【光电集成】新一代激光芯片

----与智者为伍 为创新赋能----

激光原理：激光技术起源于 20 世纪 60 年代，与原子能、半导体、计算机并称 20 世纪 新四大发明之一。激光英文全称是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （LASER），意为“通过受激辐射光扩大”，简称“激光”。激光的原理早在 1916 年就已被 爱因斯坦发现：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到 低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被“引诱”（激发）出来的光子束 （激光），其中的光子光学特性高度一致。相比由多种颜色、波长混合的自然光，激 光有具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，因此也被称为“最快的 刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”。

激光发展历史：1916 年，爱因斯坦提出了光的受激发射理论，人类对激光开始有了认 知。1958 年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象，当他们将内光灯泡所发 射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成 功。1960 年 5 月 15 日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长 为 0.6943 微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上 第一个将激光引入实用领域的科学家。

1960 年 7 月 7 日，梅曼宣布了世界上第一台激 光器的诞生，梅曼的方案的是，利用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石色水晶里的铬 原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到很高 的温度。前苏联科学家尼古拉·巴索夫于 1960 年发明了半导体激光器。半导体激光器 的结构通常由 P 层、N 层和形成双异质结的有源层构成，其特点是：尺寸小、耦合效 率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

激光器结构

激光器一般包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。激光器是激光的发生装置，主 要由激励源和具有亚稳态能级的工作介质组成。激励源为实现并维持粒子数反转产生 跃迁辐射创造条件，激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。具有亚 稳态能级的工作介质使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成 部分还有谐振腔，谐振腔为关键的组成部分，可使腔内的光子有一致的频率、相位和 运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性，而且谐振腔可以很好地缩短工作 物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式。简单来说：泵浦源 为激光器提供光源，增益介质（也称为工作物质）吸收泵浦源提供的能量后将光放 大，谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路，振腔振荡选模输出激光。

1）激光工作介质：增益介质

用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，也被称为激光增益媒 质，常用的有红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。在增益介质中可以实现 粒子数反转（高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度），以 制造获得激光的必要条件。

2）激励源：泵浦源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能 级的粒子数增加。一般可以用电流注入或气体放电的办法驱使具有动能的电子激发介 质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、 化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运；为了不断得到激光输出，必 须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3）谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很 弱，无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是 在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜片：一块几乎全反射，一块使大分光 反射、少量光透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的 光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反 应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。（报告来源：未来智库）

激光器分类

激光器可按泵浦方式、增益介质、运转方式、输出功率和输出波长进行分类。

1）按泵浦方式：可分为电泵浦、光泵浦、化学泵浦、热泵浦、核泵浦激光器。电泵浦激光器指以电流方式激励的激光器（气体激光器多以气体放电方式进行激励， 而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励）；光泵浦激光器指以光泵方式激励的激光器（几乎所有固体激光器、液体激光器均属于 光泵浦激光器，而半导体激光器是光泵浦激光器的核心泵浦源）；化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。

2）按运转方式：可分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器中各能级的粒子数及 腔内辐射场均具有稳定分布，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在 一段较长的时间范围内以连续方式持续稳定进行，但热效应较明显；脉冲激光器指激 光功率维持在一定值时所持续的时间，以不连续方式输出激光，主要特点是峰值功率 高、热效应小、可控性好。根据脉冲时间长度，可进一步分为毫秒、微秒、纳秒、皮 秒和飞秒，脉冲时间越短，单一脉冲能量越高、脉冲宽度越窄、加工精度越高。

3）按输出功率：划分为分为低功率（0-100W）、中功率（100-1,000W）、高功率 （1,000W 以上），不同功率的激光器适应的应用场景不同。

4）按照波长：可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同，因此需要各种不同波长的激光器用于不同 材料的精细加工或者不同应用场景。红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激 光器：红外激光器主要应用于“热加工”，将材料表面的物质加热并使其汽化（蒸 发），以除去材料；在薄膜非金属材料加工、半导体晶圆切割、有机玻璃切割/钻孔/打 标等领域，高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体， 这种方式不会产生高热量反应，因此通常被称为“冷加工”，紫外激光器在微加工领域 具有不可替代的优势。

