盤點我國高速率激光芯片國產替代進展
廠商方面，中國本土光芯片企業主要關注工業/國防等高功率應用，這也是它們主要的營收來源，因此，在高功率激光芯片方面，本土企業具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進行競爭的能力。但在光通信、消費類應用領域，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用程度較高，中國本土企業可以基于自身技術積累切入。
下面具體看一下中國本土企業在高功率激光芯片、光探測芯片、VCSEL和硅光芯片方面的發展情況。
高功率激光芯片
美國和歐洲在高功率激光芯片方面的產業化起步較早，技術上具備領先優勢，傳統巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。近些年，中國本土激光芯片技術不斷突破，相關產業處于快速發展期，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。據長光華芯招股書測算，2021年，長光華芯、武漢銳晶在國內高功率激光芯片市場中的份額分別為13.4%和7.4%。
本土企業的產品力一直在提升，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年實現了30W單管芯片量產，目前，其產品正在向更高功率水平持續迭代。
25G及以下光芯片方面，我國已基本實現國產化，特別是在10G芯片方面，源杰科技等本土企業已在部分細分市場取得領先份額，但技術門檻較高市場仍依賴進口，25G以上市場是國產化薄弱環節，據IDC統計，25G光芯片的國產化率約為20%，25G以上的國產化率只有約5%。近些年，中國本土企業在5G基站前傳光模塊用25GDFB激光芯片方面有所突破，用于數據中心的光模塊企業開始使用國產的25GDFB激光芯片。
長光華芯等公司已切入銳科激光、創鑫激光等頭部光纖激光器廠商供應鏈，推動對II-VI、Lumentum 等海外廠商進口替代的步伐。未來，隨著國產更高功率產品的導入，以及新建產能的落地，有望加速國產份額提升步伐。
光探測芯片
光探測芯片廣泛應用于手機、光通信、智能家電（如掃地機器人）等應用場景，隨著車載激光雷達產業的快速發展，光探測芯片作為激光雷達接收端核心元器件，有望迎來新的發展機遇。
在技術方案層面，目前，APD是主流方案，First-sensor、濱松和Kyosemi是行業前三廠商，三家市占率達到45%。比APD更先進的技術方案是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有望成為激光雷達接收端芯片的未來發展方向。不過，SPAD/SiPM技術難度大，進入門檻高，全球SiPM市場主要被安森美、濱松、博通等頭部企業把持著，合計市占率達到83%。
目前，中國本土企業在光探測芯片領域的市占率較低，主要原因在于沒有完整的生產加工體系。中國在光通信用APD/PIN市場已實現國產化突破，相比之下，本土企業尚未在 SPAD/SiPM市場形成量產能力。
據中國電子元件行業協會發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022 年）》統計，中國SPAD等光芯片發展高度依賴生產工藝及封裝測試，在SPAD領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驗和能力，然而，中國本土相關企業生產工藝還未成熟，且缺少本地優質代工平臺，在芯片流片加工方面嚴重依賴美國、新加坡、德國等國家的代工廠，再加上熟悉相關工藝的技術人員稀缺，造成關鍵技術發展緩慢、芯片研發周期較長、效率較低等局面。
不過，中國本土市場和相關企業也有自身優勢，與國外大廠相比，國內光探測芯片廠商在產品的定制化上有較好的靈活性，價格也有一定的優勢，未來，隨著在產品、技術上不斷突破，有望推進國產替代進程。
目前，中國本土企業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成熟的PIN-PD、APD方案，產品多應用于光通信，而以芯視界、靈明光子、阜時科技為代表的創業型公司則更多地選擇布局代表未來發展方向的SPAD/SiPM方案，而且，國產SPAD/SiPM產品已經開始應用于消費電子、激光雷達、AR/VR、醫療等領域。另外，還有中國本土企業在單項產品力上領先國際的案例，例如，靈明光子的產品在波長905nm處的單光子探測效率（PDE）達到25%，超過行業平均水平（5%~18%）。
VCSEL
隨著VCSEL功率密度等關鍵性能持續提升，有望成為半固態/固態激光雷達發射端核心元器件。
與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優勢，例如量產成本低，波長穩定性高（溫漂小），易于二維集成，低閾值電流，可高頻調制，沒有腔面閾值損傷等。Yole發布的相關報告顯示，自2017年蘋果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來，VCSEL在消費電子應用領域快速發展，主要應用逐漸由850nm器件的高速數據通信轉向940nm器件的3D傳感應用。
