盤點我國高速率激光芯片國產(chǎn)替代進(jìn)展
廠商方面，中國本土光芯片企業(yè)主要關(guān)注工業(yè)/國防等高功率應(yīng)用，這也是它們主要的營收來源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企業(yè)具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進(jìn)行競爭的能力。但在光通信、消費類應(yīng)用領(lǐng)域，與國際大廠差距較大，是下一步努力的重點。光通信市場空間廣闊，同時，光通信、VCSEL等光芯片制造工藝與高功率激光芯片工藝復(fù)用程度較高，中國本土企業(yè)可以基于自身技術(shù)積累切入。
下面具體看一下中國本土企業(yè)在高功率激光芯片、光探測芯片、VCSEL和硅光芯片方面的發(fā)展情況。
高功率激光芯片
美國和歐洲在高功率激光芯片方面的產(chǎn)業(yè)化起步較早，技術(shù)上具備領(lǐng)先優(yōu)勢，傳統(tǒng)巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。近些年，中國本土激光芯片技術(shù)不斷突破，相關(guān)產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、華光光電、度亙激光、深圳瑞波等。據(jù)長光華芯招股書測算，2021年，長光華芯、武漢銳晶在國內(nèi)高功率激光芯片市場中的份額分別為13.4%和7.4%。
本土企業(yè)的產(chǎn)品力一直在提升，以長光華芯為例，該公司成立于2012年，成立之初研發(fā)出13W以上高亮度單管芯片，2019年推出15W單管芯片，2020年推出18W、25W單管芯片，2021年實現(xiàn)了30W單管芯片量產(chǎn)，目前，其產(chǎn)品正在向更高功率水平持續(xù)迭代。
25G及以下光芯片方面，我國已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化，特別是在10G芯片方面，源杰科技等本土企業(yè)已在部分細(xì)分市場取得領(lǐng)先份額，但技術(shù)門檻較高市場仍依賴進(jìn)口，25G以上市場是國產(chǎn)化薄弱環(huán)節(jié)，據(jù)IDC統(tǒng)計，25G光芯片的國產(chǎn)化率約為20%，25G以上的國產(chǎn)化率只有約5%。近些年，中國本土企業(yè)在5G基站前傳光模塊用25GDFB激光芯片方面有所突破，用于數(shù)據(jù)中心的光模塊企業(yè)開始使用國產(chǎn)的25GDFB激光芯片。
長光華芯等公司已切入銳科激光、創(chuàng)鑫激光等頭部光纖激光器廠商供應(yīng)鏈，推動對II-VI、Lumentum 等海外廠商進(jìn)口替代的步伐。未來，隨著國產(chǎn)更高功率產(chǎn)品的導(dǎo)入，以及新建產(chǎn)能的落地，有望加速國產(chǎn)份額提升步伐。
光探測芯片
光探測芯片廣泛應(yīng)用于手機、光通信、智能家電（如掃地機器人）等應(yīng)用場景，隨著車載激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光探測芯片作為激光雷達(dá)接收端核心元器件，有望迎來新的發(fā)展機遇。
在技術(shù)方案層面，目前，APD是主流方案，F(xiàn)irst-sensor、濱松和Kyosemi是行業(yè)前三廠商，三家市占率達(dá)到45%。比APD更先進(jìn)的技術(shù)方案是SPAD/SiPM，對比APD，SPAD/SiPM具有更強的探測靈敏度，同時，SiPM為陣列形式，更易于與陣列光源相匹配，且更易與CMOS工藝集成，從而降低成本。因此，SPAD/SiPM有望成為激光雷達(dá)接收端芯片的未來發(fā)展方向。不過，SPAD/SiPM技術(shù)難度大，進(jìn)入門檻高，全球SiPM市場主要被安森美、濱松、博通等頭部企業(yè)把持著，合計市占率達(dá)到83%。
目前，中國本土企業(yè)在光探測芯片領(lǐng)域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產(chǎn)加工體系。中國在光通信用APD/PIN市場已實現(xiàn)國產(chǎn)化突破，相比之下，本土企業(yè)尚未在 SPAD/SiPM市場形成量產(chǎn)能力。
