光芯片行业光模块系列报告之三：光芯片，速率升级和份额提升驱动产业加速成长

证券研究报告 光芯片：速率升级和份额提升驱动产业加速成长 ——光模块系列报告之三 强大于市（维持） 长城证券产业金融研究院分析师侯宾 执业证书编号：S1070522080001 时间：2023年8月15日 核心观点 光芯片：实现光电转换的核心通信芯片。光芯片是实现光电转换、分路、衰减、合分波等基础光通信功能的芯片，其性能直接决定光模块的传输速率；BOM构成中激光器+探测器所用光芯片在光模块成本中占据较大比例。根据有无发生光电能量转换，可分为有源光芯片和无源光芯片。 市场空间：AIGC加速发展，光芯片产业加速成长，高速率光芯片需求量价齐升。1）光芯片市场规模广阔：2027年全球光芯片市场规模有望突破56亿美元，我国2023年市场规模将达141.7亿元；2）高速率光模块驱动高速率光芯片量价齐升。量：高传输要求驱动高速率光芯片市场规模广阔；价：价值量受工艺难度提高而提升。 竞争格局：低速率基本实现国产化，高速率光芯片国产化替代加速推进。据2021年ICC数据表示，我国2.5G光芯片已基本实现国产化，10G国产出货量占44%以上，仍有增长空间；25G及以上芯片国产替代仍存在较大成长空间。 技术演进：国外厂商占据先发优势，国内厂商加速追赶。国外于2012年研发出25G光芯片，并于2021年研发出最前沿的 200G光芯片；国内厂商国产化发展迅速，从2.5G到100G光芯片只用9年时间，持续看好国产化加速替代升级过程。 新兴赛道：1）消费电子领域，光传感应用领域拓展为光芯片带来新成长空间：目前智能终端采用VCSEL芯片实现3D传感，医疗市场中智能穿戴设备正开发基于激光器芯片及硅光技术方案实时监测，有望打开新成长空间。2）车载领域，车载激光雷达加速成长带动光芯片需求持续向好：基于砷化镓和磷化铟的光芯片作为激光雷达的核心部件将随着汽车 智能化发展带动需求增加。 相关标的：源杰科技、长光华芯、德科立、仕佳光子(DFB激光器芯片)、中际旭创(硅光芯片)、光迅科技、光库科技 (铌酸锂调制器芯片)、博创科技（硅光芯片） 风险提示：高算力发展不及预期、宏观经济波动风险、全球贸易波动风险、行业竞争风险。 www.cgws.com2 光芯片原理阐述及产业链环节 www.cgws.com 光芯片:实现光电转换的核心通信芯片 光芯片是实现光转电、电转光、分路、衰减、合分波等基础光通信功能的芯片，是光器件和光模块的核心。光芯片的原理是基于光子学原理，即利用光的波动性和粒子性来传输和处理信息。 光芯片的工作过程可简单分为三个步骤：光发射、光传输和光检测。首先，激光器将电信号转换为光信号，其次，光波导将光信号在芯片内传输；最后，光探测器将光信号转换为电信号。 光芯片通过加工封装为光发射组件（TOSA）及光接收组件（ROSA），再将光收发组件、电芯片、结构件等进一步加工成光模块。光芯片的性能直接决定光模块的传输速率。 图表1：光芯片工作原理 资料来源：亿渡数据《中国光芯片行业研究报告》，长城证券产业金融研究院 图表2：光模块结构示意图 资料来源：源杰科技招股书，长城证券产业金融研究院 www.cgws.com4 光芯片BOM构成：原材料种类较多，激光器+探测器所用光芯片在光模块中占据较大比例 光芯片成本构成 以源杰科技2022年年报披露为例，光芯片成本中，制造费用占比为62%，直接人工成本占24%，直接材料成本占14%。 图表3：光芯片成本构成 直接材料, 14% 制造费用主要包括折旧费、装修费摊销、水电费、光栅加工费等 其他费用。 光芯片的原材料包括衬底、金靶、特殊气体(主要包括高纯氢、磷化氢、液氮等)、三甲基铟、光刻胶、封装材料(包括管帽等和其他材料等，其他原材料包括显影液、光刻掩模板、异丙醇、砷化氢等材料，其他原材料品种较多且占比较低。 制造费用,62% 直接人工,24% 激光器+探测器所用光芯片在光模块中占据较大比例 光器件元件占光模块成本73%，光模块中的光器件主要分为以下两部分： TOSA：即为光发射器件，主要应用在电信号转化成光信号（E/O 转换），由激光器、适配器和管芯套组成，在长距离光模块中还会加入隔离器和调节环。