（报告出品方/作者：民生证券，马天诣、马佳伟）

1立于时代风口，光芯片有望引领下一轮科技革命

1.1立于时代风口产业规模庞大，有望引领下一轮科技革命

光芯片归属于半导体领域，是光电子器件的核心组成部分。半导体整体可以分为分立器件和集成电路两大类，数字芯片和模拟芯片等电芯片归属于集成电路，光芯片则是分立器件大类下光电子器件的核心组成部分。典型的光电子器件包括了激光器、探测器等。

作为激光器/探测器等光电子器件的核心组成部分，光芯片是现代光通信系统的核心。现代光通信系统是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。从传输信号的过程来看，首先发射端通过激光器内的光芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经过光纤传输至接收端，接收端通过探测器内的光芯片进行光电转换，将光信号转换为电信号。其中，核心的光电转换功能由激光器和探测器内的光芯片（激光器芯片/探测器芯片）来实现，光芯片直接决定了信息的传输速度和可靠性。

光芯片的应用场景远不仅仅局限于通信领域，广义上的光芯片在工业、消费电子、汽车、军事等领域均有非常广泛的应用。当前光子已站上时代风口，有望引领后摩尔时代的科技革命。未来的时代或将是一个光子大规模替换电子的时代，光网络传输有望成为人类信息文明最重要的基础设施。

光芯片只是光子产业上游的一小部分，站在整个光子产业的宏观视角，根据Photonics21发布的《MarketDataandIndustryReport》显示：自年以来，全球市场规模以每年7%的速度增长。其中，年的全球市场规模达到亿欧元，预计年将进一步增至亿欧元。

从更为具体的应用场景的视角，以通过电子跃迁产生光子的激光器芯片为例，其应用场景涵盖各个环节。根据其产生光子的用途，可大致分为能量光子、信息光子和显示光子。能量光子的应用场景涉及光纤激光器、医疗美容等，信息光子的应用场景包括通信、汽车自动驾驶、手机人脸识别、军工等，显示光子的典型应用场景有激光照明、激光电视、汽车车灯等。

1.2较之集成电路芯片，光芯片侧重外延因而以IDM模式为核心且材料平台差异明显

从芯片制备角度，光芯片制备的工艺流程与集成电路芯片有一定相似性但侧重点不同，光芯片最核心的是外延环节。光芯片的制备流程同样包含了外延、光刻、刻蚀、芯片封测等环节。但就侧重点而言，光刻是集成电路芯片最重要的工艺环节，其直接决定了芯片的制程以及性能水平。与集成电路芯片不同，光芯片对制程要求相对不高，外延设计及制造是核心，该环节技术门槛最高。以激光器芯片为例，其决定了输出光特性以及光电转化效率。目前使用的激光器芯片多采用多量子阱结构，多量子阱结构实际上是由厚度在纳米尺度的不同薄层材料构成的重复单元，通过对多量子阱精细结构的调节可以使激光器工作在不同的波长之下，进而满足不同的应用需求。是否具备良好的外延设计及制造能力是光芯片制造商最重要评价标准，同时对于研发人员的经验积累要求高。

光芯片核心在外延环节，在工艺层面标准化程度相对低，其性能依赖于具体的工艺设计制备，因而这也就决定了IDM模式是主流，这区别于标准化程度高、行业分工明确的集成电路芯片领域。考虑到光芯片的核心环节在外延层的设计与制备，要求设计与晶圆制造环节相互反馈与验证以不断优化产品性能实现高性能指标，因而IDM模式为主流：1）有助于快速改良芯片设计并优化制造工艺，大大缩短产品研发及量产交付周期；2）更利于保证生产过程中工艺的稳定和可靠，从而更好地控制产品良率；3）还助于保护结构设计与工艺制程的知识产权。并且从自主可控的角度，IDM模式也能够摆脱对海外进口的依赖，真正解决“卡脖子”问题。海外头部厂商均采用IDM模式，国内厂商加速强化自身的外延能力。从行业内来看，以II-VI、Lumentum、住友、MACOM等为代表的海外头部光芯片厂商均采用IDM模式，除了衬底需要对外采购，全面覆盖芯片设计、外延生长、晶圆制造、芯片加工和测试等全流程环节。国内厂商普遍具有除晶圆外延环节以外的后端加工能力，而最核心的外延技术相对并不成熟。但同时也能看到当前国内厂商正加速强化自身的外延能力，除了一些原本外延能力相对较强的厂商外，很多传统聚焦于芯片后段工艺的厂商近年来也开始完善自身的外延能力。因而低端产品（如2.5GDFB激光器芯片）不少国内厂商已能够实现完全IDM模式生产，而在稍高端的产品方面，仅少数国内厂商具备自主外延能力。

