隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)的迅猛發(fā)展,信息技術(shù)正在經(jīng)歷深刻革新。在這場(chǎng)"科技革命"中,光芯片扮演著至關(guān)重要的角色。作為集成光電路和電子電路于一身的創(chuàng)新器件,光芯片被視為新一代信息技術(shù)的關(guān)鍵支撐。

與傳統(tǒng)電子芯片相比,光芯片擁有更高的信號(hào)傳輸速率、更大的帶寬容量,能有效解決目前互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中的瓶頸問(wèn)題。此外,光芯片還具有低功耗、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),在人工智能、量子計(jì)算等領(lǐng)域也擁有廣泛的應(yīng)用前景。因此,掌控光芯片技術(shù)實(shí)力,將直接關(guān)乎一個(gè)國(guó)家在未來(lái)信息技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中的地位和話語(yǔ)權(quán)。

目前,全球主要科技強(qiáng)國(guó)均將光芯片研發(fā)作為重點(diǎn)發(fā)展方向。中國(guó)作為新興科技大國(guó),也意識(shí)到這一核心技術(shù)的重要性,并在光芯片領(lǐng)域取得了令人矚目的突破,為國(guó)家信息技術(shù)實(shí)力的提升注入了新動(dòng)力。

中國(guó)團(tuán)隊(duì)研制新型光集成芯片

2022年,中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主創(chuàng)新,成功研制出新型硅基光集成芯片。這款芯片實(shí)現(xiàn)了光電路系統(tǒng)的單芯片集成,將光波導(dǎo)、激光器、調(diào)制器、耦合器等多個(gè)光電元件集成在一個(gè)芯片上,大幅提升了光電路系統(tǒng)的集成度和能源效率。

新型硅基光集成芯片體積極小,僅有指甲蓋大小,但其信號(hào)傳輸速率卻可達(dá)100Gbps,是當(dāng)前主流電子芯片的數(shù)十倍。與此同時(shí),該芯片還具有極低的功耗,完全可滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)對(duì)高速率、大帶寬、低能耗的迫切需求。

這項(xiàng)突破不僅打破了國(guó)外企業(yè)在光芯片核心技術(shù)領(lǐng)域的壟斷,也為中國(guó)信息技術(shù)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力源泉。目前,該芯片已在數(shù)據(jù)通信設(shè)備、人工智能系統(tǒng)等領(lǐng)域逐步推廣應(yīng)用,并有望為5G、6G通信、智能家居、自動(dòng)駕駛等多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變革。


AI時(shí)代算力引擎加速智能應(yīng)用普及

光子芯片能夠大幅提升計(jì)算能力,這對(duì)于AI等算力密集型應(yīng)用至關(guān)重要。事實(shí)上,AI技術(shù)的高速發(fā)展很大程度上依賴(lài)算力的不斷升級(jí)。隨著深度學(xué)習(xí)等技術(shù)日益復(fù)雜,訓(xùn)練所需算力正在指數(shù)級(jí)增長(zhǎng),對(duì)高性能計(jì)算芯片的需求與日俱增。

光子芯片極高的運(yùn)算速度和能效,使其成為解決AI"饑渴癥"的理想之選。憑借超高的并行處理能力,光芯片可快速完成龐大的矩陣乘法、卷積等運(yùn)算,進(jìn)而高效訓(xùn)練復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在實(shí)際應(yīng)用中,光子AI芯片可為語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)駕駛、生物醫(yī)療等領(lǐng)域帶來(lái)大幅性能提升。

科技巨頭和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)都已看到了這一前景。谷歌、英特爾等公司紛紛加大了光子芯片的研發(fā)投入。如谷歌宣布斥資數(shù)十億美元打造光子AI加速芯片。麻省理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)也推出了多項(xiàng)光子芯片技術(shù)突破。行業(yè)分析認(rèn)為,未來(lái)3-5年內(nèi)或?qū)⒚媸郎逃霉庾覣I加速芯片,進(jìn)一步催生多元智能應(yīng)用的大規(guī)模普及。


產(chǎn)業(yè)新高地孕育催生新興材料需求

光子芯片的崛起不僅影響科技前沿,也將重塑周邊產(chǎn)業(yè)生態(tài)。其中,對(duì)相關(guān)關(guān)鍵材料帶來(lái)了全新市場(chǎng)需求。鈮酸鋰就是制造光電集成芯片的核心材料,晶體結(jié)構(gòu)特殊、折射率高,非常適合作為光波導(dǎo)使用。

目前,光電子器件對(duì)鈮酸鋰的需求約占全球總需求的三分之一左右。但伴隨著光子芯片研發(fā)的加速以及未來(lái)大規(guī)模應(yīng)用,鈮酸鋰需求料將呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。據(jù)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家測(cè)算,到2035年,全球鈮酸鋰需求可能攀升至約80萬(wàn)噸,是目前的20多倍。

開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)備這一關(guān)鍵材料戰(zhàn)略資源已經(jīng)成為全球科技產(chǎn)業(yè)鏈的新高地。除鈮酸鋰外,硅、氧化鎵、砷化鎵等多種光電功能材料在光子芯片制造中也扮演著重要角色,市場(chǎng)需求同樣面臨爆發(fā)。相關(guān)企業(yè)已開(kāi)始布局資源,搶占未來(lái)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。


