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      數據規模高速增長帶動我國光芯片產業不斷發展

      一、全球光芯片產業快速發展

      光芯片是利用光電轉換效應制成的光電子器件。光電子器件包括發光二極管、激光器芯片、探測器芯片、光電耦合器等。在數通、電信等終端應用領域中,光芯片位于產業鏈上游,是光模塊的核心元件,主要由激光器芯片和探測器芯片組成。光芯片是采用半導體芯片制造工藝,以電激勵源方式,以半導體材料為增益介質,將注入電流的電能激發,從而實現諧振放大選模輸出激光,實現電光轉換。其增益介質與襯底主要為摻雜III-V族化合物的半導體材料,如GaAs(砷化鎵),InP(磷化銦)等。

      光芯片按功能分類: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射信號,將電信號轉化為光信號,探測器芯片主要用于接收信號,將光信號轉化為電信號。激光器芯片,按出光結構可進一步分為面發射芯片和邊發射芯片,面發射芯片包括VCSEL芯片,邊發射芯片包括FP、DFB和EML芯片;探測器芯片,主要有PIN和APD兩類。

      光芯片產品類型特點

      類型

      產品類別

      工作波長

      產品特性

      應用場景

      傳輸速率

      傳輸距離

      材料

      激光器芯片

      vCSEL(面發射)

      800-900nm

      線寬窄,功耗低,調制速率高,耦合效率高,傳輸距離短,線性度差

      500米以內短距離傳輸

      155M-25G

      800m

      GaAs

      FP(邊發射)

      1310-1550nm

      調制速率高,成本低,耦合效率低,線性度差

      中低速無線接入短距離

      155M-10G

      20km

      InP

      DFB(邊發射)

      1270-1610nm

      譜線窄,調制速率高,波長穩定,耦合效率低

      中長距離傳輸

      2.5M-40G

      40km

      EML(邊發射)

      1270-1610nm

      調制頻率高,穩定性好,傳輸距離長,成本高

      長距離傳輸

      大于10G

      大于4Okm

      探測器芯片

      PIN

      830-860/1100-1600nm

      噪聲小,工作電壓低,成本低,靈敏度低

      中長距離傳輸

      155M-10G

      小于40km

      si/Ge/lnP

      APD

      1270-1610nm

      靈敏度高,成本高

      長距離單模光纖

      1.25G-10G

      長距離

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      光芯片的原材料主要為半導體材料,半導體材料主要有三類,包括:單元素半導體材料、III-V族化合物半導體材料、寬禁帶半導體。通常采用三五族化合物磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)作為芯片的襯底材料,相關材料具有高頻、高低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點,符合高頻通信的特點,因而在光通信芯片領域得到重要應用。其中,磷化銦(InP)襯底用于制作FP、DFB、EML邊發射激光器芯片和PIN、APD探測器芯片,主要應用于電信、數據中心等中長距離傳輸;砷化鎵(GaAs)襯底用于制作VCSEL面發射激光器芯片,主要應用于數據中心短距離傳輸、3D感測等領域。

      光芯片材料對比

      分類

      細分

      應用領域

      優勢

      應用場景

      單元素半導體材料

      (Si)

      先進制程芯片

      儲量大、價格便宜

      CPU、內存硅基半導體材料目前產能最大、成本最低應用最廣

      (Ge)

      空間衛星

      電子遷移率、空穴遷移率高

      空間衛星太陽能電池面板

      l1I-V族化合物半導體材料(芯片的襯底材料,是目前僅次于硅之外最成熟的半導體材料)

      砷化嫁(GaAs)

      LED、顯示器、射頻模組

      光電性能好、耐熱、抗輻射

      手機、電腦射頻器件、面部識別、大功率半導體激光器、新一代顯示

      磷化錮(IP)

      光通信

      導熱性好、光電轉換效率高、光纖傳輸效率高

      5G基站光模塊、數據中心光模塊、激光雷達、可穿戴設備

      寬禁帶半導體(成本較高)

      氮化家(GaN)

      充電器、高鐵

      高頻、耐高溫、大功率

      快速充電芯片、高鐵芯片

      碳化硅(Sic)

      電動汽車

      新能源汽車、充電樁

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      在全球信息和數據互聯快速成長的背景下,終端產生的數據量每隔幾年就實現翻倍增長,純電子信息的運算與傳輸能力的提升遇到瓶頸,光電信息技術正在崛起。根據應用材料的數據,機器所產生的數據量在2018年首次超越人類所創造的數據量。2018年至2022年全球固定網絡和移動網絡數據量將從130萬PB增長至576萬PB。