其次，从芯片材料（衬底）角度，较之集成电路芯片常用的硅片，二代化合物半导体（如InP、GaAs）是更为常用的光芯片材料。对于激光器芯片，以III-V族的直接间隙半导体InP和GaAs为主，材料的带隙大小决定了激光器芯片的发光波长，因而光芯片材料的选择依具体所需的发光波长而定。Si作为间接带隙材料不适合直接发光因而不适合作为激光器芯片的材料平台。探测器芯片则以Si、Ge、InP等为主。其他的光芯片，如调制器芯片是Si、InP和LiNbO3，而无源光芯片的材料一般是Si和SiO2。

另外，以SiC，GaN为代表的第三代半导体也可作为光芯片的材料。当然由于其对应的发光波长范围与二代半导体（InP、GaAs）有显著差别，因而其主要应用场景并非光通信领域，而是显示领域的LED。除此之外，考虑到第三代半导体作为宽禁带半导体材料，具有击穿电场强度高、热稳定性好、载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，因此除了光电子领域外，其应用场景更多集中在功率器件和射频器件领域。近期可看到通信领域的相关公司也开始积极进行第三代半导体的布局：

中瓷电子：年8月28日，公司发布《河北中瓷电子科技股份有限公司发行股份购买资产并募集资金暨关联交易报告书（草案）》，拟按46.06元/股的价格，发行.38万股，向中国电科十三所购买其持有的博威公司73.00%股权、氮化镓通信基站射频芯片业务资产及负债，向中国电科十三所、数字之光、智芯互联、电科投资、首都科发、顺义科创、国投天津购买其合计持有的国联万众94.%股权。同时，公司拟以非公开发行股份方式募集不超过25亿元，用于标的公司“氮化镓微波产品精密制造生产线建设项目”、“通信功放与微波集成电路研发中心建设项目”、“第三代半导体工艺及封测平台建设项目”、“碳化硅高压功率模块关键技术研发项目”及补充上市公司或标的公司流动资金。通过此次收购，公司将获得中国电科十三所旗下的三代半导体（SiC、GaN）优质资产，跨入高成长赛道。

长飞光纤：公司于年5月完成了对芜湖启迪半导体有限公司及芜湖太赫兹工程中心有限公司的收购与整合，并已将收购后的标的公司更名为安徽长飞先进半导体有限公司（截至年8月26日，公司合计持有其37.78%的股份）。长飞先进主要从事以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体产品的工艺研发和制造，具备从半导体材料外延生产、芯片和器件制造到模块封装测试的专业化代工生产能力和技术研发能力，具有完整的6英寸产线设备和先进的配套系统。未来碳化硅功率器件在新能源汽车领域具有广阔的市场前景，长飞先进地处安徽芜湖，当前安徽正积极打造汽车产业集群，芜湖是新能源汽车重大新兴产业基地，因而地理位置上具有得天独厚的优势，有望为长飞先进带来重要发展机遇。从长飞光纤的角度，如果说过去的三十年可以用一句话解释叫“光进铜退”，未来的三十年，广泛应用于新能源车、光伏、通信、军工等全球高端制造行业的第三代半导体，将充分打开公司未来的成长空间。