國(guó)產(chǎn)替代空間廣闊，下游應(yīng)用多點(diǎn)開(kāi)花

政策推動(dòng)近年來(lái)相關(guān)政策頻出，國(guó)產(chǎn)替代迎來(lái)重要發(fā)展機(jī)遇。2017年《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》中明確2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片國(guó)產(chǎn)化率超過(guò) 60%，提高核心光電子芯片國(guó)產(chǎn)化；2021年1月《基礎(chǔ)電子元器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年）中提到重點(diǎn)發(fā)展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提及到 2025 年，信息通信行業(yè)整體規(guī)模進(jìn)一步壯大目標(biāo)，光芯片作為通信底層基座，有望持續(xù)受益。


市場(chǎng)規(guī)模

全球市場(chǎng)規(guī)模：根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)，全球光芯片市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的27億美元增長(zhǎng)至2027年的56億美元，CAGR為15.7%。

中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模：中國(guó)光芯片市場(chǎng)2022年市場(chǎng)規(guī)模為7.8億美元，預(yù)計(jì)2025年增長(zhǎng)到11.2億美元，CAGR為12.8%。國(guó)內(nèi)光芯片市場(chǎng)中，2.5G/10G光芯片市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化程度較高， 據(jù)ICC數(shù)據(jù)，2021年2.5G國(guó)產(chǎn)光芯片占全球比重超過(guò)90%、10G國(guó)產(chǎn)光芯片占全球比重約60%；2021年25G光芯片的國(guó)產(chǎn)化率約20%，25G以上光芯片的國(guó)產(chǎn)化率約5%。

受益于信息應(yīng)用流量需求的增長(zhǎng)和光通信技術(shù)的升級(jí)，光模塊作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)近日AI引領(lǐng)算力爆發(fā)，光模塊作為AI背景下最直接受益、確定性最高品種，光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。

隨著信息技術(shù)快速發(fā)展，全球數(shù)據(jù)量需求持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)Omdia的統(tǒng)計(jì)，2017年至2020年，全球固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量從92萬(wàn)PB增長(zhǎng)至217萬(wàn)PB，CAGR為33.1%，預(yù)計(jì)2024年將增長(zhǎng)至575萬(wàn)PB，CAGR為27.6%。同時(shí)，光電子、云計(jì)算技術(shù)等不斷成熟，將促進(jìn)更多終端應(yīng)用需求出現(xiàn)，并對(duì)通信技術(shù)提出更高的要求。受益于信息應(yīng)用流量需求的增長(zhǎng)和光通信技術(shù)的升級(jí)，光模塊作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)，2016年至2020年，全球光模塊市場(chǎng)規(guī)模從58.6億美元增長(zhǎng)到66.7億美元，預(yù)測(cè) 2025年全球光模塊市場(chǎng)將達(dá)到113億美元，為2020年的1.7倍。光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。

相較普通攝像頭，3D傳感(包含雙目立體測(cè)距、結(jié)構(gòu)光、TOF)可探測(cè)環(huán)境的深度特征，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。3D傳感攝像頭可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、三維建模等多項(xiàng)功能，可適用于移動(dòng)設(shè)備、機(jī)器人、安防監(jiān)控等多種終端，人臉識(shí)別為當(dāng)前3D傳感攝像頭最主流的功能。

VCSEL激光器多用于消費(fèi)電子領(lǐng)域。與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優(yōu)勢(shì)，例如量產(chǎn)成本低，波長(zhǎng)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(méi)有腔面閾值損傷等。Yole發(fā)布的相關(guān)報(bào)告顯示，自2017年蘋(píng)果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來(lái)，VCSEL在消費(fèi)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。

VCSEL 市場(chǎng)規(guī)模2022-2027 CAGR 約為19.2%。市場(chǎng)規(guī)模方面，據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2022年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模約為16億美元，預(yù)計(jì)2027年可達(dá)39億美元，5年復(fù)合增速為19.2%。競(jìng)爭(zhēng)格局方面，Lumentum依舊為市場(chǎng)龍頭，2017-2021年均保持市場(chǎng)第一的份額，占42%左右。

激光雷達(dá)多種技術(shù)路徑并存，多品種光芯片有望切入賽道。若按使用的光波長(zhǎng)來(lái)劃分，主要分為 905nm/1550nm。905nm激光器可搭配硅基光電探測(cè)器來(lái)接收激光，1550nm dToF方案需使用磷化銦材料體系的激光器（半導(dǎo)體激光器）和探測(cè)器；1550nm光纖激光器，種子源模組主要用脈沖式DFB激光器芯片。

VCSEL有望在激光雷達(dá)領(lǐng)域獲得更大的應(yīng)用。2022年是激光雷達(dá)上車(chē)元年, 2023年激光雷達(dá)定點(diǎn)車(chē)型數(shù)量預(yù)計(jì)將大幅增加。據(jù)Yole測(cè)算，2027年激光雷達(dá)滲透率有望從不到1%增長(zhǎng)到5%以上，激光雷達(dá)的出貨量可從2022年的22萬(wàn)只快速增長(zhǎng)至2027年600萬(wàn)只。近年來(lái)VCSEL光源的功率密度和亮度實(shí)現(xiàn)了大幅提高，為其在車(chē)載激光雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，2021年禾賽科技和Lumentum合作發(fā)布業(yè)界首個(gè)基于VCSEL打造的車(chē)規(guī)級(jí)長(zhǎng)距半固態(tài)激光雷達(dá)AT128，其中每臺(tái)AT128包含128個(gè)VCSEL陣列。

據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2021年激光雷達(dá)市場(chǎng)規(guī)模為21億美元，預(yù)計(jì)2027年達(dá)到63億美元，復(fù)合增速為22%。在下游應(yīng)用領(lǐng)域中，預(yù)計(jì)ADAS的應(yīng)用復(fù)合增速將高達(dá)73%，市場(chǎng)規(guī)模提升至20億美元，成為激光雷達(dá)第一大應(yīng)用場(chǎng)景。