由于紫外光子能量大，难以通过外激励源激励产生一定高功率 的连续紫外激光，故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生，因此目 前广泛应用在工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。

5）按增益介质：固态（固体、光纤、半导体等）、气体、液体、自由电子激光器等。激光器按照增益介质（工作物质）分为：①液体激光和气体激光，由于效率低下和 需要高频率更换工作物质和维护，目前只利用其特殊性能并在小众市场应用；②自 由电子激光器目前技术还不充分，虽然有频率连续可调、频谱范围广等优势，但短期 内还很难有广泛应用。

③固态激光目前应用最广泛、市场占有率最高，通常被分为 以晶体为工作物质的固体激光器、以玻璃光纤为工作物质的光纤激光器（近 20 年来 由于兼顾电光转换效率和光束质量取得大力发展），目前少部分利用灯如氙闪光灯作 为泵浦源，大部分利用半导体激光器作为泵浦源。半导体激光器是以半导体材料作为 激光介质，以电流注入二极管有源区为泵浦方式的激光二极管（以电子受激辐射产生 光），具有电光转换效率高、体积小、寿命长等特点，广义上虽也属于固态激光器的 一种，但半导体激光器直接产生的光由于光束质量差，目前所能直接应用的领域受 限，一般作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源以应用于更多场 景。

从应用领域来看，根据《2021 年中国激光产业发展报告》，2020 年全球激光器销售额 为 160.1 亿美元。结构上来看，材料加工与光刻、通讯与光存储、科研和军事、医疗 和美容、仪器与传感器及娱乐、显示与打印占比分别为 39.6%、24.5%、13.8%、 5.7%、12.6%及 3.8%。据报告预测，2021 年全球激光器的总市场规模为 185 亿美金， 市场增长率为 15%，其中半导体激光器（作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器 的核心泵浦光源或作为直接激光器），其市场规模预计为 79.5 亿美金（占比 43%），市 场增速为 18%。我国激光器行业发展迅速、竞争优势明显，在全球激光器市场中所占的比重也持续提 升，根据 Laser Focus World 发布的数据，2020 年，我国激光器市场规模为 109.1 亿美 元，占全球激光器市场 66.12%的份额。

近年来全球工业激光器市场规模呈波动走势，根据 Laser Focus World 测算，2020 全球 工业激光器市场规模约为 51.57 亿美元，同比增长 2.4%。从结构上，市场份额最大的 是光纤激光器，2018 至 2020 年的销售占比均超过 50%，其中 2020 年全球光纤激光器 销售额占比为 52.7%；固体激光器销售占比 16.7%；气体激光器销售占比 15.6%；直接 半导体/准分子激光器销售占比 15.04%。

光通信芯片市场：中长期替代空间广阔

1. 光通信原理

光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒 介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由数据源、 光发送端、光学信道和光接收机组成。具体过程为：在发送端将传送的信息（如话 音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度 （频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变 换成电信号，经解调后恢复原信息。

光发信机：光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组 成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光 波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。光收信机：光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组 成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后， 再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平，送到接收端。光纤或光缆：二者光的传输通路，其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光 纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上，完成传送信息任务。

中继器（放大器）：中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用一 是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减，二是对波形失真的脉冲进行整形。光纤连接器、耦合器等无源器件：由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆 施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的，因此一条光纤线路可能存在 多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对 光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

2. 光模块是光通信设备的核心

光通信系统主要由光通信设备、传输光纤、光无源器件（光分路器、波分复用器、光 隔离器、光开关、光连接器、光背板、光滤波器等）构成。光通信设备的核心为光模块（光模块产值在光通信中份额约 65%）。光模块的核心为光有源模块和电芯片：1）光有源模块包括光芯片和光调制器，其中光芯片为核心。光芯片包括激光器芯 片、探测器芯片；2）电芯片包括 LD Driver、TIA、LA、 CDR 芯片等。

