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高端光模块芯片国产化有待提高,硅光应用崭露头角

发布时间:2018-10-08 点击数:208

光模块上游光芯片由国外厂商主导,国产化率有待提高
光芯片是光模块的功能核心与成本核心。光模块构成元件包括光发射/接收次模块(TOSA/ ROSA)、电芯片、PCB 面板等,其中次模块最重要的部件是光芯片,在 TOSA 侧主要是激光器芯片,ROSA 侧主要是探测器芯片,光芯片及组件占光模块成本超过 70%,并且越是高端的光模块,对其光电转换效率要求越高,其芯片成本占比也就越高。可以说光芯片是光收发元件乃至整个光模块的功能核心与成本核心。
图 14:光模块成本构成
光模块成本构成
数据来源:ofweek、Funsso 方烁科技、东方证券研究所

高端光芯片依然由国外厂商主导。虽然我国光通信产业在近十年取得迅猛发展,设备商在全球份额第一,但光通信器件与国际领先水平还有较大差距,国内核心光通信芯片及器件仍然严重依赖进口, 以高端激光器芯片为例,VCSEL、DFB、EML 等高速率芯片主要由美国、日本厂商主导。国内少数企业虽然依靠器件封装优势在中低端市场形成较强影响力,但高端光通信芯片与器件国产化率不足 10%,25G 及以上高速率光芯片国产化率仅 3%左右,电芯片国产化率更是约等于零。

图 15:高端激光器芯片主要由美国及日本厂商主导

高端激光器芯片主要由美国及日本厂商主导

数据来源:ofweek、Funsso 方烁科技、东方证券研究所

图 16:25G 及以上高端光模块及组件国产化率极低

25G 及以上高端光模块及组件国产化率极低
数据来源:《光电子器件产业发展路线图》(工信部)、东方证券研究所


国外主流厂商采用“光芯片-光模块”一体化,国内厂商以模块封装为主。国外光模块龙头厂商大多采用“IC 设计+光芯片+光模块”一体化模式,如 Finisar、AAOI 等,自主研发光芯片并设计生产光模块产品,把握住产业上游核心,以此延伸至整个光模块产业链。国内厂商由于高端芯片能力不足、起步较晚等因素,大多聚焦于光模块封装环节,上游芯片依赖进口。相较而言,一体化模式



可以在光模块销售中获得更高的毛利率,但芯片研发成本同样会带来更高费用以及研发风险;芯片外采模式可以在全球芯片市场选取最成熟的产品,且无需承担高昂的芯片研发费用,但上游光芯片的强议价能力不容忽视,光芯片供需以及价格波动很容易传导到下游,从而影响整个光模块产业链。
国内政策积极扶持芯片产业,相关企业积极投入,内生外延合力向上游芯片突破。工信部《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022 年)》提出 2022 年中低端光电子芯片国产化率超过60%, 高端光电子芯片国产化率突破 20%。今年中兴事件再次揭开国产芯片痛点,政府加大扶持引导措施,国内相关企业在分散采购上游芯片的同时不断加强自主研发,努力打开光电产业竞争格局,并逐渐在 10G 以上速率有源器件和 100G 光模块等高端领域有所突破,光芯片层面也出现华为海思、中兴、海信、光迅等一批具有自主研发能力的企业,通过自主研发+外延并购获取光芯片技术,例如华为收购英国 CIP 和比利时 Caliopa;光迅收购丹麦 IPX 和法国 Almae,海信收购美国 Archom 和Multiplex。其中光迅 10G 以内多款芯片早已量产商用,25G EML 芯片预计将于 2019 年初量产,海信同样有 10G 以内 FP、DFB 多款芯片量产商用,25G DFB、EML 芯片已于 2017 年完成样品开发,目前正处于验证阶段。
3.2硅光应用崭露头角,但规模发力或将在 400G 之后
硅光方案成为突破性能和成本瓶颈的选择。目前光集成商业产品技术路线主要分为 InP 和 Si 两大阵营,区别在于光电子集成衬底材料。当前应用最为广泛的光模块主要基于 InP(磷化铟)和 GaAs
(砷化镓)半导体材料制成,技术起步早、成熟度高,但集成难度大。以 InP 为衬底材料集成器件数量每 2.6 年翻一倍,而以 Si 为衬底材料每年可翻一倍,在成本和集成能力上都具备天然优势。同时硅波导对 1100-1600nm 中远红外波段近乎无损透明,因此越来越多的人考虑使用硅作为下一代光通信系统的解决方案,以便突破传统技术路线的性能和成本瓶颈。
图 17:Si 可集成器件数量显著超出 InP
Si 可集成器件数量显著超出 InP
数据来源:SILICON PHOTONICS、中电 38 所、东方证券研究所

