光芯片行业系列深度一：卧薪尝胆国产光芯片持续渗透，厚积薄发中高端产品替代加速启动

立于时代风口，光芯片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。其应用场景远不仅仅局限于通信领域，在工业、消费电子、汽车、军事等领域均有非常广泛的应用。较之集成电路芯片，除了具体实现的功能外，差异主要体现在：1）芯片制备角度，光芯片制备流程与集成电路芯片有一定相似性，但侧重点不在光刻环节，而在于外延的设计和制备，这也决定了行业内IDM模式是主流，区别于标准化程度高、行业分工明确的集成电路芯片领域；2）芯片材料角度，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；3）应用场景角度，光芯片未来会广泛应用于各个行业，我们认为未来或将是一个光子替代电子的大时代。 国内外加快部署建设光网络数据和通信基础设施建设，光通信激光器芯片成长空间大：数通领域需求高景气，电信千兆宽带加速建设助力10G PON持续火热，推动光通信激光器芯片需求走高。据源杰科技第二轮审核问询函回复中的测算，2021年用于光模块的光芯片的全球市场规模约22.7亿美元。我们假设激光器与探测器芯片价格相近，因而激光器芯片市场规模约11.4亿美元。考虑到当前国内厂商激光器芯片业务收入较多集中在千万级或刚刚过亿，成长空间广阔。 光通信激光器芯片国产替代动力足，高端产品替代加速启动：1）产品角度，当前10G及以下的国产程度已较高，25G仅有少部分厂商能批量发货，25G以上仍处研究或小规模试产阶段；2）应用领域角度，国内厂商在电信市场的光纤接入和无线接入领域参与程度较高，数通市场加速渗透；3）外延能力角度，国内厂商普遍具有除晶圆外延环节之外的后端加工能力，虽然外延技术与国外头部厂商仍有明显差距，但当前正持续追加投入。我们认为技术突出聚焦高端产品国产替代、具备自主外延设计和制备能力以IDM模式发展的国内厂商优势显著，伴随高端产品开启国产替代&数通领域加速渗透，国内厂商未来有望加速成长。 投资建议：建议重点关注激光器芯片领域积淀深厚技术突出的光迅科技，国内稀缺的铌酸锂芯片&调制器厂商光库科技，硅光领域持续聚焦布局的中际旭创、新易盛，有源&无源芯片全面布局并拓展激光雷达等车载业务的仕佳光子，无源芯片领域实力突出的太辰光、博创科技。同时建议关注中瓷电子、长飞光纤、长光华芯、富信科技、德明利、永鼎股份、声光电科。并建议关注非上市公司：源杰科技、纵慧芯光、武汉光安伦、中科光芯、云岭光电。 风险提示：电信/数通需求不及预期，行业竞争加剧，国产替代不及预期。 重点公司盈利预测、估值与评级 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。 图1：光芯片是光电子器件的核心组成部分 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。 图2：光通信系统示意图 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《Market Data and Industry Report 2020》显示：自2015年以来，全球市场规模以每年7%的速度增长。其中，2019年的全球市场规模达到6900亿欧元，预计2025年将进一步增至9000亿欧元。 图3：全球光子产业市场快速发展规模 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。 表1：光子的不同应用场景 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。 图4：激光器芯片的制备流程 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2.5G DFB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LiNbO，而无源光芯片的材料一般是Si和SiO。 表2：光芯片的典型材料平台 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：2022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8317.38万股，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94.6029%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2022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2022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。 图5：光通信领域激光器/探测器芯片应用场景为光模块 图6：光通信领域的主要光芯片分类 表3：光通信领域激光器芯片和探测器芯片的特点及应用场景 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。 表4：激光器芯片正常工作需满足的三个条件 图7：粒子数反转的原理示意图 图8