LD Driver：激光驱动芯片，发射端数字信号是电压信号，而激光器本身是依靠电 子激发进行发光的，所以必须将要发送的电压信号转换成为电流信号，因此需要 Laser Driver 驱动激光二极管发射激光。TIA：Transimpedance Amplifier，即跨阻放大器，增益定义为输出电压除以输入电 流，单位是电阻，由于是将电流放大为电压，因此将这种类型的放大器称为跨阻 放大器。TIA 应用于将电流放大至电压的场景，例如光电探测器探测信号的放 大。PD 接收到光信号后，产生的电流信号比较微弱（uA 量级），因此需要利用 TIA 将其放大，便于后续的信号处理。

LA：Limiting Amplifier，即限幅放大器。限幅放大器电路功能是输入信号较小时， 限幅放大器处于线性放大工作状态，输出跟随输入线性变化；而当输入信号达到 某一电平时，输出将不随输入信号的增加而变化，而维持在一定值上，即处于限 幅工作状态。LA 解决的问题场景是，PD 产生的电流信号跟其接收的光信号强弱 成正比，而 TIA 的跨阻(V=I*R，电压=电流*电阻)R 是一定的，这样产生的电压信 号就会随着输入光的大小变化而变化，而且变化的范围比较大。所以 Receiver 还 需要一个 LA，对前面 TIA 转换出来的小电压信号继续放大，以保证输出幅度足够 大，同时限幅功能使得在强光输入的时候，输出能够维持在一定值上，处于限幅 工作状态。

CDR：Clock and Data Recovery，即时钟数据恢复。CDR 的主要功能是：1）为接收 器端各电路提供时钟信号；2）对接收到的信号进行判决，便于数据信号的恢复 与后续处理。光信号经过一定距离的传输后，其波形会发生一定程度的失真。如 果没有时钟信号伴随光信号一起传输，接收端接收到的信号将会是一个个长短不 一的脉冲，因此需要 CDR 芯片对这些脉冲信号进行处理以得到想要传输的数据。

3. 光模块的本质是实现光电信号的转换

一个光模块通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测 器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。光模块的应用场景丰富，可分为电信市 场与数通市场，涵盖了数据宽带、电信通讯、数据中心、Fttx、安防监控和智能电网 等领域。光模块的性能主导着光通信网络的升级换代，在接入端、传输端等不同细分 市场上均发挥着至关重要的作用。光模块作为光电转换的连接模块，包含两个端口即发射端和接收端。其中发射端将电 信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。光模块由光 电子器件、功能电路和光接口组成，其中光电子器件包括发射和接收两部分。

光模块在整体产品架构上包括光学次模块（Optical Subassembly；OSA）及电子次 模块（Electrical Subassembly；ESA）两大部分。光学次模块的制造流程为：激光 二极管芯片的外延部分以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs） 等作为发光与检光材料，利用有机金属气相沉积法（MOCVD）等方式，制成外 延片，然后将外延片制成激光二极管，随后搭配滤镜、金属盖等组件，封装成 TO can（Transmitter Outline can），再将此 TO can 与陶瓷套管等组件，封装成光学 次模块（OSA）。最后再搭配电子次模块（ESA），电子次模块内部包含传送及接 收两颗驱动 IC，用以驱动激光二极管与检光二极管，如此结合即组成光模块。

早期的光模块所用的光器件收和发是分开的，一个是 TOSA（Transmitting Optical Sub-Assembly，光发射组件），一个是 ROSA（Receiving Optical Sub-Assembly，光 接收组件），随着小型化的发展，二者合二为一就成了 BOSA（Bi-Directional Optical Sub-Assembly，光发射接收组件），也有的光器件集成 1 个 TOSA 和 2 个 ROSA 的就成了 Triplexer。光器件可根据工作时是否进行光电转换，分为有源光器件和无源光器件。有源光 器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器 件，是光传输系统的心脏，主要包括包括激光器、调制器、探测器和集成器件 等；无源光器件是光通信系统中需要消耗一定能量但没有光电或电光转换的器 件，用于满足光传输环节的其他功能，是光传输系统的关键节点，包括光连接 器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。

4. 光芯片占光模块平均 50%以上成本

光器件种类繁多，按照通信上下游划分，光器件可分为光电芯片、光器件和光模块。光电芯片是光器件的核心元件，根据材料的不同可分为 InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、 LiNbO3、MEMS 等芯片，根据功能不同可分为激光器芯片、探测器芯片、调制器芯片。这些芯片/器件集成后，再加入外围电路形成一个光通信模块，被广泛应用于路 由器、基站、传输系统、接入网等光网络建设中。

