早在1979年，我国科学家钱学森就看好光子学，并围绕光子学提出了光子工业的概念，而到如今许多假想依然没有实现，很多代价另有待发掘。[1]
现在，光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革命，芯片从电到光，将是我国实现赶超的战略机会[2]。光子革命已至，但若要光为人所用，实在也没有想象中那样轻易。
本文是“国产替换”系列的第十四篇，关注光芯片国产替换。在本文中，你将相识到：光芯片到底是什么，国产发展环境毕竟怎样，光芯片的将来。
付斌丨作者
李拓、刘冬宇丨编辑
果壳硬科技丨筹谋
光与电的完善共同
当代大多数芯片的本质，就是将情况信号转换为可精致操控的电信号，或将处置惩罚过的电信号转换为情况信号的一个过程（如用电产生电热或用洛伦兹力产生磁场）。同理，光也可转化为电信号。实现光电信号相互转换的焦点器件，就是光芯片。没有它，我们就无法与光交换。
光芯片早已深入每个人生存之中。你我都知道，家用电脑若要毗连网络，都要安装光纤和“光猫”，让这套体系正常运作的功臣，就是光芯片。
为什么肯定是光芯片？
这是由于光子作为信息载体具有天赋的上风，可以实现几十Tb/s的信息传输速率，实现低互换耽误和高传输带宽，实现多路同时通讯，同时拥有超低功耗的体现[2]。研究表现，光基装备中的数据以光速移动，相比平凡电子电路，移动速率快10倍。[3]
固然光芯片是天赋型选手，但要在体系中发挥作用，照旧离不开电芯片。二者与PCB、布局件、套管进一步构成光器件，并以此为底子加工为光模块实现终极功能，终极应用于市场。
光芯片在财产链中的位置[4]
现在，光芯片的技能概念有多重寄义，包罗光通讯、光盘算、光量子等，应用广泛分布在工业、消耗、汽车、医疗等范畴。但它的典范应用场景仍旧是光通讯，也是最焦点的应用范畴。
光通讯中的光芯片
光通讯指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式，通过光芯片和传输介质实现对光的控制。
在光通讯财产链中，光芯片是最焦点的部门，一样平常分为2.5Gb/s、10Gb/s、25Gb/s及以上各种调制速率，速率越快对应的光模块在单元时间内传输的信号量就越大。
与此同时，光芯片也是光模块物料本钱布局中占比最大的部门。通常而言，光芯片约占中端光模块物料本钱的40%，一些高端光模块中它的物料本钱乃至能占到50%以上[5]，反观电芯片的本钱通常占比为10%~30%，越高速、高端的光模块电芯片本钱占比越高。[6]
光芯片在光通讯体系中应用位置[4]
按功能，光芯片重要分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光布局进一步分为面发射芯片和边发射芯片，重要包罗VCSEL、FP、DFB、EML；探测器芯片用于吸收信号，将光信号转化为电信号，重要包罗PIN和APD。
对光芯片来说，市场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪60年代开始，光芯片就在质料、布局计划、组件集成和生产工艺方面不停改进。现在EML激光器芯片大规模商用最高速率已达100Gb/s，DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用最高速率已达50Gb/s，与此同时，这些改变也让光芯片拥有向更广阔应用范畴发展提供底气，诸如车载激光雷达、医疗等。[4]
差别光芯片的特性和应用场景[4]
光芯片的生产制造是难点。生产工序依序为MOCVD外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、主动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等。此中，外延工艺是光芯片生产中最重要和最高技能门槛的环节，工艺程度直接决定了本钱的性能指标和可靠性。一款良好的光芯片背后，是高昂的投入、极长的研发周期、较大的研发风险以及极快的技能更新速率。
由于光芯片处在财产链上游，会牵涉出复杂的原质料题目。其自己一样平常由化合物半导体所制造，重要以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的III-V族质料为衬底，通过内部能级跃迁过程陪同的光子的产生和吸取，进而实现光电信号相互转换。除此之外，制造过程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原质料。
光芯片的重要分类[4]
光芯片作为上游元件，市场重要受卑鄙光模块拉动。据国信证券测算，以光模块行业均匀25%的毛利率及Light Counting对光模块环球超150亿美元的市场规模猜测估算，2021年光芯片环球市场规模约为35亿美元，预计2025年可达60亿美元。[7]
光通讯财产链及市场规模[7]
随着数据量需求爆炸式增长，人们对光芯片的速率要求越来越高，而学术界和工业界则将眼光放到了硅光芯片上。
把光子和电子糅在一起
预测将来3年，硅光芯片（或光电融合）将是光通讯的一大趋势，它将支持大型数据中央的高速信息传输。现在，硅光芯片技能研究由美国、欧洲和日本引领，100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s硅光系列产物占据环球干系光模块市场约30%以上。[8]
顾名思义，硅光芯片就是在硅光子和硅电子芯片上取长补短，发挥二者上风。这一概念早在40年前就已诞生，但硅基发光不停是巨浩劫题，因此一样平常是以硅质料为基底，引入多种质料实现发光[9]，分为SOI（绝缘体上硅）、SiN、III-V族（GaAs和InP）、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制造平台。[10]
