Enlitech东吴证券研究所整理PIN光电二极管的工作原理如下所示图9PIN光电二极管工作原理光电效应使I层激发出电子-空穴P层富含空穴施对在内部电场作加反向电压时空反向电压反向电压用下电子空穴无光照时I层穴向电源负极移动有光照无光照分别朝NP层移动电阻率极高而此N层富含电子施时I层中电子空加反向电压时电穴的移动使电流得子向电源正极移动以穿过P-I-N结由于P-I毗邻处电子更多N-I毗邻处空穴更多故I层I内部电场方向如上II由此一来反向光电流形成I施加光照后反向电流形成数据来源维基百科华强电子网东吴证券研究所整理APD在PIN基础上增添了高掺杂的P与N层该结构容易发生雪崩倍增效应APD在较高的反向电压下工作吸收了光子形成的自由电子与空穴能被加速进而能获得更多能量与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对连锁反应使光电流陡增此即雪崩倍增效应从而带来电流增益提高了光电二极管的响应度与信噪比主要运用在长距离或光功率受其他限制而较小的光纤通信系统1042东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告SPAD在高于击穿电压的反向电压下工作这一状态高度不稳定单个光子即可引发大量的电子-空穴对雪崩进而产生电流理论上可实现单光子探测由于结构上的特点当给SPAD施加高于击穿态的偏置电压时二极管将处于亚稳态信号放大作用很大甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应进而出现电流脉冲图10APD与SPAD光电探测器结构图图11SPAD工作电压高于击穿电压可对单光子计数击穿电压盖革模式电压反向偏置电压正向偏置SPAD工作电压PD工作电压高于击穿电压SPAD工作电压数据来源维基百科东吴证券研究所数据来源维基百科Researchgate东吴证券研究所3探测器芯片衬底SiGeInGaAs占主流探测器光芯片材料的选择以材料光谱响应特性为基础SiGeInGaAs占据主流光谱响应特性是指保持入射光强度不变的情况下不同波长的光照射材料产生的光电流与入射光波长之间的关系可以用响应度刻画一种光芯片材料面对各种波长入射光时的工作效率响应度越高材料对该种波长的检测就越灵敏当前激光器芯片工作波长以800nm-1600nm居多SiGeInGaAs材料在探测器中占据主流且由三种材料的光谱响应曲线来看Si材料适用于800-1000nm波长的光探测GeInGaAs适用于对1000-1600nm波长的光探测中图12主流探测器芯片衬底的光谱响应曲线主要光电探测器芯片材料响应度波长数据来源Thorlabs东吴证券研究所12产业链衬底价值量大外延为核心121光芯片制造工艺复杂外延为核心IDM模式为主流相较逻辑芯片光芯片生产各工艺综合性更强龙头厂商多采用IDM经营模式1142东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告对于逻辑芯片厂商新进入的企业多采用Fabless模式以此减少大规模资本投入从而将更多资源集中投入电路优化版图设计等研发环节对于光芯片行业厂商多采用IDM模式主要因为光电子器件遵循特色工艺器件价值提升不完全依靠尺寸的缩小而有赖于功能的增加而特色工艺所需能力更加综合包括工艺产品服务平台等多个维度IDM模式使各环节相互配合综合提升芯片性能更灵敏回应客户需求光芯片制造工艺流程繁多晶体外延环节最关键光芯片的工艺流程可分为外延结构设计晶圆制造晶圆外延结构生长光栅制作波导光刻与金属化制程芯片加工和测试解理镀膜自动化芯片测试芯片高频测试可靠性测试验证三大部分图13光芯片晶圆制造芯片加工与测试工艺流程1有源区外延3波导光刻5端面镀膜7芯片高频测试基于MOCVD工艺外延生通过创新波导设计与高精度的为提升光芯片的使用寿命及可靠借助专业高频测试系统检验芯长高质量晶体材料实现波导加工工艺可实现激光器性需对芯片前后腔面镀膜处理片的高频特性多量子阱有源层小发射角抗反射功能通过改变端面膜层特性还可实现降低提升功率等目的2光栅结构工艺4金属化制程6自动化芯片测试8可靠性测试检验把各个元件连接到一起的材利用电子束直写系统实现借助全自动光电测试系统通过严格的老化测试保证料工艺连线过程称为金纳米级高精度加工保证稳完成全面的光电指标测试产品的高可靠性属化工艺保证器件电注入定的波长输出与高频散热特性晶圆制造芯片加工和测