其中最重要的组件为激光器，激光器主要有FP、DFB、EML和VCSEL四类，常用的为后三种。 ROSA：即为光接收器件，主要应用在光信号转化成电信号（O/E转换），由探测器和适配器组成。其中最重要的组件为探测器，探测器主要有PIN和APD两类。 右图展示的光器件成本构成中，TOSA和ROSA占据80%，而其中激光器光芯片和探测器光芯片又占据TOSA和ROSA的85%，因此激光器+探测器所用光芯片在光模块中占据较大比例。 www.cgws.com 资料来源：源杰科技2022年年度报告，长城证券产业金融研究院 图表4：光器件成本结构（2022年） 资料来源：亿渡数据《中国光芯片行业研究报告》，长城证券产业金融研究院 5 光芯片分类：主要以有源/无源分为两大类芯片，材料学选择方案众多 光芯片主要有两种分类方式： 光芯片的分类主要按照光器件的分类分为光有源器件芯片和光无源器件芯片。有源光芯片按应用情况分为激光器光芯片和探测器光芯片，主要包括FP、DFB、EML、VCSEL、PIN以及APD芯片；无源光芯片主要包括PLC和AWG芯片。光芯片的制造材料一般以化合物居多，主要包括五大系列：InP系列、GaAs系列、Si/SiO2系列、SiP系列以及LiNbO3系列。其中InP衬底主要包括直接调制DFB/电吸收调制EML芯片、探测器PIN/APD芯片、放大器芯片、调制器 芯片等，GaAs衬底包括高功率激光芯片、VCSEL芯片等，硅基衬底包括PLC、AWG、调制器、光开关芯片等，SiP衬底包括相干光收发芯片、光开关芯片等，LiNbO3包括调制器芯片等。 图表5：光芯片分类 数据来源：亿渡数据《中国光芯片行业研究报告》、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com6 产业链环节：位于光通信上游，价值量较高环节 光芯片制造产业链分为衬底、外延片、晶圆制造、封测四部分，我国在衬底方面基础薄弱，但在外延片生长、晶粒制造出现了一批快速崛起的创业企业，如武汉敏芯、中科光芯、海光芯创、陕西源杰等，同时像光迅科技、海信宽带等IDM模式的光模块厂商也处于领先位置。 光芯片处于光通信产业链的上游，其原材料包括衬底、金靶、特殊气体与封装材料等，其中衬底成本占比最高，对芯片品质影响最大，主要由GaAs和InP制成，以海外厂商供应为主。在光通信产业链中游，光芯片经加工封装后得到光器件/光模块，集成程度提升，单位价值量升高。 图表6：光芯片制造产业链图表7：光通信产业链 数据来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院数据来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com7 光芯片市场空间及竞争格局 www.cgws.com 市场空间：AIGC加速发展，光芯片产业加速成长 全球：AI算力催生新需求，全球光芯片市场迎来确定性高增 全球来看，伴随GPT等大模型及垂类模型的加速发展，算力侧迎来确定性需求增长，光芯片有望迎来下游需求旺盛。据LightCounting预测，2027年全球光芯片市场规模有望达到56亿美元，2023年至2027年CAGR达到16%。 国内：互联网大厂纷纷加码大模型叠加国产化进程加速演进，国内光芯片需求旺盛 国内来看，国内互联网大厂百度、阿里、腾讯、科大讯飞、京东等纷纷加码大模型叠加光芯片国产化进度的持续推进，大量数据中心设备更新和新数据中心将对冲国内5G网络部署退潮。据中商产业研究院数据，2022年市场规模约为123.4亿元，预计2023年市场规模将达141.7亿元，延续良好的增长态势。 