光学光电子行业深度报告：海外观察系列九：景气向上，从II-VI和Lumentum看光芯片国产化

光芯片为激光器、探测器等应用的核心元器件，衬底价值量大、外延壁垒高。光芯片主要包括激光器芯片与探测器芯片，实现光信号和电信号相互转化。衬底作为影响性能的关键，价值量占比高；外延技术门槛高，具备工艺及时间壁垒。海外产业发展相对成熟，IDM模式为主导。 产业趋势：光子替代电子大势所趋，远期前景向好。产业应用方向关注光通信、光传感和光计算。光通信领域，光纤较铜缆具备信息容载量大、传输距离远、损耗低等优势，“光进铜退”已成趋势；光传感领域，硅光芯片赋能智能驾驶是产业发展方向；光计算领域，硅光芯片部分取代电芯片在计算场景中的应用是产业探索的方向。 市场空间：数通领域复苏，激光雷达打开成长空间。光芯片下游应用广泛(电信/数据中心/消费电子/汽车)，2022E全球市场规模分别为10.5/11.7/9.2/0.7亿美元；我们预测2025年达14.0/18.4/13.7/12.4亿美元。1）电信：光纤入户+5G基建+现有升级驱动缓慢增长。2）数据中心：云计算厂商持续投资本开支，需求回暖。3）消费电子：苹果仍为主导者。4）汽车：激光雷达为光芯片开拓应用场景，远期空间较大。 海外龙头对标：II-VI和Lumentum纵向并购+横向拓展。海外龙头产品矩阵丰富，涵盖光芯片、光器件、光模块、激光器等，并绑定苹果、亚马逊等优质客户。2016-2022财年，Lumentum营收CAGR 11.3%； 2009-2022财年，II-VI营收CAGR为20.6%。两家公司均进行多次外延并购，丰富布局。 国产化展望：替换动力强，国产化持续推进。光通信领域，低速率光芯片已实现较高程度国产化，高速率芯片、车载雷达芯片均在验证导入过程中，产业进展积极。考虑到国内以激光雷达整机厂为代表的终端客户快速发展，光芯片作为核心环节有望随之国产化，深度受益。 投资建议：把握上行周期，关注增量市场。复盘历史，光芯片下游具备较强周期性，需关注光通信行业景气度及车规进展。看好主业稳健，开拓汽车等新应用的标的，建议关注长光华芯/源杰科技/光迅科技/仕佳光子等；海外建议关注II-VI(Coherent)/Lumentum。 风险提示：车规进度不及预期风险，国产化进展不及预期风险，疫情扰动风险 表1：公司估值（以2022年12月16日收盘价计算） 1.光芯片：光进铜退，光子领域核心元器件 1.1.原理：三五族化合物主导，实现光电信号转换 1.1.1.光芯片为激光器、探测器核心组成 激光应用广泛，其工作有赖于激光器与探测器。得益于方向性好、单色性好、能量密度高，激光不仅在光纤通信、工业制造等传统领域应用广泛，更在3D传感、车载激光雷达等新型领域日益普及。激光的输出有赖于激光器，根据增益介质的不同，激光器可分为气体激光器、液体激光器与固态激光器，而半导体激光器是固态激光器的典型形态；激光的接收则有赖于探测器，其又被称为光敏二极管。 激光器、探测器的核心构成部分为光芯片，光芯片核心功能为光电信号转换。光芯片主要包括激光器芯片与探测器芯片：激光器芯片应用于半导体激光器中，实现电信号向光信号的转换，将电信号蕴含的信息通过激光输出；探测器芯片则在探测器中不可或缺，实现光信号向电信号的转换。 图1：激光器芯片、探测器芯片在半导体中所处范畴 1.1.2.激光器芯片 1）工作原理：电激励为泵浦源，半导体为增益介质，输出激光 激光的发出有赖于泵浦源、增益介质、谐振腔三大部件。激光的输出需要外界提供能量，泵浦源（又称激励源）即负责向增益介质中的粒子提供能量，常见的泵浦方式有电泵浦、光学泵浦、核能泵浦等；增益介质用来提供向高能级跃迁的粒子，常用材料有氖气、有机染料、红宝石、半导体、光纤等；谐振腔指使光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，其作用是使腔内的光子具有一致的频率、相位和运行方向，使激光具有良好的方向和相干性，同时还能放大受激辐射的强度。 激光器芯片将电激励作为泵浦源，以半导体材料为增益介质，通过谐振腔选模放大，进而输出激光，完成光电转换。 