试数据来源源杰科技招股书东吴证券研究所整理外延为光芯片生产最主要和技术门槛最高环节难点源自工艺壁垒及时间投入壁垒就外延工艺上而言通过MOCVD进行精准的半导体材料精准堆叠控制时尤其是在有源区中常要求多层堆叠的结构每层厚度在10纳米以下级别做到对这一厚度水平的均匀精准控制是一大壁垒从基础性时间投入而言外延开发需厂商投入大量时间调试机台条件参数国内企业在这一领域大都仍处于基本工积累阶段外延工艺海外公司较为成熟国内外差距较大国产加速追赶海外领先光芯片公司可自行完成芯片设计晶圆外延等关键工序能量产25G及以上速率光芯片国内厂商普遍具有除晶圆外延环节外的后端加工能力而在外延这一核心技术领域并不成熟需向国际厂商采购高端外延片我国25G激光器芯片仅少部分厂商实现批量供货25G以上速率激光器芯片大部分厂商尚处研发或小规模试产阶段122光芯片上游衬底为核心原材料海外厂商仍为主导衬底为光芯片核心原材料成本占比最高对芯片品质影响力最大光芯片所需原材料包括衬底金靶与特殊气体等从成本看根据源杰科技招股书衬底在光芯片原材料成本中的占比往往高于30其供需将在较大程度影响光芯片制造厂商的生产成本从对芯片品质影响力来看衬底材料一方面决定了激光器芯片发射光的波长另一方面1242东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告决定探测器芯片对入射光的响应度且核心工艺外延生长将在衬底材料上完成故衬底材料的品质将在很大程度上影响光芯片的参数与可靠性图14光芯片各原材料成本占比数据来源源杰科技招股书东吴证券研究所整理衬底供应以海外厂商为主国内厂商替代率逐步提升由于衬底对光芯片品质影响较大光芯片厂商倾向于向海外厂商采购衬底如住友电工与此同时海外领先的衬底公司也提供外延生长等业务故而受到国内厂商青睐但近年国内衬底厂商逐步提升衬底品质优化衬底制造技术凭借其性价比优势受到越来越多国内光芯片制造企业的青睐根据源杰科技招股书2018-2020年其采购衬底的单价从78569元片持续下降至2020年的75457元片一大重要原因即是增大了国内厂商在衬底采购中的占比123光芯片下游光模块应用广泛光芯片经加工封装后得到光器件光模块集成程度提升单位价值量升高光芯片经加工后形成激光器探测器产品同时可与其余电子器件无源器件结合封装形成光发射组件TOSA与光接收组件ROSA进一步加工形成光模块封装为光模块后一个光模块具备多个通道进而可搭载多个光芯片由此使一个光模块的信息传递速率将为光芯片信息传输速率的若干倍更贴合下游客户的需求图15光芯片产业链梳理上游光芯片原材料中游光芯片制造直接下游光器件光模块最终下游广泛应用领域光芯片制造光器件光模块光设备芯片设计2021光模块厂商全球份额应用于不同领域光衬底外延工艺晶圆制造封装测试发激II-VI17电信与数据中心基础设施光中际旭创10SiGeInPGaAsInGaAs射消费电子如3D传感Lumentum9器光汽车电子如激光雷达住友电工三菱电机II-VICoherent光迅科技8接探工业制造医学医疗收测Broadcom5美国AXT日本住友电工北京通美LumentumMACOM源杰科技组器海信视像5件Acacia5长光华芯仕佳光子光迅科技O-Net云南锗业德国Freiberger3无光隔离器CommunicationsSumitomo3金靶特殊气体三甲基铟其他无源器件制造源光分路器组光连接器Intel3电芯片PCB结构件及套管件光开关等Others32数据来源OmidaYole源杰科技招股书长光华芯招股书中际旭创2021年年报东吴证券研究所整理得益于优良特性光芯片下游应用广泛由于信号传输速率快损耗小且稳定性高光纤通信在电信与数据中心基础设施的建设中已不可或缺而其基础正是光芯片与此同时得益于激光波长集中能量高的特点光芯片被广泛地应用于工业制造医疗1342东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告消费汽车电子等领域当前光通信与消费电子是光芯片主要的应用下游而随着智能驾驶的普及以激光雷达为主要产品的汽车电子将迎来需求的迅猛增长13产业趋势光子替代电子大势所趋1光通信领域光进铜退趋势延续光进铜退主要是指实现以窄带铜缆为主网络向以宽带光纤的网络转变的模式本质是光纤宽带设备端口不断下移不断靠近用户的建设思想对比铜缆光纤具有明显的优势频带宽信息容载量更大最大传输距离更远原材料石英SiO2资源丰富光缆纤芯直径比