光芯片在光模块中的成本占比分布在低端器件、中端器件及高端器件上的数据分别是 20%、50% 和 70%。 光通信芯片企业采用高频性能突出的 GaAs 以及 InP 化合物半导体为光通信芯片的 衬底。GaAs 以及 InP 可被制成电阻率比硅、锗高 3 个数量级以上的半绝缘高阻材 料，用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符 合 5G 通信高频的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。

全球 GaAs 衬底市场集中度较高，根据 Yole 统计，2019 年全球砷化镓衬底市场主 要生产商包括：德国 Freiberger、日本 Sumitomo 和美国 AXT（北京通美），其中德 国 Freiberger 占比 28%、日本 Sumitomo 占比 21%、美国 AXT（北京通美）占比 13%。从市场格局来看，InP 衬底材料市场头部企业集中度很高，主要供应商包括日本 Sumitomo、美国 AXT（北京通美）、日本 JX 等。Yole 数据显示，2020 年全球前三 大厂商占据磷化铟衬底市场 90%以上市场份额，其中 Sumitomo 为全球第一大厂 商，占比为 42%；美国 AXT（北京通美）位居第二，占比 36%。磊晶生成的外延片质量（Wafer）是决定光芯片性能的关键因素，且生成条件较 为严苛，是光芯片制备的重要环节。目前磊晶生长方式有 MOCVD、MBE 两种。

GaAs 外延片生产，则有不同的商业模式：1）GaAs LED 市场主要是垂直整合，拥有成 熟的 IDM 厂商，如欧司朗（Osram）、三安光电（San’an）、晶元光电（Epistar）、乾照 光电（Changelight）等；2）GaAs 射频市场则采用外延生产外包模式，过往几年 GaAs 射频外延业务经历多次整合，如今产生了四大领导厂商：IQE、全新光电（VPEC）、住 友化学（包括住友化学先进技术和 SCIOCS）、英特磊（IntelliEPI）；3）GaAs 光电子市 场，外延业务仍然取决于应用：GaAs 数据通信市场主要是 IDM 模式，主要厂商有菲 尼萨（Finisar）、安华高（Avago）、贰陆（II-VI）等，而对于规模较大且成本敏感性高 的消费电子类需求，主要以 Foundry 模式为主，如苹果供应商 Lumentum 选择外延生 产外包，将 IQE 作为其 VCSEL 外延生产服务商。（报告来源：未来智库）

激光二极管在光模块内肩负着将电信号转化为光信号的重任，常用的激光二极管按发 光类型，分为面发射与边发射。其中，面发射型激光主要为垂直腔面发射激光器 （VCSEL）；边发射型激光种类较多，目前使用最为广泛的是法布里-珀罗激光器（FP） 激光器、分布反馈激光器（DFB）和电吸收调制激光器（EML）。

1）VCSEL ：属于面发射类型（垂直腔结构），VCSEL可以提供高质量的激光束，更高的 耦合效率和空腹反射率，相比 FP 激光器和 DFB 激光器，VCSEL 制造比较容易，这样就 能够生产低成本基于 VCSEL 的收发器。VCSEL 在功耗、温漂、成本、集成、散热等方 面具有一定优势，但由于目前投入实际应用的 VCSEL 主要集中在 850nm/980nm 波长范 围内，这种激光器更适合应用于短距离的数据中心内高速数据传输和接入网等领域。

2）FP 激光器（Fabry-perot 法布里-珀罗激光器）：FP 激光器 TO 全称“TO 封装多量子阱 FP 腔纵模激光器”，它是以 FP 腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件，属 于边发射类型（水平腔结构）。FP 激光器结构和制作工艺简单，成本低，主要用于中 短距离传输，比如传输距离一般在 20 公里以内。

3）DFB（Distributed Feedback Laser）激光器：分布式反馈激光器属于边发射类型（水 平腔结构），是在 FP 激光器的基础上，将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中 （也就是增益介质中），在谐振腔内形成选模结构，实现单模工作（即使用光栅选频 以实现单模工作）。DFB 相较 VCSEL 波长更长（一般用 1310nm 和 1550nm 这 2 种波 长），在包括传输网、无线基站、数据中心内部互联等领域在内的中长距离传输被普 遍使用。

