光芯片，國(guó)產(chǎn)芯片“換道超車”的下一站？

陳平

國(guó)內(nèi)下一代光電芯片制造技術(shù)獲重大突破

光芯片是全球半導(dǎo)體行業(yè)的一個(gè)重要細(xì)分賽道，涵蓋工業(yè)用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手機(jī)人臉識(shí)別用VCSEL 等成熟應(yīng)用，以及車用激光雷達(dá)和硅光芯片等未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)的新領(lǐng)域，不過(guò)我國(guó)半導(dǎo)體激光芯片技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，在光通信芯片尤其是高功率光纖激光器市場(chǎng)替代率仍處于較低水平，好在這些年持續(xù)努力追趕下，從研發(fā)到終端制造，不斷追趕，讓光芯片成為有望“換道超車”的賽道。

論文刊登在2022年9月的《Nature》上

2022年9月，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表文章，宣布南京大學(xué)張勇、肖敏、祝世寧領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)，發(fā)明了一種新型“非互易飛秒激光極化鐵電疇”技術(shù)，將飛秒脈沖激光聚焦于材料“鈮酸鋰”的晶體內(nèi)部，通過(guò)控制激光移動(dòng)的方向，在晶體內(nèi)部形成有效電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的直寫和擦除。

該技術(shù)突破了傳統(tǒng)飛秒激光的光衍射極限，把光雕刻鈮酸鋰三維結(jié)構(gòu)的尺寸，從傳統(tǒng)的1微米量級(jí)首次縮小到納米級(jí)，達(dá)到30納米，大大提高了加工精度，也標(biāo)志著我國(guó)科學(xué)家在下一代光電芯片制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

相關(guān)報(bào)道強(qiáng)調(diào)，這一重大發(fā)明，未來(lái)或可開辟光電芯片制造新賽道，有望用于光電調(diào)制器、聲學(xué)濾波器、非易失鐵電存儲(chǔ)器等關(guān)鍵光電器件芯片制備，在5G/6G通信、光計(jì)算、人工智能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

立于時(shí)代風(fēng)口的光芯片

根據(jù)Photonics21發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示，自2015年以來(lái)，光子產(chǎn)業(yè)鏈全球市場(chǎng)規(guī)模以每年7%的速度增長(zhǎng)。其中，2019年的全球市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到6900億歐元，預(yù)計(jì)2025年將進(jìn)一步增至9000億歐元。而在下游數(shù)字通信（數(shù)通）和電信領(lǐng)域雙輪驅(qū)動(dòng)下，光芯片擁有極大成長(zhǎng)空間。

從行業(yè)層面來(lái)看，根據(jù)Lightcounting的統(tǒng)計(jì)，2020年和2021年由于新冠疫情，人們開始轉(zhuǎn)向居家辦公，因而對(duì)更快、更高可靠性的網(wǎng)絡(luò)的需求更為強(qiáng)烈。因此雖然供應(yīng)鏈短缺因素仍在持續(xù)，但是行業(yè)能夠很大程度上克服這些問(wèn)題，光芯片所在的光模塊行業(yè)在2020年和2021年實(shí)現(xiàn)了17%和9%的增長(zhǎng)，Lightcounting預(yù)測(cè)2022年有望再次實(shí)現(xiàn)17%的收入增長(zhǎng)。

從市場(chǎng)上看，消費(fèi)光子時(shí)代來(lái)臨，集成電路將走向集成光路時(shí)代，將帶來(lái)萬(wàn)億美元市場(chǎng)。光電芯片成為消費(fèi)光子時(shí)代的核心基礎(chǔ)，蘋果、華為、英特爾、思科、IBM等國(guó)際頂尖公司紛紛布局光電芯片。國(guó)內(nèi)則涌現(xiàn)出了陜西源杰半導(dǎo)體、奇芯光電等一批芯片企業(yè)，面向新一代高速光通信、光計(jì)算、光傳感需求，聚焦光子材料與光子芯片研發(fā)制造，搶占新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)技術(shù)制高點(diǎn)。