铜缆更小损耗低中继距离远光纤为非金属材料不受电磁及频道干扰传输保密性能更好光进铜退成为网络升级下的大势所趋图16FTTHO渗透率不断提升图17我国宽带接入发展历史复盘100122021年十四五相关政策进一步强化千兆光纤网络部署2009年我国网民规模跃居90全球第一宽带普及率达2019年-2021年千兆宽带用户从87万10983户增长到3456万户80高速光纤网络提速降费政策持续推出VDSL技术使网速提升至7010Mbps2019年5G牌照发放82003年ADSL逐渐取代电话2016年运营商发布超百兆宽带业务家60拨号上网庭宽带网速普遍提升至100Mbps以上5061995-20002000-20102010-20152016-至今互联网发展初期铜线上网光纤入户光进铜退光纤网络持续高速建设402010年光纤接入逐渐成4电话拨号上网30为宽带的标配1995年互联网上网202011年十二五战略2业务向公众开放提出应实施宽带中国工程10带宽速度慢且比较昂贵2013年4G牌照发放002013-2015年实施宽带中国计划光纤网络持2009201020112012201320142015201620172018201920202021续渗透xDSL端口占比LAN端口占比FTTHO端口占比互联网宽带接入端口右轴亿个2015年底光纤入户用户数达到12亿户数据来源工信部中国政府网中兴通讯赛立信通数据来源工信部东吴证券研究所信研究东吴证券研究所随着国内网络基础设施的不断升级光进铜退成为重要的战略发展方向12000-2010年以来国内上网以铜线为主ADSL是当时主流的上网方式在该时期还短暂出现过VDSL技术网速已经达到10Mbps提高基础网络覆盖率是这一时期的重点到2009年我国网民人数已有384亿宽带普及率达98322011-2015年FTTH开始渗透2013年8月国务院发布宽带中国战略及实施方案首次在国家层面明确宽带网络的战略性公共基础设施地位受益于宽带中国战略该时期是光进铜退发展最快的阶段光纤光缆渗透率在这一时期得到明显提升2015年底国内FTTH用户数达12亿户FTTHO渗透率达59332016年以来光进铜退趋势依然在不断演进光纤接入已步入成熟阶段FTTHO对xDSL的替代已基本完成2021年底我国互联网宽带接入端口达102亿个FTTHO用户达506亿户渗透率为9432光传感领域硅光芯片FMCW技术路线赋能车规市场硅光的高度集成性和超高兼容性非常契合激光雷达的制造需求硅材料的价格优势和集成工艺有助于降低激光雷达成本全球范围内AevaMobileye以及Aurora收购1442东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告Blackmore是三家硅光芯片FMCW技术路线的激光雷达代表企业Mobileye在2021年宣布将自主研发硅光FMCW技术路线Aeva已于今年年初发布首款汽车级4D激光雷达传感器而在中国市场洛微科技已经进入产品化和验证阶段2021年初洛微科技发布了第二代FMCWSoC芯片为实现硅光FMCW4D激光雷达产品提供了核心技术随着相关技术的不断成熟硅光芯片有望持续赋能汽车自动驾驶带动激光雷达产品的性能提升和成本优化此外光能够照射到组织和血管上以监测检测和量化生物标记因此光子学还能够赋能无创医疗监测解决方案用于小尺寸医疗设备和消费电子市场的可穿戴设备3光计算领域看好硅光计算长期替代在计算领域据OpenAI统计自2012年起每3-4个月人工智能算力需求就会翻倍电子芯片的发展已日趋逼近摩尔定律极限难以满足高性能计算不断增长的数据吞吐需求而硅光芯片用光子替代电子进行传输可以承载更多信息传输更远距离同时光子彼此间干扰少能够提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度和低两个数量级的能耗能够作为突破传统微电子计算极限的解决方案因而从趋势上看以硅光芯片为基础的光计算有望持续取代电子芯片在部分计算场景中的应用图18硅光计算愿景图突破算力极限成为超越摩尔定应用市场算力和能耗不断提升律的新技术路径传输速率快电光不易被扰动子子运算速度高并行计逐步升级计优势处理能力强算算超大规模的信息存机机储容量散发热量低能量消耗小未来高速大数据量的最有前景的技术尚未成熟看好长期替代方案之一优势将逐步彰显数据来源光电读书达摩院东吴证券研究所目前光计算的相关研究仍然处于初期阶段解决方案和系统架构仍然在探索中