目前，國際大廠Lumentum、II-IV憑借技術優勢主導VCSEL芯片市場，據Yole統計，Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。生產模式方面，Lumentum將外延環節外包，II-VI自產外延片。
中國本土傳感應用類VCSEL芯片企業主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等，大多數是創業型公司，VCSEL芯片量產能力有限，與國際大廠之間還有明顯差距。不過，憑借后發優勢，這些中國本土企業正在努力趕上國際先進技術和產品發展腳步，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出的光子集成芯片，在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優勢，可廣泛應用于光通信、數據中心、醫療檢測、自動駕駛、國防等領域，其中，光通信是硅光芯片最主要的應用市場。
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，具有廣闊的發展前景。
目前，全球硅光技術及產業化領先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi，近些年，思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業紛紛通過收購來布局硅光技術，Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領域的創新企業。英特爾和臺積電都在大力開發硅光子制造工藝技術，已經形成較為完整的硅光芯片產業鏈。
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業的重要組成部分，也是半導體激光器的核心元器件。其產業鏈大致分為襯底、光通信激光器芯片、有源器件、光模塊、下游最終客戶等環節。
受數通、電信、激光雷達等下游需求高增，光芯片技術持續升級快速發展。當前，新一輪以AI為代表的科技革命正席卷全球，OpenAI開發的ChatGPT使得AIGC備受關注。而在AIGC商業化應用加速落地的背景下，算力基礎設施的海量增長和升級換代將成為必然趨勢。
算力基礎設施建設背景下，光纖接入、數據通訊等數據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，數據中心的網絡架構升級導致內部光連接增加，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，激光雷達等應用的快速落地也將有力推升光芯片的需求。市場規模方面，根據數據測算，全球光芯片市場規模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元。
目前，海外光芯片企業已經形成產業閉環和高行業壁壘，可自主完成芯片設計、晶圓外延等關鍵工序，可量產25G及以上速率的光芯片。中國光芯片企業已基本掌握2.5G及以下速率光芯片的核心技術。隨著技術能力提升和市場認可度提高，10G及以上速率芯片國產化率有待提升，國內光芯片廠商競爭力將進一步增強。
國內首款660納米VCSEL激光芯片研發成功
日前，國內首款波長660納米垂直腔面發射激光器芯片(660VCSEL芯片）在萬州研發成功并投入批量化生產，這款芯片廣泛應用于激光指示、激光掃描、血氧傳感、煙霧探測等領域。
2月2日上午，在位于萬州經開區高峰園的威科賽樂微電子股份有限公司內，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膜方片上，短短幾分鐘，一片包含數百顆芯片的藍膜方片就完成了加工，進入發貨環節。
據研發人員介紹，這款芯片主要依靠特定波長的光源來實現顯示、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、相干性好等獨特優勢。但如何解決設計和工藝、外延和芯片相匹配的難題，也成為了擺在研發人員面前的最大難題。
目前，這款芯片已經具備6000萬顆的年產能力，而目前國內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射激光器而言，更易于面內集成陣列和光學整形，在相同輸出功率下對人眼敏感度能達到同類產品的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，從全產業鏈和應用的角度，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，開展持續的研發，力求在產品性能、成本方面實現更大突破。
“徹底打破國外壟斷，確保國內安全供應鏈，這也是我們這款產品以及整個公司所要肩負的神圣使命。”威科賽樂微電子股份有限公司研發負責人宋世金說，在今年，企業還計劃投入1.5億元，進一步提升產能，完成后每年將有兩億顆“重慶造”的芯片走向全國。