從芯片制備角度，光芯片制備的工藝流程與集成電路芯片有一定相似性但側(cè) 重點(diǎn)不同，光芯片最核心的是外延環(huán)節(jié)。光芯片的制備流程同樣包含了外延、光刻、 刻蝕、芯片封測(cè)等環(huán)節(jié)。但就側(cè)重點(diǎn)而言，光刻是集成電路芯片最重要的工藝環(huán)節(jié)， 其直接決定了芯片的制程以及性能水平。與集成電路芯片不同，光芯片對(duì)制程要求 相對(duì)不高，外延設(shè)計(jì)及制造是核心，該環(huán)節(jié)技術(shù)門檻最高。以激光器芯片為例，其 決定了輸出光特性以及光電轉(zhuǎn)化效率。

華為10G 單模單纖、10km光模塊

然而，全球高端光芯片基本被國(guó)外廠商壟斷。我國(guó)在高端芯片領(lǐng)域的自主技術(shù)研發(fā)和投入實(shí)力方面相對(duì)較弱，目前主要集中在中低端光芯片產(chǎn)品的研發(fā)、制造。全球主要光器件廠家均積極布局有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品，并達(dá)到 100Gb/s 速率及以上的水平。在中興、華為等通信設(shè)備的強(qiáng)勢(shì)助攻下，中國(guó)成為世界上最大的光器件消費(fèi)大國(guó)，市場(chǎng)占比約為 35%。國(guó)內(nèi)企業(yè)在無(wú)源器件、低速光收發(fā)模塊等中低端細(xì)分市場(chǎng)較強(qiáng)，然而以高速率為主要特征的高端光芯片技術(shù)，還掌握在美日企業(yè)手中（美日企業(yè)占據(jù)了全球高端光芯片超過(guò) 50%市場(chǎng)份額，占據(jù)我國(guó)高端光芯片 90%以上的市場(chǎng)份額），我國(guó)高速率光芯片國(guó)產(chǎn)化率僅 3%左右。

國(guó)內(nèi)企業(yè)目前只掌握了10Gb/s 速率及以下的激光器、探測(cè)器、調(diào)制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工藝以及配套IC的設(shè)計(jì)、封測(cè)能力，25Gb/s的工藝能力及產(chǎn)能配套都無(wú)法形成規(guī)模;單通道 25Gbps 光芯片大部分已可國(guó)產(chǎn)化，電芯片部分國(guó)產(chǎn)化，但絕大多數(shù) 25Gb/s 速率模塊使用的光電芯片只能做到小批量供貨，大部分還要依賴進(jìn)口。50Gbps以上的光電芯片，只有很少部分器件可國(guó)產(chǎn)化。

從產(chǎn)品路線來(lái)看，布局 DFB 激光器和 PIN 探測(cè)器的廠家更為集中，而 VCSEL 的廠商較多，但由于人臉識(shí)別等傳感市場(chǎng)的空間更多，所以僅專注于數(shù)通市場(chǎng)的廠家則較少。當(dāng)前中國(guó)光芯片企業(yè)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)10G及以下的DFB 、APD等光芯片進(jìn)口替代，中國(guó)10G速率及以下光芯片國(guó)產(chǎn)化率已于2020年實(shí)現(xiàn)完全替代，在接入網(wǎng)市場(chǎng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)完全自給自足，但 1577nm EML 仍依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化仍在進(jìn)一步驗(yàn)證中;不過(guò)在 25Gbps 以上，尤其是EML激光器芯片依然嚴(yán)重依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化芯片仍在驗(yàn)證提升的階段，大規(guī)模供應(yīng)仍有待進(jìn)一步突破。但值得一提的是，受益于我國(guó) 5G 規(guī)模建設(shè)的提速、光芯片政策扶持以及全球化貿(mào)易摩擦，中國(guó)光芯片企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力正在快速提升。

快速崛起的國(guó)產(chǎn)光芯片企業(yè)

相對(duì)于龐大的半導(dǎo)體生態(tài)，定位更精準(zhǔn)的光芯片產(chǎn)業(yè)鏈更有利于攻關(guān)和集中資源突破，而經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，我國(guó)光芯片企業(yè)也取得了耀眼的成績(jī)。