1.3光通信是光芯片重要的应用领域，相关产品种类繁多

光通信是光芯片最核心的应用领域之一，光通信领域的光芯片整体可分为有源和无源两大类，并可按功能等维度进一步细分。根据有源芯片功能，可分为发射光信号的激光器芯片、接收光信号的探测器芯片、调制光信号的调制器芯片等。无源芯片方面，主要由基于平面光波导技术调控光路传输的PLC光分路器芯片、AWG芯片、VOA芯片等构成。综合来看，激光器芯片和探测器芯片是应用最多、最为核心的两类光芯片。

激光器芯片可进一步分类，例如1）按出光结构，可分为面发射的VCSEL（垂直腔面反射激光器）芯片，以及边发射的FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布反馈式激光器）和EML（电吸收调制激光器）芯片；2）按调制方式，可分为直接调制激光器DML（包括VCSEL、FP、DFB）芯片和电吸收调制激光器EML芯片（集成了EAM调制器和DFB芯片）；3）从距离角度，FP和VCSEL芯片适合短距离场景，中距离场景多采用DFB芯片，长距离场景主要采用EML芯片。从工作原理来看，激光器芯片核心是施加一定的激励方式（如将电流注入芯片核心量子阱区域），利用半导体物质在能带间跃迁发光以激发出光子，并在光波导和有光学镀膜的解理端面（用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜从而组成谐振腔）间进行震荡、反馈。最后辐射放大形成相位和方向高度一致的光子，即发射激光。以上过程需满足三个条件。

探测器芯片同样种类很多，原理上基于光电效应（可分为内光电效应和外光电效应），通信领域的探测器细分来看可归为基于内光电效应的光生伏特探测器，根据放大与否，可进一步分为非放大的PIN（二级管探测器）和包含放大的APD（雪崩二级管探测器）两种。前者的灵敏度相对较低，但噪声小，工作电压低，成本低，适用于中短距离的光通信传输。APD在灵敏度以及接收距离上优于PIN，但成本高于PIN。PIN的工作流程分为两步，一是材料在入射光照射下产生光生载流子，二是光电流与外围电路间的相互作用并输出电信号。与PIN相较，APD较之PIN探测器多了一个雪崩倍增区域，加上一个较高的反向偏置电压后，利用雪崩击穿效应，可在APD中获得一个很大的内部电流增益，从而实现更高的灵敏度等优势。

整体来看，光芯片种类繁多，应用场景广泛，近年来很多应用场景中的光芯片均开始迎来加速发展，市场空间持续扩大。本文将以激光器芯片为切入点，重点聚焦光通信领域的激光器芯片。

1.4多维度构筑高壁垒，光通信领域光芯片整体门槛高

光芯片属于技术密集型行业，技术壁垒高，研发设计及工艺制造涉及高速射频电路与电子学、微波导光学、半导体量子力学、半导体材料学等多个跨领域学科，设计要求高、工艺流程复杂需要长时间的经验积累。同时，高客户壁垒、规模效应也都是行业特征。

1.工艺流程复杂技术壁垒高，外延环节是核心，经验积累构筑的先发优势明显

工艺流程复杂，涉及诸多精密加工环节，技术壁垒高。以制造一颗25GDFB激光器芯片为例，若不涵盖封装测试环节，大致可分为9大部分，整个生产工序超过道，每道生产工序包括工艺设计都将影响产品最终的性能和可靠性。

外延环节对设计及生产工艺的要求高，是当前国内厂商与海外头部厂商的主要差距所在。经验积累包括生产过程的良率爬坡都需要较长时间，因而先发优势明显，是厂商竞争优势及技术实力的核心体现，1）从工艺角度：需对材料厚度、比例、电学掺杂、缺线控制等参数进行精确控制。以25GDFB芯片为例，有源层包含了20~30层的量子阱结构，每层量子阱的厚度在4~10nm不等，工艺上要求对每层量子阱实现埃米级（0.1nm）控制，厚度精度误差小于0.2nm。除了厚度外，每层量子阱的材料比例误差也会造成量子阱发光波长误差、量子阱各层间的应力误差均会影响产品最终的性能与可靠性；2）从设计的角度：须要对相关参数进行精细设计以实现所需性能，这就要求激光器芯片厂商利用理论仿真指导外延技术的开发，通过模拟仿真量子阱结构、理论计算晶圆光电特性，在生产前预判晶圆性能趋势，便于进行有源区晶圆外延工艺参数匹配调试，有效缩短开发周期；3）从生产良率的角度，生产难度高，需要较长时间的经验积累和良率爬坡过程，先发优势明显。高端产品上，国内厂商与海外头部厂商在各方面性能上仍有较大差距。

