光模块MicroTEC专家交流电话会纪要–20230417

专家介绍： 某外资光模块microTEC产品负责人 交流纪要：一、分享环节1、TEC技术 TEC(ThermoElectricCooler)是半导体制冷器简称。它是一种固态制冷技术，原理是热电材料的帕尔贴效应：当两种不同导体构成回路时，若给 回路一个直流电，则回路中的一个节点放热，另一个节点制冷；电流方向反向，则热流方向也反向。单个热电材料晶粒的制冷能力有限，TEC一般有十几到几十个晶粒组合而成。 配合热敏电阻，以及控制电流方向，TEC既可以制冷又可以制热，实现优于0.1℃的温度控制稳定性。2、microTEC在高速光模块中的作用 MicroTEC重要性主要表现在通过控制光器件模块的温度，进而维持工作波长的稳定。 DFB激光器波长-温度漂移系数约为0.1nm/℃，DFB的波长漂移范围达7nm(0~70℃商业温度)，超过波分复用系统的波长间隔，会引起通道间串扰。对于DWDM、LAN-WDM、MWDM通道间隔小的WDM系统，均需使用TEC控温维持输出波长的稳定。 另一方面，光器件只有在稳定的温度下才能体现出产品设计性能。 例如EML芯片，DFB部分温漂系数为0.1nm/℃，EA部分的温漂系数为0.5nm/℃，两者不匹配。若不用TEC控温，高温下EML芯片的光功率会严重下降，调制特性大打折扣，所以EML芯片一般需要控温；又如SOA芯片，温飘会引起增益谱变化，还会引起热噪声的起伏，一般也使用TEC控制工作时温度，这样才能使得光器件达到最优工作性能。 二、问答环节 Q：高速光模块是否必须要microTEC，低速光模块是否可以不用？ A：microTEC对于光模块而言，不仅是在于降温散热，最核心的在于保持工作波长的稳定，激光器波长会根据自身温度来进行漂移，如果不控制波长温度，就会会引起通道间串扰。DFB激光器波长-温度漂移系数约为0.1nm/℃，DFB的波长漂移范围达7nm，这一范围超过很多波分复用系统的波长间隔，会引起通道间串扰。因此必须通过TEC技术来进行精确的温度调控，避免波长漂移和串扰。而TEC可以通过电流精准实现0.1℃的温度控制。 在光模块领域，10G以下的低速光模块可以不用，对于使用WDM波分复用的高速光模块，尤其是目前的200G、400G和800G光模块， microTEC是必须要使用的，否则无法解决波长稳定性的问题。 Q：microTec的使用场景 目前主要应用在通信光模块，未来会在汽车激光雷达和探测器领域放量。 目前激光雷达因为成本太高，市场并未上量。激光雷达和光模块的技术原理是一致的，只是光路不同，一个是光线，一个是空气。激光雷达商业化后，现有光模块microTEC企业经过车规认证后，也会在激光雷达领域进行广泛使用。 就光模块microTEC而言，数通的难度比电信要低，车规要求最高。这三个领域对于光模块的难度要求是逐级递增的。数通是机房商用环境， microTEC的要求是-10到70度，而基站是外外工业环境，要求更加严苛，是-40到85度。车规要求就更高，大概是-50到125度。 Q：microTec目前市场容量和价格。 A：市场容量。电信10Gpon，目前市场容量是5000-7000万/枚数量。数据中心目前主流在推400G，800G逐渐放量。全球光模块年出货量目前2亿枚，400G和800G占比在迅速提升。整体全球光模块microTEC市场容量粗略估计30-50亿人民币，随着高速光模块发展，市场还在迅速扩容中。 MicroTEC价格和器件尺寸或者说晶粒数量有关，大致速度越高，价格越贵，电信10Gpon价格大概是30元/枚，100G价格大概是100-200 元/枚，400G价格大概是200-300元左右/枚，800G价格是300-400元左右/枚。 Q：microTEC的壁垒 A：TEC是利用半导体材料碲化铋的物理性能来进行制冷，材料的制备是核心壁垒。 