如何将光计算融合到现有的通用计算中并且更好地将光计算芯片化集成化是未来的研究方向实现成熟的光计算技术和产业链仍需时日当前IntelIBM等巨头以及MITUCSB等机构都在积极开发大规模光子集成芯片国内也涌现出曦智科技光子算数等行业领先企业随着硅基光子学技术的不断成熟光计算的优势将逐步彰显2市场空间数通领域复苏激光雷达支撑远期成长21概览激光雷达市场接力数据中心需求电信数据中心消费电子车载激光雷达是光芯片最主要的应用领域电信领域1542东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告技术已较为成熟国内市场相关产品覆盖率较高未来增量空间主要来自速率升级需求数据中心市场方兴未艾云计算厂商加大投资的步伐未减市场中短期将维持较快增速消费电子领域当前市场参与者主要为苹果安卓厂商应用3D传感仍有空间车载激光雷达领域潜力较大随着智能驾驶技术成熟激光雷达成本下降激光雷达装车量有望大幅提升远期需求星辰大海图19光芯片各下游领域市场规模及增速亿美元单位亿美元2025年电信137CAGR144数据中心1402022年CAGR99消费电子124CAGR1571车载激光雷达18410592CAGR16307117CAGR221数据来源YoleLightcountung源杰科技IDC汽车之心东吴证券研究所整理测算22电信领域光纤入户5G基站建设现有基站升级三大驱动力电信领域光芯片发挥的主要作用为光电信号转换激光器芯片将电信号调制为光信号探测器芯片的功能则相反通过光电转换信息可经由光纤实现高速稳定的传递光纤通信在不同层级通信网络中均不可或缺为光芯片创造广阔应用需求由于传输距离较长骨干网城域网中的汇聚层一般采用光纤通信对于有线接入网其可分为铜缆接入光纤同轴混合接入光纤接入由于光纤具有信息损耗小带宽高的特性光进铜退亦已成为有线接入网的发展趋势对于无线接入网基站内部有源天线单元AAU与分布单元DU的连接同样需要使用光纤这一连接被称为前传网络图20各层通信网络结构图图21光芯片-移动接入网PON与前传网络无线接入光纤通过PON得以应用笔记本ONUPON无源光纤接入网络光网络单元数据上传ODNIPTV光分配网络骨干网电话HGWSFUInternet笔记本分光器IPTVOLT台式机光线路终端数据下传语音视频HGU光纤IPTV电话汇聚层CATV无线接入光纤在前传中得以应用前传回传4G天线RRU基带处理单元BBU4GEPC接入层Front-Back-haulhaul前传中传回传5G天线单元AAU分布单元DU集中单元CUCoreNetworkFront-Middle-Back-haulhaulhaul数据来源华为培训东吴证券研究所数据来源无线深海东吴证券研究所整理1642东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告221下游趋势国内光纤入户5G基站高渗透全球仍具发展潜力光纤入户国内普及率已处高位存量市场速率升级光纤接入可分为FTTB光纤到楼FTTC光纤到路边FTTH光纤入户等统称为FTTx其中光纤入户FTTH是用户接入光纤的最直接方式被用以衡量光纤接入的成熟程度我国光纤入户普及率已处高位截至2022年9月底我国光纤接入FTTHO端口在所有宽带接入端口中的占比已达955且根据Omida发布的光纤发展指数报告中国已连续两年排行全球第四光纤入户安装保持着10的同比增速但随着普及率逐步攀高需求的增量空间较小从存量升级看我国正实施双千兆发展战略截至2022年9月底千兆光纤宽带用户数为7603万在所有固定宽带用户中占比131仍存较大发展空间光纤入户速率升级将是短期内的需求推动力图22我国FTTHO端口数量及占比图23我国千兆光网宽带用户数及占比12000012093094395501319138000千兆宽带用户占比千兆以上宽带用户数万户1410000088010084470007562022年9月1091280000806000用户数环比增速24410835000用户数同比增速25636000060840006464000040300041426020002820000186201319100006092735291790400002016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年9月FTTHO端口占比FTTHO端口数量万个端口数量同比增速数据来源工业和