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 |
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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 |
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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。