100G 硅光模块已经商用,目前以数据中心场景为主,但很难取代 InP。Intel 面向数据中心场景的硅光混合集成 100G PSM4 产品早已实现量产,并且由于更低的 BOM 成本优势已占据 PSM4 产品
80%市场份额。但 PSM4 主要适用于 500 米以内互联场景,在 2km 距离与 CWDM4 相比不再具备成本优势。而对于 100G CWDM4 产品来说,硅光方案的复用/解复用器件温度与极化特性欠佳, 激光器与光纤耦合功率损耗较大,其内部架构并未得到简化,BOM 器件和组装成本优势不再。



除数据中心之外,硅光在高性能计算、电信、激光雷达等领域也逐渐得到应用,但整体依然处于初步阶段,即便有商业化产品方案,也未能实现量产出货。
图 18:硅光产品主要应用领域
硅光产品主要应用领域

数据来源:Yole  Développement,  January  2018、东方证券研究所

短期内依然以 InP 路线为主,硅光方案有待光源及封装等关键技术突破和成熟。目前 InP 光模块依然能满足市场需求,但缺乏实用和有效的商用设计工具和流片服务,其成本与集成难度也将遭遇瓶颈。而硅光方案尽管在成本和集成能力上具备优势,但产业链还不够成熟和完善,且依然有光源、封装等问题亟待解决:
1>、硅基集成激光光源有待解决。硅是间接带隙半导体,相比于 InP 等直接带隙半导体,硅光模块中需要单独引入光源,而光源并不符合摩尔定律,耦合集成得越多成本也就越高,将会不断抵消硅材料和工艺集成带来的成本优势。
2>、硅光模块封装难度大、良率低。硅光接口封装处于初期阶段,主要瓶颈在于光电子芯片和光纤阵列组件的光接口封装,其对准与封装精度要求高,封装效率低,现阶段的封装技术难以实现高质量、低成本的封装,产品良率限制了硅光模块的大规模量产。
3>、硅光芯片可获取量产化 Foundry 资源少。尽管硅光芯片与 CMOS 工艺兼容,但成熟的 CMOS
Foundry 资源不对外开放或没有硅光流片经验,常见的硅光 Foundry 流片周期长且工艺不稳定。
综上,目前硅光方案在个别系列产品上具备成本优势,但由于光源问题尚未有效解决,封装技术门槛高,产品良率低,同时也很难获取成熟的 CMOS Foundry 资源,因而其成本优势在 100G 时代不够显著,InP/GaAs 光模块仍是首选。
长期来看硅光方案大势所趋,400G 时代或将规模发力。尽管市场在 400G 方案技术路线上还存在争议,例如多通道相干技术降低了对芯片的要求,但整体成本高昂;单通道技术对芯片提出更高要求,但目前 100G 以上高端单通道光芯片、电芯片的信号处理、协调能力尚不成熟。但不可否认的是,面向 400G 及以上速率的场景需求,传统直接调制激光器 DML 已接近带宽极限,EML 成本又居高难下,因而硅光若能解决前述光源及封装等关键技术问题,或将在 400G 时代开始规模发力。
尽管目前硅光模块仍偏小众,2016 年硅光芯片市场规模仅 3000 万美元,但继 Intel2016 年发布数据中心 100G 硅光模块之后,2017 年Luxtera 实现业内首款 2x100G PSM4 硅光嵌入式模块出货,
SiFotonics 推出 400G 硅光集成相干接收解决方案。Yole 预计 2025 年硅光芯片市场将达到 5.6 亿美元,硅光模块市场则主要由于数据中心内部互联需求而增长至接近40 亿美元,市占率达到35%。

图 19:硅光光模块市场规模预测(亿美元)

硅光光模块市场规模预测

数据来源:Yole Development January 2018、东方证券研究所
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