图2：激光器芯片工作原理 2）激光器芯片分类：谐振腔制造工艺差异，适用不同场景 按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光。EEL与VCSEL各具优势，EEL的输出功率、电光转化效率更高，而VCSEL具有阈值电流低、单波长工作稳定、可高效调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、制造成本低等优点。 图3：激光器芯片分类 EEL进一步分为FP/DFB/EML三类，应用场景相异。FP、DFB为独立器件，通过控制电流的有无来调制信息输出激光，故被称为直接调制激光器芯片（DML）。在DML中，FP激光器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB在FP激光器的基础上发展而来，采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。DML通过调制注入电流来实现信号调制，然而注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移（啁啾）从而产生色散，限制了传输距离；同时，DML带宽有限，调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。 电吸收调制激光器芯片（EML）较好地缓解了啁啾色散问题，它由EAM电吸收调制器与DFB激光器集成而来，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输，不过价格与能耗相对较高。 图4：FP、DFB、EML激光器芯片结构示意图 VCSEL、FP、DFB、EML光芯片的特性与主要应用场景如下表： 表1：VCSEL/FP/DFB/EML激光器芯片特性及主要应用场景 3）激光器芯片材料：三五族化合物为主流，光学特性较硅更优 三五族化合物泛指由元素周期表的三族与五族元素构成的合金化合物，种类丰富，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs），根据所含元素种类数又可分为二元化合物如InP，三元化合物如𝐴𝑙𝐺𝑎𝐴𝑠，四元及更高化合物等。硅是目前工业中最主要的半导体材料，广泛用于集成电路，但在光电器件领域，三五族化合物却因具有更好的光学特性而更为重要。 𝑥 1−𝑥 三五族化合物具有直接带隙，进而电子在高低能级间跃迁时效率更高，进而使芯片输出激光的效率更高。带隙是电子从低能级（价带）跃迁高能级（导带）所需吸收的最小能量，对应的是价带顶部与能带底部的能量差距。直接带隙是指在能量-波矢图中，元素电子的价带底与导带顶对应的波矢相同，反之，若二者波矢有异，则称为间接带隙。 对于直接带隙结构，电子在价带与导带间的跃迁只需满足能量守恒；对于间接带隙结构，由于价带顶与导带底的波矢不同，需在水平方向施加动量方可使电子完成跃迁，也即：电子跃迁过程涉及声子的吸收与发射——一方面，由低向高能级的跃迁必须要有声子参与，这导致跃迁发生的概率降低，间接带隙结构发生电子跃迁的概率约为直接间隙结构的1/1000；另一方面，跃迁释放的大部分能量会转换为声子而非光子。此二因素决定了直接间隙结构中电子在高低能级间的跃迁效率更高。 如前所述，对于激光器芯片而言，输出激光的关键在于“半导体中的电子吸收能量，由低能级向高能级跃迁—电子由不稳定的高能级回落至低能级，在这一过程中以光子形式释放能量”，可见，电子跃迁的效率是激光输出效率的本源，故直接带隙结构的半导体更适用于制作激光器芯片。三五族化合物大都为直接间隙半导体材料，如GaAs、GaN、InP等，少部分三五族化合物如GaP及Ge、Si则属于间接带隙结构，这是GaAs、InP等三五族化合物在激光器芯片制备中应用普遍的基础。 图5：直接带隙、间接带隙的能量-波矢图 三五族化合物可形成三元及以上化合物作为外延材料，通过调整各组分元素的比例,可获得期望的激光输出波长，满足多样化的场景需求。