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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(kuò)大，高速光通信芯片網(wǎng)絡(luò)、純電子信息計(jì)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(jìn)行信號(hào)傳輸，但電力傳輸損耗大，中繼距離短，承載信息量小，信號(hào)頻率有限，光作為媒體具有容量大、成本低的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用逐漸擴(kuò)展到醫(yī)療、消費(fèi)電子、汽車等新興領(lǐng)域，為行業(yè)的發(fā)展提供了增長(zhǎng)空間。

　　光通信是以光信號(hào)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(hào)傳輸信息的系統(tǒng)。在光通信系統(tǒng)傳輸信號(hào)的過程中，發(fā)射器通過激光芯片轉(zhuǎn)換電光，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過光纖傳輸?shù)浇邮掌?，接收器通過探測(cè)器芯片轉(zhuǎn)換光電，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

　　高速光芯片是當(dāng)代高速通信網(wǎng)絡(luò)的核心之一。光芯片是實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，光芯片是決定信息傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵。光芯片可進(jìn)一步組裝加工成光電子設(shè)備，然后集成到光通信設(shè)備的收發(fā)模塊中，實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。光芯片在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用如下：

　　(1)光芯片屬于半導(dǎo)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(yīng)用領(lǐng)域中， 激光器芯片和探測(cè)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(dǎo)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(duì)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(dǎo)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(shè)備，最終應(yīng)用于電信市場(chǎng)，如光纖接入、 4G/5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)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?zhǔn)疽鈭D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(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳導(dǎo)、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(hào)相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，主要包括光發(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(jìn)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(cè)器芯片，其中激光器芯片主要用于發(fā)射信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，探測(cè)器芯片主要用于接收信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

　　激光器芯片，按出光結(jié)構(gòu)可進(jìn)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(cè)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(diǎn)如下：

　　B、 探測(cè)器芯片

　　探測(cè)器芯片主要有 PIN 和 APD，具體特點(diǎn)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合高頻通信的特點(diǎn)，因而在光通信芯片領(lǐng)域得到重要應(yīng)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(cè)器芯片，主要應(yīng)用于電信、數(shù)據(jù)中心等中長(zhǎng)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(yīng)用于數(shù)據(jù)中心短距離傳輸、 3D感測(cè)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(hào)的大容量數(shù)據(jù)傳輸方式，通過光芯片和傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)光的控制。20 世紀(jì) 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(shí)現(xiàn)對(duì)激光運(yùn)行波長(zhǎng)、色散問題、光譜展寬等的控制。

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

　　2、光芯片行業(yè)的現(xiàn)狀

　　(1)光芯片行業(yè)國(guó)外起步較早技術(shù)領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)政策扶持推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　?、贇W美日國(guó)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(dá)國(guó)家陸續(xù)將光子集成產(chǎn)業(yè)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，其中，美國(guó)建立“國(guó)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(tái);歐盟實(shí)施“地平線 2020” 計(jì)劃，集中部署光電子集成研究項(xiàng)目;日本實(shí)施“先端研究開發(fā)計(jì)劃”，部署光電子融合系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目。海外光芯片公司擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，通過積累核心技術(shù)及生產(chǎn)工藝，逐步實(shí)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(duì)外采購(gòu)，海外領(lǐng)先光芯片企業(yè)可自行完成芯片設(shè)計(jì)、 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?guó)內(nèi)光芯片以國(guó)產(chǎn)替代為目標(biāo)，政策支持促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

　　國(guó)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(guó)際外延廠進(jìn)行采購(gòu)，限制了高端光芯片的發(fā)展。以激光器芯片為例，我國(guó)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(shí)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(yán)重依賴進(jìn)口，與國(guó)外產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先水平存在一定差距。我國(guó)政府在光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)政策布局， 2017 年中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布《中國(guó)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(guó)產(chǎn)化率超過 60%，實(shí)現(xiàn)高端光芯片逐步國(guó)產(chǎn)替代的目標(biāo)。國(guó)務(wù)院印發(fā)“十三五” 國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，要求做強(qiáng)信息技術(shù)核心產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)光通信器件的保障能力。