以上三中激光器都属于直接调制激光器（DML，Directly Modulated Laser），信号的 0/1 调制通过控制其电流使激光器输出强度改变来完成，但是由于调制电流的变化，激光 器会发生比较明显的频率啁啾，导致脉冲展宽、信号失真，因此 DML 型不适合高速 长距离传输。后来，集成了电吸收调制器（EAM）与 DFB 的电吸收调制激光器 （EML）应运而生：EML 工作时，给激光器的注入电流保持恒定，依靠外部调制器对 光信号进行调制，因此不易产生啁啾效应、信号传输质量较理想，适合高速率、远距 离的电信骨干网、城域网和数据中心互联类的应用；但是相对地，EML 在价格和功耗 层面优势不够明显，因为 EML 在使用时需要给调制器 EAM 额外提供一个负压偏置， 同时还要搭配半导体制冷器（TEC）进行精密的环境温度控制来保证高信号传输质 量。

光模块根据不同场景的选择和使用是完全不同的，其中最主要的就是根据传输速率、 传输距离、不同的波长来选择激光器类型和调制方式：在高速率 100G 光模块中，几 十米用 VCSEL 激光器，500 米到 10 公里用 DFB 激光器，40 公里用 EML 激光器；在 10G 光模块中，1310nm 波长属于零色散区域，在传输 20 公里可选用 DML 激光器，若是 1550nm 波长需要选用 EML 激光器。

5. 国产光芯片与美日厂商差距较大，替代壁垒较高但空间广阔

国产光芯片基础薄弱，与美日厂商差距较大。全球高端光芯片基本被国外厂商垄断， 其中。我国在高端芯片领域的自主技术研发和投入实力方面相对较弱，目前主要集中 在中低端光芯片产品的研发、制造。全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品，并达到 100Gb/s 速 率及以上的水平。在中兴、华为等通信设备的强势助攻下，中国成为世界上最大的光 器件消费大国，市场占比约为 35%。

国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端 细分市场较强，然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术，还掌握在美日企业手中 （美、日企业占据了全球高端光芯片超过 50%市场份额，占据我国高端光芯片 90%以 上的市场份额），我国高速率光芯片国产化率仅 3%左右。国内企业目前只掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工艺 以及配套 IC 的设计、封测能力，25Gb/s 的工艺能力及产能配套都无法形成规模；单通 道 25Gbps 光芯片大部分已可国产化，电芯片部分国产化，但绝大多数 25Gb/s 速率模 块使用的光电芯片只能做到小批量供货，大部分还要依赖进口。

50Gbps 以上的光电芯 片，只有很少部分器件可国产化。更为高端的 100G 光通信系统，其中可调窄线宽激 光器、相关光发射/接收芯片均高度依赖进口。在电跨阻放大芯片、高速模数/数模转 化芯片、相关通信 DSP 芯片以及 5G 移动通信前传光模块需要的 50Gb/s PAM-4 芯片 上，还鲜少有国内厂家能够规模化供货商用解决方案。

光器件行业相对分散，产品种类繁多，不同产品领域的竞争格局具有较大差异。光电子器件每一种类别下会产生上百种产品型号，它们之间还能组合成各种各样 的模块、子系统等。因此，专业化分工来研发、生产和销售各种光电子器件已成 为行业的特点。由于各个企业所掌握的技术特点和销售渠道不同，他们在不同产 品领域的竞争地位也不尽相同。在低端器件领域，如光纤耦合器、连接器、低速 收发模块等的生产厂商较多，竞争很激烈。在技术含量较高的高端模块和子系统 领域，如 DWDM 器件、40Gbit/s 以上光收发模块、ROADM 子系统等，生产厂商 相对较少，具备较强自主研发能力的厂商在竞争中占据有利位置。我国光器件行 业厂商众多，国内大多数厂商以中小企业为主，规模层次不齐，自主研发和投入 实力相对较弱，主要生产中低端产品，产品比较单一，普遍收入规模不大。

