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　　光通信行業(yè)概況

　　隨著全球信息互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，高速光通信芯片網(wǎng)絡、純電子信息計算和傳輸能力的提高遇到瓶頸，光電信息技術(shù)正在崛起。在傳統(tǒng)的通信傳輸領(lǐng)域，早期通過電纜進行信號傳輸，但電力傳輸損耗大，中繼距離短，承載信息量小，信號頻率有限，光作為媒體具有容量大、成本低的優(yōu)點，商業(yè)傳輸領(lǐng)域逐漸被光通信系統(tǒng)所取代。隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，光電信息技術(shù)的應用逐漸擴展到醫(yī)療、消費電子、汽車等新興領(lǐng)域，為行業(yè)的發(fā)展提供了增長空間。

　　光通信是以光信號為信息載體，以光纖為傳輸介質(zhì)，通過電光轉(zhuǎn)換和光信號傳輸信息的系統(tǒng)。在光通信系統(tǒng)傳輸信號的過程中，發(fā)射器通過激光芯片轉(zhuǎn)換電光，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸?shù)浇邮掌?，接收器通過探測器芯片轉(zhuǎn)換光電，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

　　高速光芯片是當代高速通信網(wǎng)絡的核心之一。光芯片是實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換的基本元件，其性能直接決定了光通信系統(tǒng)的傳輸效率。光纖接入，4G/5G在移動通信網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡系統(tǒng)中，光芯片是決定信息傳輸速率和網(wǎng)絡可靠性的關(guān)鍵。光芯片可進一步組裝加工成光電子設備，然后集成到光通信設備的收發(fā)模塊中，實現(xiàn)廣泛應用。光芯片在光通信系統(tǒng)中的應用如下：

　　(1)光芯片屬于半導體領(lǐng)域， 位于光通信產(chǎn)業(yè)鏈上游，是現(xiàn)代光通信器件核心元件

　　光通信等應用領(lǐng)域中， 激光器芯片和探測器芯片合稱為光芯片。光芯片是光電子器件的重要組成部分，是半導體的重要分類，其技術(shù)代表著現(xiàn)代光電技術(shù)與微電子技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域，其發(fā)展對光電子產(chǎn)業(yè)及電子信息產(chǎn)業(yè)具有重大影響。光芯片之于半導體的關(guān)系示意圖如下：

　　從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，光芯片與其他基礎(chǔ)構(gòu)件(電芯片、結(jié)構(gòu)件、輔料等)構(gòu)成光通信產(chǎn)業(yè)上游，產(chǎn)業(yè)中游為光器件，包括光組件與光模塊，產(chǎn)業(yè)下游組裝成系統(tǒng)設備，最終應用于電信市場，如光纖接入、 4G/5G 移動通信網(wǎng)絡，云計算、互聯(lián)網(wǎng)廠商數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

　　光通信產(chǎn)業(yè)鏈示意圖如下：

　　光通信產(chǎn)業(yè)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(tǒng)中消耗一定能量，實現(xiàn)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(guān)、光連接器、光背板等;光有源組件在系統(tǒng)中將光電信號相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信號傳輸?shù)墓δ埽饕ü獍l(fā)射組件、光接收組件、光調(diào)制器等。

　　光芯片加工封裝為光發(fā)射組件(TOSA)及光接收組件(ROSA)，再將光收發(fā)組件、電芯片、結(jié)構(gòu)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(chǎn)業(yè)鏈的核心之一。

　　(2)光芯片的基本類型

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　　光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光器芯片主要用于發(fā)射信號，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，探測器芯片主要用于接收信號，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

　　激光器芯片，按出光結(jié)構(gòu)可進一步分為面發(fā)射芯片和邊發(fā)射芯片，面發(fā)射芯片包括VCSEL 芯片，邊發(fā)射芯片包括 FP、 DFB 和 EML 芯片;

