一、全球光芯片产业快速发展
光芯片是利用光电转换效应制成的光电子器件。光电子器件包括发光二极管、激光器芯片、探测器芯片、光电耦合器等。在数通、电信等终端应用领域中，光芯片位于产业链上游，是光模块的核心元件，主要由激光器芯片和探测器芯片组成。光芯片是采用半导体芯片制造工艺，以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，从而实现谐振放大选模输出激光，实现电光转换。其增益介质与衬底主要为掺杂III-V族化合物的半导体材料，如GaAs（砷化镓），InP（磷化铟）等。
光芯片按功能分类：分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括VCSEL芯片，边发射芯片包括FP、DFB和EML芯片；探测器芯片，主要有PIN和APD两类。
光芯片产品类型特点
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类型 |
产品类别 |
工作波长 |
产品特性 |
应用场景 |
传输速率 |
传输距离 |
材料 |
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激光器芯片 |
vCSEL（面发射) |
800-900nm |
线宽窄，功耗低，调制速率高，耦合效率高，传输距离短，线性度差 |
500米以内短距离传输 |
155M-25G |
800m |
GaAs |
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FP(边发射) |
1310-1550nm |
调制速率高，成本低，耦合效率低，线性度差 |
中低速无线接入短距离 |
155M-10G |
20km |
InP |
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DFB（边发射) |
1270-1610nm |
谱线窄，调制速率高，波长稳定，耦合效率低 |
中长距离传输 |
2.5M-40G |
40km |
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EML（边发射) |
1270-1610nm |
调制频率高，稳定性好，传输距离长，成本高 |
长距离传输 |
大于10G |
大于4Okm |
||
|
探测器芯片 |
PIN |
830-860/1100-1600nm |
噪声小，工作电压低，成本低，灵敏度低 |
中长距离传输 |
155M-10G |
小于40km |
si/Ge/lnP |
|
APD |
1270-1610nm |
灵敏度高，成本高 |
长距离单模光纤 |
1.25G-10G |
长距离 |
数据来源：观研天下数据中心整理
光芯片的原材料主要为半导体材料，半导体材料主要有三类，包括：单元素半导体材料、III-V族化合物半导体材料、宽禁带半导体。通常采用三五族化合物磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。其中，磷化铟(InP)衬底用于制作FP、DFB、EML边发射激光器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓(GaAs)衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。
光芯片材料对比
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分类 |
细分 |
应用领域 |
优势 |
应用场景 |
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单元素半导体材料 |
硅(Si) |
先进制程芯片 |
储量大、价格便宜 |
CPU、内存硅基半导体材料目前产能最大、成本最低应用最广 |
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锗(Ge) |
空间卫星 |
电子迁移率、空穴迁移率高 |
空间卫星太阳能电池面板 |
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l1I-V族化合物半导体材料（芯片的衬底材料，是目前仅次于硅之外最成熟的半导体材料) |
砷化嫁（GaAs) |
LED、显示器、射频模组 |
光电性能好、耐热、抗辐射 |
手机、电脑射频器件、面部识别、大功率半导体激光器、新一代显示 |
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磷化锢（IP) |
光通信 |
导热性好、光电转换效率高、光纤传输效率高 |
5G基站光模块、数据中心光模块、激光雷达、可穿戴设备 |
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宽禁带半导体(成本较高） |
氮化家（GaN) |
充电器、高铁 |
高频、耐高温、大功率 |
快速充电芯片、高铁芯片 |
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碳化硅(Sic) |