目前，光器件行业有源光器件市场要远大于无源光器件市场。有源光器件的光收 发模块占据了绝大部分光器件市场份额，据产业信息网统计，有源光收发模块的 产值在光器件中占比超过 60%，其在输入端、传输端等不同细分领域发挥着至关 重要的作用。此外，无源光器件需求在快速增加。在光纤到户的发展趋势下，从 局端机房到用户终端设备之间的光纤接入网建设规模增加，光纤路径复杂、连接 数量膨胀，各类光通信设备的使用量大增，相应地刺激了需求的快速增长。目前 我国光器件厂商占据全球约 15%市场份额，其中无源光器件的竞争力相对较高。

光芯片国产化产业现状：从产品路线来看，布局 DFB 激光器和 PIN 探测器的厂家更为 集中，而 VCSEL 的厂商较多，但由于人脸识别等传感市场的空间更多，所以仅专注于 数通市场的厂家则较少。当前中国光芯片企业已经可以实现 10G 及以下的 DFB 、FP、 VCSEL、PIN、 APD 光芯片进口替代，2020 年中国 10G 速率及以下光芯片国产化率已实 现完全替代，在接入网市场已经可以实现完全自给自足，但 1577nm EML 仍依赖进 口，国产化仍在进一步验证中，并有部分厂商推出 DML 方案进行替代；在 25Gbps 以 上，尤其是 EML 激光器芯片依然严重依赖进口，国产化芯片仍在验证提升的阶段，大 规模供应仍有待进一步突破。

但值得一提的是，受益于我国 5G 规模建设的提速，以 及全球化贸易摩擦，中国光芯片企业在 25Gbps CWDM/MWDM/LWDM 激光器突破方 面，展现出竞争能力的提升，超过 5 家企业已经可以实现批量生产供应。

目前我国光芯片国产化挑战众多， 主要体现在以下几点：1）一是我国光电子芯片流 片加工严重依赖国外：高速DFB、EML 芯片所需的 InP 工艺，VCSEL 激光器所需的 GaAs 工艺等都依赖美国、中国台湾等国家和地区的代工资源，使得我国在国家各级研发计 划支持下发展的关键技术大量流失。由于缺乏完整、稳定的光电子芯片、器件加工工 艺平台以及工艺人才队伍，国内还难以形成完备的标准化光通信器件研发体系，导致 芯片研发周期长、效率低，造成我国光通信器件技术与国外差距逐渐扩大。

可工程化 的三五族材料工艺、硅光工艺平台能力，是制约国内企业与研究机构在高端光通信芯 片上快速创新的瓶颈，也是制约国产芯片大规模应用的主要瓶颈，换言之，外延生长 的质量决定光通信芯片的传输性能，为光通信芯片生产技术壁垒最高的环节，现阶 段，中国光通信芯片企业还未掌握成熟的外延技术，外延技术的落后拖累中国光通信 芯片的行业发展；

2）二是标准、专利等软实力建设意识、能力不足：在光通信器件 与模块的国际标准制定中，一直以来很少见到中国企业的身影。参与新标准的制定， 也意味着跟进行业发展潮流，甚至左右行业发展的方向，但国内标准普遍参照国际标 准执行，这导致了国内企业话语权的缺失，使得标准和行业发展以众多国外大企业的 意志为走向，这对国内企业十分不利。需要加强中国光通信器件厂家的基础研究、技 术预研，通过原创性、基础性技术的突破来进一步提升产业影响力与标准话语权；

3）三是光通信芯片相关配套行业领域基础薄弱，无法形成支撑：光通信器件产业发 展严重依赖于先进测试仪表、制造装备等基础性行业能力。国内仪表装备厂商基本从 事低端设备的开发，精度高、自动化程度高的设备大多严重依赖进口，光通信器件企 业固定资产投资负担重，还存在产业安全等问题。应提高对自主研发的光通信器件制 造与测试装备的重视程度，比如全自动高精度贴片机、全自动打线机、高速率光电信 号测试仪表及装备等。