根據(jù)Lightcounting的統(tǒng)計(jì)，2010年僅一家國(guó)內(nèi)廠商躋身前十之列，到了2021年，前十大之中國(guó)內(nèi)廠商已占據(jù)半壁江山。從產(chǎn)品角度，10G及以下的中低端芯片國(guó)產(chǎn)替代持續(xù)深入，國(guó)產(chǎn)化程度已經(jīng)較高。國(guó)內(nèi)廠商基本掌握了2.5G和10G產(chǎn)品的核心技術(shù)，除了部分型號(hào)產(chǎn)品（如10G EML激光器芯片）國(guó)產(chǎn)化率相對(duì)較低，大部分產(chǎn)品已基本能實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。從應(yīng)用領(lǐng)域的角度，國(guó)內(nèi)廠商的產(chǎn)品當(dāng)前主要集中在電信市場(chǎng)的光纖接入和無(wú)線接入領(lǐng)域，并開始嘗試突破以高端產(chǎn)品需求為主導(dǎo)的數(shù)通市場(chǎng)。

目前我國(guó)光模塊、光纖激光器、激光雷達(dá)等下游細(xì)分領(lǐng)域已具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。光模塊方面，根據(jù)Lightcounting 于2022 年5 月發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021 年全球前十大光模塊廠商，中國(guó)廠商占據(jù)六席，分別為旭創(chuàng)（與 II-VI 并列第一）、華為海思（第三）、海信寬帶（第五）、光迅科技（第六）、華工正源（第八）及新易盛（第九）;相比于 2010 年全球前十大廠商主要為海外廠商，國(guó)內(nèi)僅 WTD（武漢電信器件有限公司，2012 年與光迅科技合并）一家公司入圍，體現(xiàn)出十年以來(lái)國(guó)產(chǎn)光模塊廠商競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力及市場(chǎng)地位的快速提升。

光纖激光器方面，根據(jù)由中國(guó)科學(xué)院武漢文獻(xiàn)情報(bào)中心牽頭編寫的《2022 中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前三大光纖激光器廠商中，IPG 市場(chǎng)份額由2018 年的49.0%下降至2021年的 28.1%，而銳科激光、創(chuàng)鑫激光市場(chǎng)份額由 2018 年的 17.3%/8.9%分別上升至 2021年的 27.3%/18.3%，此外杰普特、大族光子、熱刺激光、凱普林等國(guó)產(chǎn)品牌市場(chǎng)份額也進(jìn)入前列，國(guó)產(chǎn)替代步伐持續(xù)邁進(jìn)。而激光雷達(dá)方面，國(guó)內(nèi)完善的汽車上游零部件/光通信產(chǎn)業(yè)鏈為激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2021年全球Top10通信光模塊國(guó)產(chǎn)廠商占六席（資料來(lái)源：Lightcounting，華泰研究）

事實(shí)上，在中下游的激光器及相關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展持續(xù)推進(jìn)背景下，光芯片作為上游核心元器件是我國(guó)光電子領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化下一階段亟須突破的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。從國(guó)產(chǎn)化進(jìn)展來(lái)看，當(dāng)前我國(guó)高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G 等）等已處于國(guó)產(chǎn)化加速突破階段;而光探測(cè)芯片、25G 以上高速率激光芯片仍處于進(jìn)口替代早期階段，未來(lái)國(guó)產(chǎn)化提升空間廣闊。

寫在最后：光芯片有望引領(lǐng)下一輪科技革命

光芯片的應(yīng)用場(chǎng)景不僅僅局限于通信領(lǐng)域，廣義上的光芯片在工業(yè)、消費(fèi)電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前光子已站上時(shí)代風(fēng)口，有望引領(lǐng)后摩爾時(shí)代的科技革命。未來(lái)的時(shí)代或?qū)⑹且粋€(gè)光子大規(guī)模替換電子的時(shí)代，光網(wǎng)絡(luò)傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。而從技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的角度來(lái)看，光芯片被認(rèn)為是與國(guó)外研究進(jìn)展差距最小的芯片技術(shù)，被寄予了中國(guó)“換道超車”的希望。