电动汽车 |
新能源汽车、充电桩 |
数据来源：观研天下数据中心整理
在全球信息和数据互联快速成长的背景下，终端产生的数据量每隔几年就实现翻倍增长，纯电子信息的运算与传输能力的提升遇到瓶颈，光电信息技术正在崛起。根据应用材料的数据，机器所产生的数据量在2018年首次超越人类所创造的数据量。2018年至2022年全球固定网络和移动网络数据量将从130万PB增长至576万PB。
数据来源：观研天下数据中心整理
这么庞大的数据增量，不可能用人工来处理分析，必须建设各种具备高速运算能力的数据中心来过滤、处理分析、训练及推理，这将持续带动各类光芯片和光模块的需求。2023年全球光电子市场规模有望达到454亿美元，相较2022年的438亿成长4%。
数据来源：观研天下数据中心整理
二、“宽带中国”推动拉动光芯片需求
根据观研报告网发布的《中国光芯片行业发展趋势分析与未来投资研究报告（2023-2030年）》显示，2021年11月，工信部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》要求全面部署新一代通信网络基础设施，全面推进5G移动通信网络、千兆光纤网络、骨干网、IPv6、移动物联网、卫星通信网络等的建设或升级；统筹优化数据中心布局，构建绿色智能、互通共享的数据与算力设施；积极发展工业互联网和车联网等融合基础设施。《“十四五”信息通信行业发展规划》指明信息基础设施建设的目标，在规划目标落地的过程中，光芯片需求量也将不断增长。
《“十四五”信息通信行业发展规划》主要建设目标
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类别 |
指标 |
2020年 |
2025年目标 |
年均增速/累计变化 |
|
总体规模 |
信息通信业收入(万亿元) |
2.64 |
4.3 |
0.1 |
|
信息通信基础设施累计投资（万亿元) |
2.5 |
3.7 |
1.2 |
|
|
基础设施 |
每万人拥有5G基站数（个) |
5 |
26 |
21 |
|
10G-PON及以上端口数（万个) |
320 |
1200 |
880 |
|
|
数据中心算力（每秒百亿亿次浮点运算) |
90 |
300 |
0.27 |
|
|
工业互联网标示解析公共服务节点数(个) |
96 |
10 |
54 |
|
|
移动网络IPv6流量占比（%) |
17.2 |
70 |
52.8 |
|
|
国际互联网出入口宽带(太比特每秒） |
7.1 |
48 |
40.9 |
|
|
应用普及 |
通信网络终端连接数（亿个) |
32 |
45 |
0.07 |
|
5G用户普及率（%) |
15 |
56 |
41 |
|
|
千兆宽带用户数(万户) |
640 |
6000 |
0.56 |
|
|
工业互联网标识注册量（亿个) |
94 |
500 |
0.4 |
|
|
5G虚拟专网数（个） |
800 |
5000 |
0.44 |
数据来源：观研天下数据中心整理
FTTx光纤接入是全球光模块用量最多的场景之一，而我国是FTTx市场的主要推动者。受制于电通信电子器件的带宽限制、损耗较大、功耗较高等，运营商逐步替换铜线网络为光纤网络。截至2022年底，三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达5.9亿户，全年净增5386万户。其中，100Mbps及以上接入速率的用户为5.54亿户，全年净增5513万户，占总用户数的93.9%，占比较上年末提高0.8个百分点；1000Mbps及以上接入速率的用户为9175万户，全年净增5716万户，占总用户数的15.6%，占比较上年末提高9.1个百分点。截至2022年底，全国光纤接入（FTTH/O）端口达到10.25亿个，比上年末净增6534万个，占比提升至95.7%。
数据来源：观研天下数据中心整理
根据《“十四五”信息通信行业发展规划》，在持续推进光纤覆盖范围的同时，我国要求全面部署千兆光纤网络。以10G-PON技术为基础的千兆光纤网络具备“全光联接，海量带宽，极致体验”的特点，将在云化虚拟现实（CloudVR）、超高清视频、智慧家庭、在线教育、远程医疗等场景部署，引导用户向千兆速率宽带升级。根据工信部数据，截至2021年年底，全国10GPON端口数达到786万个，截至2022年年底，全国10GPON端口数量达到1523万个，相比21年几乎翻倍。
数据来源：观研天下数据中心整理
2020年FTTx全球光模块市场出货量约6,289万只，市场规模为4.73亿美元，随着新代际PON的应用逐渐推广，预计至2025年全球FTTx光模块市场出货量将达到9,208万只，年均复合增长率为7.92%，市场规模达到6.31亿美元，年均复合增长率为5.93%。
数据来源：观研天下数据中心整理
中国市场仍将在接入网市场中发挥主导作用。到2027年，中国在全球FTTx光模块销售额份额将保持在50%以上，而且中国将继续是全球最大的单一市场。
数据来源：观研天下数据中心整理（zppeng）
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