6. 光模块市场方兴未艾

从下游应用端市场规模来看，随着 5G 商用的普及，光通信器件市场已进入新的增长 周期。LightCounting 认为，2020 年和 2021 年，由于 COVID-19 大流行，人们开始转向 居家办公和学习，对更快、更普遍、更高可靠性的网络的需求更加强烈，虽然供应链 短缺仍在继续，但该行业能够在很大程度上克服这些问题，光器件和模块市场在 2020 年和 2021 年实现了强劲增长。同时 LightCounting 预测，光模块市场在 2021 年增长 9%，2020 年增长 17%之后，2022 年有望再次实现收入的强劲增长（预计 17%），同时 预计 2022-2027 年的年复合增长率为 12%。

2020 年度，全球光芯片市场规模约 20 亿美元，这其中约有 60%的营收来自于 InP 激 光器市场，包括 DFB 和 EML 芯片；25%来自于 PIN/APD/MPD 接收、监测芯片市场；15%来自于 VCSEL 激光器芯片市场。我们预计 2020 年至 2025 年未来五年间，受益于 5G网络带动万物互联新应用，以及带动相应数据中心、接入网、城域骨干网等网络基 础设施的全面升级，高速光芯片将在 2023 年左右迎来高速发展期。

7. 中国光芯片企业步入高速发展期

根据 Yole 统计显示，到 2026 年全球光模块器件磷化铟衬底（折合两英寸）预计销量 将超过 100 万片，2019 年-2026 年复合增长率达 13.94%，2026 年全球光模块器件磷化 铟衬底预计市场规模将达到 1.57 亿美元，2019-2026 年复合增长率达 13.94%。根据 Yole 预测，激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。预计到 2025 年，全球激光器砷化镓衬底（折合二英寸）的市场销量将从 2019 年的 106.2 万片增长 至 330.3 万片，年复合增长率为 20.82%；预计到 2025 年，全球激光器砷化镓衬底市 场容量将达到 6,100 万美元，年复合增长率为 16.82%。（报告来源：未来智库）

在具体应用方面，未来五年激光器砷化镓衬底的需求增长主要由 VCSEL 的需求拉动。VCSEL 是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，在应用场景中，常常在衬底多 方向同时排列多个激光器，从而形成并行光源，用于面容识别和全身识别，目前已在 智能手机中得到了广泛应用。根据 Yole 预测，随着 3D 传感技术在各领域的深度应 用，VCSEL 市场将持续快速发展，继而加大砷化镓衬底的需求。2019 年，全球 VCSEL 器件砷化镓衬底（折合二英寸）销量约为 93.89 万片，预计到 2025 年将增长至 299.32 万片，年复合增长率达到 21.32%；2019 年全球 VCSEL 器件砷化镓衬底衬底市场规模约 为 2,100 万美元，预计到 2025 年全球砷化镓衬底市场规模将超过 5,600 万美元，年复 合增长率为 17.76%。

根据感知芯世界的统计，当前从事光芯片制造的企业主要分布于美国，日本，韩国， 新加坡和中国；从数量上来看，中国的光芯片企业已然占据了优势，但从营收情况来 看，市场份额占比还远不及美日等企业。中国光芯片产业刚正从发展初期逐步进入高 速发展期，而较多的企业仍处于 Fabless 无外延能力的模式，仍需要借助中国台湾、新加坡 等地区外延支持能力。从市场规模来看，中国光芯片市场 2019 年达到 4.2 亿美元，同比增长 9.52%，随着下 游需求的驱动，我们预计中国光芯片市场将从 2020 年市场规模 6.7 亿美元迅速增长到 2025 年 11 亿美元，CAGR 将达到 17.4%。虽然我国主流激光器专业厂商收入仍处于较 低水平，但近年来我国光芯片产业已进入迅速发展期，产品线布局、良率、市场规模 都取得了较快增长。

1）接入网市场：国产化完成替代，逐步走向创新引领

在 2009~2018 年长达十年的宽带接入市场快速发展中，中国已经成为全球最大规模的 光纤宽带接入市场，全球宽带接入占比高达 60%。用于接入网 PON 模块的 10G 及以下 速率的光芯片已可实现近乎 100%的供应能力，但 EML 相关依然需要进口，且因个别 客户对于芯片品牌的要求，日、美、韩等地领先的光芯片厂商依然占据一定的位置， 但份额逐年下滑。而随着我国率先进入千兆入户时代，我国光芯片产业有望进一步面 向下一代光接入网市场推出创新的光芯片解决方案。