图表8：全球光芯片市场规模及增速（亿美元，%）图表9：国内光芯片市场规模及增速（亿元，%） 市场规模（亿元）同比增长率（%） 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 市场规模（亿美元） 56 27 160 140 120 100 80 60 40 20 0 82.182.3 92.4 107.5 123.4 141.7 18.0% 16.0% 14.0% 12.0% 10.0% 8.0% 6.0% 4.0% 2.0% 0.0% 20222027E 201820192020202120222023E 数据来源：中商产业研究院、长城证券产业金融研究院数据来源：中商产业研究院、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com9 市场空间：高速率光模块驱动高速率光芯片量价齐升 量：高传输要求驱动光芯片市场规模广阔 在对高速传输需求不断提升背景下，25G及以上高速率光芯片市场发展迅速。 根据Omdia对数据中心和电信场景激光器芯片的预测，2019年至2025年，25G以上速率光模块所使用的光芯片占比逐渐扩大，整体市场规模将从13.56亿美元增长至43.40亿美元，年均复合增长率将达到21.40%。 图表10：高速率模块光芯片市场空间及预测（百万美元） 数据来源：Omdia、源杰科技招股书、长城证券产业金融研究所 图表11：光芯片市场单价（元/颗） 2.5G10G25G 价：高速率光芯片价值量受工艺难度提高而提升 60.00 50.00 40.00 30.00 55.16 18.21 43.88 21.1021.86 按传输速率分，光芯片可分为2.5G、10G、25G、50G、100G等主流速率的芯片。一般而言，光芯片的速率越高，对应芯片的研发、量产难度越大，可稳定供应的供应商 相应减少，导致价值量随速率提升而提高。 20.00 10.00 0.00 14.4414.6014.53 3.14.03.53.5 2019202020212022H1 数据来源：源杰科技招股说明书、长城证券产业金融研究院 光芯片不同速率单价在3.1-55.2元之间，以源杰科技招股书披露的数据为例，2.5G芯片平均价格在3.5元左右，10G、25G芯片的价格是其5-18倍。 我们认为，由于高速传输需求提升和芯片工艺难度的提高，伴随着高速率光模块需求快速增长的驱动，高速率光芯片将迎来量价齐升的发展局面，高速率光芯片将拥有良好的发展前景。 www.cgws.com10 竞争格局：低速率基本实现国产化，高速率光芯片国产化替代加速推进 份额：国产供应商发展迅猛，国产光芯片份额持续增长 2016年全球十大光模块供应商中，国产厂商有4家，而2022年上榜厂商数量达到7家。 2.5G光芯片：已基本实现国产化。本土企业占据主要市场份额且主导全球市场，国外光芯片厂商由于成本竞争等因素已基本退出相关市场。 10G光芯片：国产出货量占44%以上，仍有增长空间。国内基本掌握核心技术，但综合考虑替换成本、可靠性、批量出货能力等因素，下游光模块厂商仍有顾虑。 25G及以上光芯片：长期看好高速率光芯片国产化替代。据ICC统计， 25G光芯片的国产化率约20%，但25G以上光芯片的国产化率仍较低约5%， 图表12：全球十大光模块供应商排名 高速率光芯片国产化替代仍存在较大成长空间。 数据来源：Lightcounting、长城证券产业金融研究院 2016年 2022年 Finisar(美国) 1 旭创(中国)& Coherent(美国) 海信宽带(中国) 2 光迅科技(中国) 3 Cisco(美国) Acacia(美国) 4 华为海思(中国) 鸿腾精密(中国) 5 光迅科技(中国) Oclaro(美国) 6 海信宽带(中国) 旭创(中国) 7 新易盛(中国) Sumitomo(美国) 8 华工科技(中国) Lumentum(美国) 9 Intel(美国) 索尔思(美国) 10 索尔思(中国) 图表13：2021年2.5G及以下光芯片国内厂商占比（%） 武汉敏芯 图表14：2021年1