信息化部东吴证券研究所整理数据来源工业和信息化部东吴证券研究所整理全球市场光纤入户占比相对不高光纤网络发展空间较大截至2021年9月底德国有95的固定宽带用户仍采用电缆接入法国英国的光纤接入用户占有线接入的比例分别为3456美国光纤接入用户占比则为14光纤入户能大幅提升通信速率与安全性稳定性是有线接入的必然发展趋势各国政府企业也均拟定时间表完善光纤入户布局譬如欧盟计划在2030年使千兆光纤网络覆盖所有家庭美国预计在2027年使光纤入户覆盖家庭数由当下的4400万户增长至8200万户由此来看欧洲及美国两大主要市场的光纤网络还具有较大扩张空间图24我国5G基站建设数目及占比5G基站在移动基站中的占比5G基站数万站250252020年5G基站数净新增超60万台2072021年净新增超65万台200179202022年1-9月净新增795万台1551431501512010188100831075475023500数据来源工业和信息化部东吴证券研究所整理1742东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告5G基站建设领域国内整体渗透率已处较高水平但各个城市内的覆盖率尚存提升空间小基站建设推动城市内覆盖率提升也使5G基站新增数目维持高速增长2020年我国新增5G基站超60万站21年净新增超65万站2022年前三季度已净新增795万站基站数目的高速增长为光芯片创造了广阔需求2020年我国已宣布所有地级以上城市实现5G全覆盖2021年时实现5G覆盖超过98的县城城区与80的乡镇街区基站建设正由宏基站向小基站过渡实现区域内部更深度的5G覆盖表2我国三大运营商5G小基站建设布局情况运营商5G小基站建设布局情况21年4月采购5G扩展型小基站运营级试点设备主要用于广东浙江江苏天津四川中国电信22年1月发布2022年5G扩展型小基站设备技术测试公告22年4月启动自研5G扩展型小基站集采用于全国31省市中国联通暂未公布中国移动22年8月公布22-23年扩展型皮基站设备集采的中标候选人此次预估采购规模约为2万站数据来源人民日报海外版C114通信网各公司官网东吴证券研究所222应用种类光纤入户25G占主流移动通信10G25G占主流以工艺划分电信领域激光器主要采用VCSELDFBEML三种光芯片VCSEL主要用于500米以内的短距离传输DFB主要用于中长距离传输如FTTx接入网无线基站等EML主要用于长距离传输如高速率远距离的骨干网与城域网等目前EML激光器芯片大规模商用的最高速率已达到100GDFBVCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率为50G以速率划分光纤接入主要应用25G光芯片移动通信领域主要应用10G25G光芯片从市场规模看2021年全球移动通信领域光模块的应用情况为10G及以下速率光模块占比33325G及以上速率光模块占比667这一占比与移动通信领域10G25G光芯片的分布大体一致2021年国内5G建设为10G光芯片创造的需求最多但展望未来25G光芯片创造的需求或将回暖2020年5G基站建设伊始对25G光芯片的需求提升但由于电信运营商基站建设目标的调整2021年5G基站建设所需的光芯片逐渐从以25G高速率为主变成以10G为主对25G光芯片的采购减少表32020-2021运营商关于5G建设的集采情况集采基站数开标时间运营商建设方案万个202003中国移动频段26GHz带宽160MHz使用25G光芯片2321202004中国电信中国联通频段35GHz带宽200MHz使用25G光芯片2529202107中国移动中国广电频段700MHz带宽30MHz使用10G光芯片4804202108中国电信中国联通频段21GHz带宽45MHz使用10G光芯片242数据来源源杰科技8-1发行人及保荐机构第二轮回复意见东吴证券研究所1842东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告各运营商逐步在小基站领域展开建设布局小基站旨在中短距离下提供较高带宽从而为医院酒店大型商场等场所提供信号辅助其对覆盖范围要求较低对所需带宽则提出更高标准25G光芯片或与小基站建设的需求更为契合223电信领域光芯片市场规模基于Lightcounting对FTTx光纤接入移动通信光模块市场规模的计算以及源杰科技中际旭创等公司披露的成本资料电信领域光芯片市场