據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》統(tǒng)計，中國SPAD等光芯片發(fā)展高度依賴生產(chǎn)工藝及封裝測試，在SPAD領(lǐng)域做的較好的安森美，CIS/CCD主要玩家佳能、索尼等國際大廠，擁有大批量封裝測試經(jīng)驗和能力，然而，中國本土相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)工藝還未成熟，且缺少本地優(yōu)質(zhì)代工平臺，在芯片流片加工方面嚴(yán)重依賴美國、新加坡、德國等國家的代工廠，再加上熟悉相關(guān)工藝的技術(shù)人員稀缺，造成關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展緩慢、芯片研發(fā)周期較長、效率較低等局面。
不過，中國本土市場和相關(guān)企業(yè)也有自身優(yōu)勢，與國外大廠相比，國內(nèi)光探測芯片廠商在產(chǎn)品的定制化上有較好的靈活性，價格也有一定的優(yōu)勢，未來，隨著在產(chǎn)品、技術(shù)上不斷突破，有望推進(jìn)國產(chǎn)替代進(jìn)程。
目前，中國本土企業(yè)對于光探測芯片方案的選擇較為分明。以光迅科技、光森電子、三安光電為代表的公司選擇傳統(tǒng)成熟的PIN-PD、APD方案，產(chǎn)品多應(yīng)用于光通信，而以芯視界、靈明光子、阜時科技為代表的創(chuàng)業(yè)型公司則更多地選擇布局代表未來發(fā)展方向的SPAD/SiPM方案，而且，國產(chǎn)SPAD/SiPM產(chǎn)品已經(jīng)開始應(yīng)用于消費電子、激光雷達(dá)、AR/VR、醫(yī)療等領(lǐng)域。另外，還有中國本土企業(yè)在單項產(chǎn)品力上領(lǐng)先國際的案例，例如，靈明光子的產(chǎn)品在波長905nm處的單光子探測效率（PDE）達(dá)到25%，超過行業(yè)平均水平（5%~18%）。
VCSEL
隨著VCSEL功率密度等關(guān)鍵性能持續(xù)提升，有望成為半固態(tài)/固態(tài)激光雷達(dá)發(fā)射端核心元器件。
與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優(yōu)勢，例如量產(chǎn)成本低，波長穩(wěn)定性高（溫漂小），易于二維集成，低閾值電流，可高頻調(diào)制，沒有腔面閾值損傷等。Yole發(fā)布的相關(guān)報告顯示，自2017年蘋果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來，VCSEL在消費電子應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，主要應(yīng)用逐漸由850nm器件的高速數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)向940nm器件的3D傳感應(yīng)用。
目前，國際大廠Lumentum、II-IV憑借技術(shù)優(yōu)勢主導(dǎo)VCSEL芯片市場，據(jù)Yole統(tǒng)計，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。生產(chǎn)模式方面，Lumentum將外延環(huán)節(jié)外包，II-VI自產(chǎn)外延片。
中國本土傳感應(yīng)用類VCSEL芯片企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多數(shù)是創(chuàng)業(yè)型公司，VCSEL芯片量產(chǎn)能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑借后發(fā)優(yōu)勢，這些中國本土企業(yè)正在努力趕上國際先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展腳步，并通過多種方式提升自身競爭力，例如，采用IDM 模式，用以打造核心競爭力。
硅光芯片
硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片，在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于光通信、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療檢測、自動駕駛、國防等領(lǐng)域，其中，光通信是硅光芯片最主要的應(yīng)用市場。
硅光芯片具有高集成度、低成本等特點，在光子集成化背景下，具有廣闊的發(fā)展前景。
目前，全球硅光技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近些年，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業(yè)紛紛通過收購來布局硅光技術(shù)，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領(lǐng)域的創(chuàng)新企業(yè)。英特爾和臺積電都在大力開發(fā)硅光子制造工藝技術(shù)，已經(jīng)形成較為完整的硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