原材料方面，比如小松有世界上最好的材料，成分同样都是碲化铋，但具体成分是严格保密的，材料工艺参数、需要长期的摸索调试，不是仅靠挖人和砸钱就能轻松突破的。 消费产品(比如空调等)的TEC门槛相对低些，消费级产品TEC粒子尺寸比较大，做到光模块应用的microTEC就要很高的门槛了。消费产品 TEC粒子的切割尺寸是1.5mm，而microTEC的器件(如光模块和激光雷达芯片)大小就是1.5*2mm，器件尺寸已经和碲化镉常规粒子大小相似，无法进行机械加工。因此对于microTEC需要更精细的粒子和加工工艺。microTEC的粒子普遍是0.2*0.25mm，长宽高都缩小了十倍，那么体积就缩小了1000倍。这对于材料加工机械性能提出了很高的要求。 在材料的热电性能方面，衡量材料的热电性能最主要指标DTmax(最大温差值)。在50度的温度环境下测试，DTmax进入光模块的门槛是 74度，行业内技术水平最高的小松目前81度。目前国内供应商只有富信74-75度，刚刚达到了进入门槛值。 因此，碲化铋材料制备需要同时在机械性能，热电性能和环境稳定性三方面，二三十种核心性能指标综合达标后才可以实现，技术壁垒在于材料领域的突破，仅靠挖人和砸钱无法轻松突破的，需要时间积累。 设备方面。消费TEC产品用振动筛进行粒子取向。而microTEC缩小1000倍后震动工艺无法实现，目前使用贴片技术把粒子吸起来，同时对 摆放的速率和精度也很高，旋转角度要控制在5μ以内。整体而言，设备主要是外资供应商，国产化设备在精度和速度上都所有差距。但整体而言，设备相比材料而言，并非是瓶颈，在产能已经量产的情况下，新增产能建设周期大概3-4个月。去年因为疫情原因，设备供应订货周期要8- 9个月，目前设备供应的周期有所缓解。 Q：microTEC全球竞争格局 A：日美市占率95%。主要玩家是日本大和，小松；美国marlow，phononic。 大和全球份额预计60%，小松预计20%，美国企业份额近年来有所提升，估计两家企业合计有2-3成。在中国区市场，大和收入体量估计有2-3 亿美元，小松收入1亿美元。 国内供应商做的比较好的有：佛山富信科技是国内是做的最早技术最成熟的，是国内目前唯一量产microTEC的国内供应商。另外两家TEC有潜力的企业分别是2020年成立的见炬科技，2021年成立的冷芯半导体。 Q：国内供应商与大和，小松等的差距如何，目前光模块供应商国产化的意向如何？ A：国内和国外供应商差距主要是可靠性和性能。 高速光模块的microTEC价值量比较大的原因，随着microTEC面积增大，粒子数量也显著增加，而粒子增加后良率也会整体下降，所以如果出现品质问题，对光模块性能影响会比较大，比如800G光模块价格比较贵，价值量万元，而microTEC价值量300-400元，如果microTEC出现可靠性问题，那么对整体光模块的性能音响较大。往往光模块厂商在供应链引入问题会比较慎重，但在国产化的背景下，目前国内光模块厂商也 在加快国产化的导入。 就技术本身而言，从100G到800G的microTEC，技术脉络是一脉相承的，技术并没有本质差异，主要是客户接受度。 Q：富信目前的出货情况和客户情况 A：富信是国内是做的最早技术最成熟的，是国内目前唯一量产microTEC的国内供应商。富信的光模块产品在18-19年就开始量产了。产品主要是10G和50G光模块为主，也已经认证出货了小批量100G光模块。 客户方面，HW在21年投资了富信光模块子公司部分股权，目前国内客户应该主要是HW和海信为主。美国光模块企业II-VI也在早年间参股了富信，有可能也是II-VI的供应商。如刚才所说，hw和二六的股权关系对于富信的技术突破和产品升级至关重要。 Q：冷芯和见炬的出货和客户情况 两家公司都比较新，大概都是在20-21年左右成立，目前产品主要聚焦在消费市场。冷芯半导体据说在航天航空领域为主要市场。