激光器芯片输出的激光源于从导带层回落至价带层时释放的光子，故激光的波长主要由释放光子的波长决定，而光子的波长与光子的频率进而光子的能量成反比，故输出激光的波长将主要由“电子由导带底回落至价带顶释放的能量大小”决定，即半导体材料的带隙。对于Si、Ge而言，除电子跃迁效率较低外，它们为单一材料，带隙固定，故只能发出单一波长的光；对三五族化合物而言，单个化合物的带隙同样固定，但它们可按照不同比例进行混合，形成不同的三元及以上化合物，由此可得多种带隙。需指出，光芯片的衬底通常还是二元化合物，三元及以上化合物一般作为从衬底上生长出的外延材料。 图6：材料的带隙-波长-晶格常数图及典型应用场景所需激光波长 三五族化合物中，InP与GaAs两类材料在激光器光芯片衬底中居于主流。GaAs是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料，具有电子迁移率高、禁带宽度大等优点，适合于制造高频、高速的器件与电路；InP则具有高电光转换效率与高电子迁移率、抗辐射等品质，二者各具优势。前述VCSEL面发射激光器芯片主要以GaAs材料为衬底，而FP、DFB、EML三类边发射激光器芯片主要以InP材料为衬底。 1.1.3.探测器芯片 1）工作原理：依托光电效应将光信号转为电信号 探测器芯片又称光电二极管(PD)，通过光电效应识别光信号，转化为电信号。光电效应是指在光照下，材料中的电子吸收光子的能量，若吸收的能量超过材料的逸出功，电子将逸出材料形成光电子，同时产生一个带正电的空穴。光电二极管工作时，在其双极加上反向电压——无光照射时，由于二极管反向高电阻的特性，电路中只存在很小的反向电流；有光照射时，由光电效应产生的空穴将前往外接电压的负极，光电子前往外接电压的正极，从而增大二极管中的反向电流，由此实现对光信号的探测。 图7：光电二极管结构及工作原理 2）典型探测器芯片：PIN、APD、SPAD应用最广泛，灵敏度渐增 PIN光电二极管（PIN-PD）、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管）的使用最为广泛，三者灵敏度逐次提升。传统的PN-PD二极管的基础部件是PN结，P层由P型材料构成，空穴居多（带正电），N层由N型材料构成，电子居多（带负电），当PN结受到光照时即可产生光电效应。PIN-PD则是在P层与N层间引入了I层——I层为掺杂有极少量P型材料或N型材料的纯净本征半导体构成。相较传统的PN-PD，当施加反向电压时，I层将为PIN-PD提供更宽的耗尽区，从而提高光电转化的效率。 图8：PN与PIN光电二级管结构 PIN光电二极管的工作原理如下所示： 图9：PIN光电二极管工作原理 APD在PIN基础上增添了高掺杂的P+与N+层，该结构容易发生雪崩倍增效应。 APD在较高的反向电压下工作，吸收了光子形成的自由电子与空穴能被加速，进而能获得更多能量，与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对，连锁反应，使光电流陡增——此即雪崩倍增效应，从而带来电流增益，提高了光电二极管的响应度与信噪比，主要运用在长距离或光功率受其他限制而较小的光纤通信系统。 SPAD在高于击穿电压的反向电压下工作，这一状态高度不稳定，单个光子即可引发大量的电子-空穴对雪崩进而产生电流，理论上可实现单光子探测。由于结构上的特点，当给SPAD施加高于击穿态的偏置电压时，二极管将处于亚稳态，信号放大作用很大，甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应进而出现电流脉冲。 图10：APD与SPAD光电探测器结构图 图11：SPAD工作电压高于击穿电压，可对单光子计数 3）探测器芯片衬底：Si/Ge/InGaAs占主流 探测器光芯片材料的选择以材料光谱响应特性为基础，Si/Ge/InGaAs占据主流。光谱响应特性是指保持入射光强度不变的情况下，不同波长的光照射材料产生的光电流与入射光波长之间的关系，可以用响应度刻画一种光芯片材料面对各种波长入射光时的工作效率——响应度越高，材料对该种波长的检测就越灵敏。当前激光器芯片工作波长以800nm - 1600nm