　　探測器芯片，主要有 PIN 和 APD 兩類。

　　具體情況如下：

　　A、 激光器芯片

　　激光器芯片主要有VCSEL、FP、DFB和EML，具體特點如下：

　　B、 探測器芯片

　　探測器芯片主要有 PIN 和 APD，具體特點如下所示：

　　②原材料分類

　　光芯片企業(yè)通常采用三五族化合物磷化銦( InP)和砷化鎵( GaAs)作為芯片的襯底料，相關(guān)材料具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)點，符合高頻通信的特點，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應用。

　　其中，磷化銦(InP)襯底用于制作 FP、 DFB、 EML 邊發(fā)射激光器芯片和 PIN、 APD探測器芯片，主要應用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長距離傳輸;砷化鎵( GaAs)襯底用于制作 VCSEL 面發(fā)射激光器芯片， 主要應用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、 3D感測等領(lǐng)域。

　　(3)光芯片的發(fā)展概況

　　光通信指的是以光纖為載體傳輸光信號的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質(zhì)實現(xiàn)對光的控制。20 世紀 60 年代，激光器芯片技術(shù)和低損耗光纖技術(shù)出現(xiàn)，激光器芯片材料和結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展，逐步實現(xiàn)對激光運行波長、色散問題、光譜展寬等的控制。

　　經(jīng)過結(jié)構(gòu)設計、組件集成和生產(chǎn)工藝的改進，目前 EML 激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達到 100G， DFB 和 VCSEL 激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率已達到 50G。在不斷滿足高帶寬、高速率要求的同時，光芯片的應用逐漸從光通信拓展至包括醫(yī)療、消費電子和車載激光雷達等更廣闊的應用領(lǐng)域。

　　2、光芯片行業(yè)的現(xiàn)狀

　　(1)光芯片行業(yè)國外起步較早技術(shù)領(lǐng)先，國內(nèi)政策扶持推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　?、贇W美日國家光芯片行業(yè)起步較早、技術(shù)領(lǐng)先

　　光芯片主要使用光電子技術(shù)，海外在近代光電子技術(shù)起步較早、積累較多，歐美日等發(fā)達國家陸續(xù)將光子集成產(chǎn)業(yè)列入國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，其中，美國建立“國家光子集成制造創(chuàng)新研究所”，打造光子集成器件研發(fā)制備平臺;歐盟實施“地平線 2020” 計劃，集中部署光電子集成研究項目;日本實施“先端研究開發(fā)計劃”，部署光電子融合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項目。海外光芯片公司擁有先發(fā)優(yōu)勢，通過積累核心技術(shù)及生產(chǎn)工藝，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，建立起較高的行業(yè)壁壘。

　　海外光芯片公司普遍具有從光芯片、光收發(fā)組件、光模塊全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋能力。除了襯底需要對外采購，海外領(lǐng)先光芯片企業(yè)可自行完成芯片設計、 晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn) 25G 及以上速率光芯片。此外，海外領(lǐng)先光芯片企業(yè)在高端通信激光器領(lǐng)域已經(jīng)廣泛布局，在可調(diào)諧激光器、超窄線寬激光器、大功率激光器等領(lǐng)域也已有深厚積累。

　?、趪鴥?nèi)光芯片以國產(chǎn)替代為目標，政策支持促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　國內(nèi)的光芯片生產(chǎn)商普遍具有除晶圓外延環(huán)節(jié)之外的后端加工能力，而光芯片核心的外延技術(shù)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(fā)展。以激光器芯片為例，我國能夠規(guī)模量產(chǎn) 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(xiàn)批量發(fā)貨， 25G 以上速率激光器芯片大部分廠商仍在研發(fā)或小規(guī)模試產(chǎn)階段。

　　整體來看高速率光芯片嚴重依賴進口，與國外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。我國政府在光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)進行重點政策布局， 2017 年中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)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(chǎn)化率超過 60%，實現(xiàn)高端光芯片逐步國產(chǎn)替代的目標。國務院印發(fā)“十三五” 國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，要求做強信息技術(shù)核心產(chǎn)業(yè)，推動光通信器件的保障能力。