复杂的质料学题目引发更多技能困难，诸如硅光耦合工艺、晶圆主动测试及切割、硅光芯片的计划工具等技能挑衅。别的，受制于财产链、工艺程度限定，硅光芯片还没有在产能、本钱、良率上凸显上风。不外，硅光芯片的颠覆性引发了研究高潮，技能日趋成熟，即将进入规模化商用阶段。[11]
硅光芯片的作用远不至此，它具有高运算速率、低功耗、低时延等特点，在制造工艺上，与微电子器件雷同，但又不必寻求工艺尺寸的极限缩小，大概是资助人们突破摩尔定律天花板的关键[12]。更紧张的是，做好它就相称于买通光子工业的关节。科学家广泛以为，光子可以像电子一样作为信息载体来天生、处置惩罚、传输信息，此中光盘算就是紧张先辈范畴之一。光通讯的光电转换技能可以应用在光盘算中，而光盘算所要求的低消耗、高密度光子集成也会进一步促进光通讯发展。将来5年~10年，以硅光芯片为底子的光盘算将渐渐代替电子芯片的部门盘算场景。[13]
据Yole猜测，从2020年到2026年，硅光芯片的环球市场规模将从8700万美元升至11亿美元。此中，消耗者康健、数据中央、光子盘算、共封装引擎、长间隔收发器将是重要细分市场。[14]
硅光范畴比年并购动作频仍[15]
抱负是丰满的，想要走那么远，照旧要实事求是，先做好现有的光通讯芯片。
光芯片的追逐者
西欧日在光芯片上技能起步早、积聚多，是市场的主导者。这些国家的研究机构和先辈企业通过不停积聚焦点技能和生产工艺，渐渐实现财产闭环，创建起了极高的行业壁垒。
反观国内则起步较晚，高速率光芯片（25Gb/s及以上速率）严峻依靠入口，与国外财产领先程度存在显着差距。数据表现，我国2.5Gb/s光通讯芯片国产化率靠近50%，但10Gb/s及以上的光通讯芯片国产化率却不凌驾5%，非常依靠Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
与此同时，固然光芯片国产商广泛拥有晶圆外延环节以外的后端加工本领，但焦点的外延技能并不成熟，高端的外延片必要入口，大大限定了高端光芯片发展。
光芯片市场重要到场者[17]
2017年，中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件财产技能发展门路图（2018-2022 年）》中指出，我国厂商只把握了10Gb/s速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及PLC/AWG芯片的制造工艺和配套IC的计划、封测本领，高端芯片本领比国际落伍1~2代以上，且缺乏完备、稳固的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长、服从低，渐渐与国外的差距拉大。彼时明白了重点是25Gb/s及以上速率激光器和探测器芯片。[18]
2017年光收发模块及光芯片、电芯片国产化率测算[18]
到了2022年，国产高端光芯片有显着突破，但仍旧大幅落伍于国际巨头。而关键的25Gb/s激光器和探测器芯片方面，源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等企业开始量产，不外团体贩卖规模仍旧较小。以源杰科技为例，其10Gb/s、25Gb/s激光器芯片系列产物出货量在国内同类产物中已压倒一切，但其2022年上半年贩卖额仅为4100万元。[19]
对国产光芯片追逐者来说，分工模式是关键。芯片行业分为Fabless（计划公司）和IDM（计划、制造、封装全流程）两种模式，此中IDM模式是主导光芯片的重要模式。一方面，光芯片的焦点在于晶圆外延技能；另一方面，由于接纳III-V族半导体质料，因此要求光芯片计划与晶圆制造环节相互反馈验证。
差别分工模式的区别[20]
纵览市场，国产光芯片典范玩家均选择了IDM模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面，IDM可以或许实时相应市场需求，机动调解产物生产过程中各种工艺参数；另一方面，可以或许高效排盘问题，精准触达产物计划、生产、测试环节题目；别的，IDM模式形成了完备的闭环流程，不但全部自主可控，同时可以或许有用掩护知识产权。[21]
参考丨公司招股书
近两年，光芯片在投融资界也热闹非常。据果壳硬科技统计，25Gb/s及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子（光电融合）是最为热门和吸金的赛道，也是贸易化较近的项目。另一些项目则更聚焦在将来，如光盘算、光量子，这些项目贸易化历程动辄十年、二十年，非常具有前瞻性。
近期国产光芯片融资不完全统计，制表丨果壳硬科技
把握先辈的光芯片技能，是各国争相竞逐的关键。以美国为例，不但在政策上不停倾斜，以IBM、Intel为代表的工业巨头、以MIT、UCSB为代表的学术界领军机构都在尽心尽力地发展大规模光子集成芯片。别的，欧盟的“地平线 2020”筹划和日本的“先端研究开辟筹划”中也涉及光电子集成研究项目。[22]
种种动作，预示着一场以光为焦点的科技革命，正在酝酿之中。
中科创星首创合资人米磊曾提出“米70定律”，即光学技能是推动科技产物进步的关键瓶颈技能，光学本钱占将来全部科技产物本钱的70％。[23]
纵观汗青，科技革命的扩散周期约莫为60年，集成电路从20世纪60年代诞生至今也已已往60年[2]，光芯片无疑是引领下一个60年的关键。固然，光子也并不是要完全替换掉电子，而是相互协同。
属于光芯片的期间已经到来，但芯片行业不停暴虐地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会乐成。
References：
[1] 钱学森.光子学、光子技能、光子工业[J].中国激光,1979,6(1):1.