规模测算如下我们预计2025年电信领域光芯片市场规模将达1396亿美元2021-2025CAGR达81表42021-2025年电信领域光芯片市场规模测算20212022E2023E2024E2025E光模块全球市场规模亿美元光纤接入领域光模块市场规模亿美元523524540592631光纤接入领域光模块市场规模-yoy10602319666移动通信领域光模块市场规模亿美元24732558285931223355移动通信领域光模块市场规模-yoy142341189275电信领域光模块全球市场规模亿美元29963082339937143986其中10G及以下速率光模块市场规模1026103610951176123225G及以上速率光模块市场规模19702046230425382755对应光芯片及组件中低速率光模块毛利率2525252323高速率光模块毛利率3030302828直接材料占光模块成本比例8080808080光芯片及组件占光模块直接材料比例8585858585对应光芯片光芯片占光芯片及组件比例7070707070光芯片全球市场规模亿美元10231052115913011396光芯片全球市场规模-yoy2910127数据来源Lightcounting源杰科技发行人及保荐机构回复意见东吴证券研究所测算23数据中心光模块速率持续提升资本开支驱动增长数据中心是一种拥有许多存储并处理大量信息的计算机的设施基于数据中心云计算商可为客户提供云服务例如使用户无需购买拥有和维护数据中心及服务器即可获得计算能力存储数据库等技术服务云计算厂商会努力在全球各地布置基础设施例如在全球各地设立可用区于其中布置边缘站点与区域性缓存站点而客户可以在位于当地的数据中心上运营服务从而取得更快的响应速度同时确保运营数据能保留在国内在这一领域光芯片主要用于实现数据在大型数据中心内部数据中心间的传输这与光芯片在电信领域实现的功能十分相近1942东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分行业深度报告231下游趋势云计算厂商营收与CAPEX高速增长受益于经济回暖数字化趋势更多产业逐渐上云云计算巨头营收规模增长迅猛2016-2021年AmazonGoogleMicrosoft阿里云的营收规模CAGR分别为385475212697一方面数字化正成为越来越多的产业的发展趋势云可以使各种公司轻松调用已有技术更快地进行创新还能根据实际需求预置资源将公司原本用于数据中心和物理服务器等设备的固定支出转变为按实际用量付费的可变支出优化公司的成本另一方面各公司力求在后疫情时代扩大规模并提高灵活度故加紧行动比原来更积极地使用云基础设施与云服务产品图252016-2021全球云计算巨头营收规模百万美元8000016-21年CAGR21216-21年CAGR3852021yoy273700002021yoy371600005000016-21年CAGR175400002021yoy763000016-21年CAGR4752021yoy4712000016-21年CAGR6972021yoy259100000AmazonGoogleMicrosoftOracle阿里云201620172018201920202021数据来源各公司官网东吴证券研究所整理云计算巨头CAPEX维持较高增速且各厂商大量投资数据中心的态度坚定这将为光芯片创造出大量需求2015-2021年AmazonGoogleMicrosoft阿里云CAPEX的CAGR分别为526193204394数据中心领域光芯片增长的驱动力主要有第一新建可用区增添基站带来的数据中心数目增量第二数据中心升级改造服务器与交换机速率提升创造的增量而各巨头大多认为当前云计算尚处产业早期表示会继续加大投资进而将为光芯片带来稳定的需求增量图262015-2021全球云计算巨头CAPEX变化百万美元15-21年CAGR526602021yoy583504015-21年CAGR19315-21年CAGR204302021yoy1032021yoy32415-21年CAGR394202021yoy32915-21年CAGR129102021yoy5230AmazonGoogleMicrosoftOracle阿里云2015201620172018201920202021数据来源各公司官网东吴证券研究所整理2042东吴证券研究所请务必阅读正文之后的免责声明部分