2.下游需求驱动，激光器芯片加速更新迭代

光模块速率加速提升，驱动激光器芯片更新迭代升级。以数通领域为例，流量高速增长、光模块单位速率成本下降、交换机芯片升级扩容等多种因素均是驱动光模块速率升级的重要因素，基本3~5年完成一次光模块速率的升级迭代。光模块速率提升主要有三种途径：1）提升激光器芯片的速率（波特率），2）提升光模块的通道数，3）较之传统的NRZ调制，使用更高阶的信号调制技术，如PAM4和相干调制。以上三种方式的具体选择涉及到综合权衡技术难度、成本、光模块体积、散热等方面因素。从激光器芯片速率升级的角度，数通领域从40G光模块中常用的10G波特率的VCSEL/DFB芯片，到G光模块中常用的25G波特率的VCSEL/DFB芯片，再到高端光模块如G中常用的50G波特率的EML芯片，呈现明显的激光器芯片更新迭代过程，包括随着未来硅光的进一步推进，大功率激光器芯片的重要性也将进一步提升。

3.客户壁垒高，可靠性大规模交付能力是绑定大客户的关键，先发优势大

通信领域激光器芯片的最下游客户主要是运营商及云厂商，在产品性能满足的前提下，对可靠性、大规模交付能力有较高要求。因而客户粘性强，壁垒高，不轻易更换供应商。特别是电信领域的应用场景，可能涉及户外高温、高湿、低温等恶劣环境，对可靠性及稳定的要求很高。下游客户在选取新供应商时需要经过资质审核、产品验证、小批量试用等环节，时间成本高且替换难度大。可靠性验证的项目指标多样且耗时长久，如高温大电流长时间（5,小时）老化测试、高低温温循验证、高温高湿环境验证等。另外，在满足可靠性的基础上，同时需要激光器芯片厂商有很强的大规模交付能力，并且能够很好地保证大规模量产中的良率及工艺的稳定性。

4.激光器芯片领域同样具备一定的规模效应

类似于集成电路芯片，激光器芯片领域同样具备一定的规模效应。激光器芯片的产品特性决定了IDM模式是主流，因而厂商通常需要建立包含芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的IDM全流程业务体系，需要拥有多条覆盖MOCVD外延生长、光栅工艺、自动化芯片测试等全流程自主可控的生产线。产线上的MOCVD设备、电子束光栅设备、光学镀膜系统、自动化芯片测试机、自动粘片机等均需要相当程度的资本投入，因而参考国内激光器芯片厂商目前的收入体量，前期固定投入较大，行业门槛相对较高。所以类似于集成电路芯片，激光器芯片领域同样需要提升产能去摊薄固定资产折旧，因而具备相当程度的规模效应。

1.5居光通信产业链上游，参与者众多

激光器芯片位于产业链上游，参与者众多，在中低端领域竞争激烈。产业链大致分为“衬底、光通信激光器芯片（外延/芯片设计/芯片制造）、有源器件、光模块、下游最终客户”几大环节。1)衬底：行业集中度高，据Yole的统计，年磷化铟（InP）衬底的全球前三大厂商（住友、北京通美、日本JX）占据了90%以上的份额，而在全球砷化镓（GaAs）衬底市场，由Freiberger、住友和北京通美主导，三家合计占据了超60%的市场份额。2)光通信领域的激光器芯片：高端产品由海外头部厂商主导，中低端产品参与者众多竞争相对激烈。整体来看行业参与者分几大类，包括了：a)光通信领域激光器芯片/器件/模块上下游一体化布局的厂商，如IIVI、Lumentum、光迅科技、海信宽带等。b)业务涉猎更广泛的一些厂商，如住友、三菱、Broad

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