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      這么龐大的數據增量,不可能用人工來處理分析,必須建設各種具備高速運算能力的數據中心來過濾、處理分析、訓練及推理,這將持續帶動各類光芯片和光模塊的需求。2023年全球光電子市場規模有望達到454億美元,相較2022年的438億成長4%。

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      二、“寬帶中國”推動拉動光芯片需求

      根據觀研報告網發布的《中國光芯片行業發展趨勢分析與未來投資研究報告(2023-2030年)》顯示,2021年11月,工信部發布《“十四五”信息通信行業發展規劃》要求全面部署新一代通信網絡基礎設施,全面推進5G移動通信網絡、千兆光纖網絡、骨干網、IPv6、移動物聯網、衛星通信網絡等的建設或升級;統籌優化數據中心布局,構建綠色智能、互通共享的數據與算力設施;積極發展工業互聯網和車聯網等融合基礎設施?!丁笆奈濉毙畔⑼ㄐ判袠I發展規劃》指明信息基礎設施建設的目標,在規劃目標落地的過程中,光芯片需求量也將不斷增長。

      《“十四五”信息通信行業發展規劃》主要建設目標

      類別

      指標

      2020

      2025年目標

      年均增速/累計變化

      總體規模

      信息通信業收入(萬億元)

      2.64

      4.3

      0.1

      信息通信基礎設施累計投資(萬億元)

      2.5

      3.7

      1.2

      基礎設施

      每萬人擁有5G基站數(個)

      5

      26

      21

      10G-PON及以上端口數(萬個)

      320

      1200

      880

      數據中心算力(每秒百億億次浮點運算)

      90

      300

      0.27

      工業互聯網標示解析公共服務節點數()

      96

      10

      54

      移動網絡IPv6流量占比(%)

      17.2

      70

      52.8

      國際互聯網出入口寬帶(太比特每秒)

      7.1

      48

      40.9

      應用普及

      通信網絡終端連接數(億個)

      32

      45

      0.07

      5G用戶普及率(%)

      15

      56

      41

      千兆寬帶用戶數(萬戶)

      640

      6000

      0.56

      工業互聯網標識注冊量(億個)

      94

      500

      0.4

      5G虛擬專網數(個)

      800

      5000

      0.44

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      FTTx光纖接入是全球光模塊用量最多的場景之一,而我國是FTTx市場的主要推動者。受制于電通信電子器件的帶寬限制、損耗較大、功耗較高等,運營商逐步替換銅線網絡為光纖網絡。截至2022年底,三家基礎電信企業的固定互聯網寬帶接入用戶總數達5.9億戶,全年凈增5386萬戶。其中,100Mbps及以上接入速率的用戶為5.54億戶,全年凈增5513萬戶,占總用戶數的93.9%,占比較上年末提高0.8個百分點;1000Mbps及以上接入速率的用戶為9175萬戶,全年凈增5716萬戶,占總用戶數的15.6%,占比較上年末提高9.1個百分點。截至2022年底,全國光纖接入(FTTH/O)端口達到10.25億個,比上年末凈增6534萬個,占比提升至95.7%。

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      根據《“十四五”信息通信行業發展規劃》,在持續推進光纖覆蓋范圍的同時,我國要求全面部署千兆光纖網絡。以10G-PON技術為基礎的千兆光纖網絡具備“全光聯接,海量帶寬,極致體驗”的特點,將在云化虛擬現實(CloudVR)、超高清視頻、智慧家庭、在線教育、遠程醫療等場景部署,引導用戶向千兆速率寬帶升級。根據工信部數據,截至2021年年底,全國10GPON端口數達到786萬個,截至2022年年底,全國10GPON端口數量達到1523萬個,相比21年幾乎翻倍。

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      2020年FTTx全球光模塊市場出貨量約6,289萬只,市場規模為4.73億美元,隨著新代際PON的應用逐漸推廣,預計至2025年全球FTTx光模塊市場出貨量將達到9,208萬只,年均復合增長率為7.92%,市場規模達到6.31億美元,年均復合增長率為5.93%。

      數據來源:觀研天下數據中心整理

      中國市場仍將在接入網市場中發揮主導作用。到2027年,中國在全球FTTx光模塊銷售額份額將保持在50%以上,而且中國將繼續是全球最大的單一市場。

      數據來源:觀研天下數據中心整理(zppeng)

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      另外,從全球封裝行業市場總體結構來看,2023年先進封裝市場份額已經超過48%,達到48.8%,2019年全球先進封裝市場份額只有45.6%,可見先進封裝市場表現要優于傳統封裝市場,這和上文所述觀點表現一致。

      2024年03月01日
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