算力基建海量增長下，光芯片正揚帆起航
光通信器件是光通信產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是半導(dǎo)體激光器的核心元器件。其產(chǎn)業(yè)鏈大致分為襯底、光通信激光器芯片、有源器件、光模塊、下游最終客戶等環(huán)節(jié)。
受數(shù)通、電信、激光雷達(dá)等下游需求高增，光芯片技術(shù)持續(xù)升級快速發(fā)展。當(dāng)前，新一輪以AI為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI開發(fā)的ChatGPT使得AIGC備受關(guān)注。而在AIGC商業(yè)化應(yīng)用加速落地的背景下，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長和升級換代將成為必然趨勢。
算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)背景下，光纖接入、數(shù)據(jù)通訊等數(shù)據(jù)流量的高速增長將直接拉動光模塊增量，光芯片作為光模塊中最核心的器件將深度受益。與此同時，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級導(dǎo)致內(nèi)部光連接增加，意味著光模塊需要更快的傳輸速率和更高的覆蓋率，中高端光芯片有望快速放量。此外，激光雷達(dá)等應(yīng)用的快速落地也將有力推升光芯片的需求。市場規(guī)模方面，根據(jù)數(shù)據(jù)測算，全球光芯片市場規(guī)模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元。
目前，海外光芯片企業(yè)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)閉環(huán)和高行業(yè)壁壘，可自主完成芯片設(shè)計、晶圓外延等關(guān)鍵工序，可量產(chǎn)25G及以上速率的光芯片。中國光芯片企業(yè)已基本掌握2.5G及以下速率光芯片的核心技術(shù)。隨著技術(shù)能力提升和市場認(rèn)可度提高，10G及以上速率芯片國產(chǎn)化率有待提升，國內(nèi)光芯片廠商競爭力將進(jìn)一步增強。
國內(nèi)首款660納米VCSEL激光芯片研發(fā)成功
日前，國內(nèi)首款波長660納米垂直腔面發(fā)射激光器芯片(660VCSEL芯片）在萬州研發(fā)成功并投入批量化生產(chǎn)，這款芯片廣泛應(yīng)用于激光指示、激光掃描、血氧傳感、煙霧探測等領(lǐng)域。
2月2日上午，在位于萬州經(jīng)開區(qū)高峰園的威科賽樂微電子股份有限公司內(nèi)，一顆顆比米粒還小的660VCSEL芯片正有序地從晶圓上分選貼裝到藍(lán)膜方片上，短短幾分鐘，一片包含數(shù)百顆芯片的藍(lán)膜方片就完成了加工，進(jìn)入發(fā)貨環(huán)節(jié)。
據(jù)研發(fā)人員介紹，這款芯片主要依靠特定波長的光源來實現(xiàn)顯示、傳感、探測等功能。相比于可見光LED，可見光VCSEL激光器芯片具有光源純度高、單色性高、方向性好、相干性好等獨特優(yōu)勢。但如何解決設(shè)計和工藝、外延和芯片相匹配的難題，也成為了擺在研發(fā)人員面前的最大難題。
目前，這款芯片已經(jīng)具備6000萬顆的年產(chǎn)能力，而目前國內(nèi)市場的年需求量超過了億顆，這也意味著這款萬州造“芯片”的前景十分廣闊。
研發(fā)人員介紹，從性能方面來看，660VCSEL芯片相比目前市場主流的邊發(fā)射激光器而言，更易于面內(nèi)集成陣列和光學(xué)整形，在相同輸出功率下對人眼敏感度能達(dá)到同類產(chǎn)品的4.5倍。
而在成本方面，單顆芯片市場售價僅在一元左右，成本降低了60%，封裝成本也降低50%以上。
不僅如此，威科賽樂還通過積極整合上下游資源，從全產(chǎn)業(yè)鏈和應(yīng)用的角度，在襯底原材料、外延生長、芯片制造以及測試封裝等各個層面，開展持續(xù)的研發(fā)，力求在產(chǎn)品性能、成本方面實現(xiàn)更大突破。
“徹底打破國外壟斷，確保國內(nèi)安全供應(yīng)鏈，這也是我們這款產(chǎn)品以及整個公司所要肩負(fù)的神圣使命。”威科賽樂微電子股份有限公司研發(fā)負(fù)責(zé)人宋世金說，在今年，企業(yè)還計劃投入1.5億元，進(jìn)一步提升產(chǎn)能，完成后每年將有兩億顆“重慶造”的芯片走向全國。
