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数据规模高速增长带动我国光芯片产业不断发展

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

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

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

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

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

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

分类

细分

应用领域

优势

应用场景

单元素半导体材料

(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

(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

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

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

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

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

类别

指标

2020

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()

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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