https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ157c3606f52a17a5/Abstract
[2] 《瞭望》：以科技革命的战略眼光结构光子芯片.2022.1.10.http://lw.news.cn/2022-01/10/c_1310416707.htm
[3] Leslie M. Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J]. Engineering, 2021, 7(9): 1195-1196.
[4] 源杰科技：初次公开辟行股票并在科创板上市招股阐明书.2022.9.19.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202209/ed2747384cb447b2a20b040ced45e098.pdf
[5] 头豹研究院：2022年中国光模块行业研究陈诉（择要版）.2022.6.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202207221576465739_1.pdf?1658524015000.pdf
[6] 浙商证券股份有限公司：关注光芯片国产化时机.2020年6月第4期.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202006291388250871_1.pdf?1593463535000.pdf
[7] 国信证券：光器件行业研究框架与投资时机梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[8] 科创中国：硅光技能可否促成光电子和微电子的融合？.https://www.kczg.org.cn/article/issueDetail?id=942
[9] 郭进, 冯俊波, 曹国威. 硅光子芯片工艺与计划的发展与挑衅[J]. ZTE TECHNOLOGY JOURNAL, 2017: 11.https://res-www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201705/465817/P020171009579288470018.pdf
[10] 马浩然,李筱敏,王曰海,杨建义.硅基光子芯片研究希望与挑衅[J].半导体光电,2022,43(02):218-229.
[11] 《科技日报》：硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“同伴”.2021.8.30.http://www.xinhuanet.com/tech/20210830/a18a6550b75e4163bd0a64489619bdea/c.html
[12]《中国科学报》：百纳米就好使！光芯片缓解芯片瓶颈困难.2021.5.21.https://mp.weixin.qq.com/s/evr_f5spjD8yfEplYmHTfA
[13] 阿里达摩院：2022年十大科技趋势.https://damo.alibaba.com/techtrends/2022/silicon-photonic-chips?lang=zh
[14] Yole：Silicon photonics sticks its head above the parapet.2021.11.23.https://www.i-micronews.com/silicon-photonics-sticks-its-head-above-the-parapet/?cn-reloaded=1
[15] 华西证券：硅光：“逾越摩尔”新路径，厚积薄发大将来.2022.1.14.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202201171540919727_1.pdf?1642417584000.pdf
[16] 国泰君安证券股份有限公司：关于陕西源杰半导体科技股份有限公司辅导存案的申请陈诉.2020.9.2.http://www.csrc.gov.cn/shaanxi/c101329/c1404264/1404264/files/1614654318079_45691.pdf
[17] 国信证券：光器件行业研究框架与投资时机梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[18] 中国电子元件行业协会：中国光电子器件财产技能发展门路图（2018-2022年）.https://www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n1146440/c6001146/part/6005856.pdf
[19] 光通讯观察：五年之期届满，我国光器件财产发展近况怎样？.2022.7.5.https://mp.weixin.qq.com/s/516umRgzweTXF1XX8fyBTw
[20] 长光华芯：初次公开辟行股票并在科创板上市招股阐明书.2021.6.29.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202106/ef8b408d2bb54bd7916dd92fd5d21c82.pdf
[21] 新华报业网：IDM模式赋能，陕西源杰科技有望实现高质量发展.2022.7.27.http://www.xhby.net/sy/cb/202207/t20220727_7632733.shtml
[22] 大规模光子集成芯片[J]. 中国科学院院刊, 2016, 31(Z2): 192-194.http://www.bulletin.cas.cn/publish_article/2016/Z2/2016Z241.htm
[23] DeepTech深科技：国内对光最“执着”的投资气力：7年投资80家光科技初创，静待光子集成期间发作.2020.6.11.https://mp.weixin.qq.com/s/UV1N4BWKrXbk6ODht_O1eQ
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