2）5G 承载网络：前传国产化创新能力稳步提升

2020 年，我国 5G 基站进入大规模部署，我国光芯片、光模块厂商在 5G 前传光模块 的批量供应链条取得了长足的发展，并率先实现了新型标准的开发配套和批量商用。从当前的情况来看，10G DFB 激光器芯片、PIN PD 探测器芯片、VCSEL 芯片均已经实现 了完全国产化替代，可以实现千万级规模化量产。而受益于中国 25G 光模块的规模招 标应用，国产化 25G DFB 激光器芯片也实现规模化批量生产，量产良率及后续市场开 拓有待进一步突破。

25G PIN PD 探测器芯片方面，也有不少国内厂商在 2020 下半年完 成批量化供货。值得一提的是，助力 5G 建设，以源杰半导体、海信宽带、光迅科 技、敏芯半导体、中科光芯等国产化光芯片厂商陆续完善产品线，并率先推出 CWDM、MWDM、LWDM 等激光器芯片方案。尤其是在 25G MWDM12 DFB 激光器方 面，源杰半导体更是成为 2020 年度唯一一家实现批量商用的厂家。一定程度上，也 代表了国产化光芯片依靠强大的市场需求，进一步完善自身的创新能力。

3）数据中心市场：国产化替代下一个重要目标

数据中心市场是一个技术迭代速度很快的市场，普遍 3-5 年一个代际，因此，带给国 内光芯片企业更多的挑战，企业研发团队能否在 3 年内突破新技术存在极大的不确定 性，而市场迭代速度的加快，则让新兴企业追赶更加困难。因此，这一市场中的 25G EML 以上芯片几乎 95%由国际巨头芯片企业所垄断。当前重庆凌越光电，深圳斑 岩电子从 25G EML 起步，但能否实现批量出货还有待市场的验证。25G 光芯片是 100G 及以上光模块的核心芯片之一，激光器方面，源杰半导体、三安 集成、敏芯等多家企业重点布局这一领域，源杰半导体率先推出 25G CWDM4 DFB 激 光器芯片并于 2020 年实现了批量供货并获得了客户的认可，随后敏芯、三安集成也 于去年底宣布实现批量出货。

与此同时，更多厂商开始布局外调制方式的 EML 激光器 的研究，光安伦也在 2021 年 8 月宣布推出 25G EML 激光器，我们预计在 2022 年将会 看到国内厂商在这一领域更多的突破；25G PIN 探测器芯片方面，芯思杰、三安集成 于 2020 年下半年开始向客户批量交付，苏纳光电，光森电子等也相继宣布实现小批 量；25G APD 方面，SiFotonics 则独占鳌头，芯思杰，敏芯等也于 2020 年正式发布了 相应的产品。在 25G VCSEL 芯片方面，华芯半导体、三安集成、长瑞光电、博升光 电、仟目激光也已经率先实现了批量供应的局面，并同时在布局 50G VCSEL，2021 年 年底前推出相应的样品。

高功率光纤激光器芯片市场：国产替代进入加速期

1. 原理 高功率光纤激光器，是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言的，是在 光纤技术和激光泵浦原理基础上产生的新一代固态激光器，是 21 世纪最先进和最高 效的激光器。近年来，随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的成 熟发展，高功率光纤激光器的高转换效率和高输出功率正在引起激光技术产业新的革 命。相比较传统的固体激光器，光纤激光器具有高光电转换效率，良好的激光束质 量、全固态结构以及散热方便等方面的优点，在许多应用领域具有广阔的发展前景。

光在光纤中的全反射传输现象在很早就已被发现，早期的光纤由于损耗较大（约 1000 dB/km），除了用于医疗器件中的成像元件外，很难在长距离下使用。20 世 纪 70 年代，光纤的损耗下降到 20 dB/km，目前制作的通信光纤的损耗在 1.55μm 波长已下降到 0.1 dB/km，这一进展带动了光纤通信革命性的变化。20 世纪 80 年 代，采用单模激光二极管作泵浦源，在单模光纤中获得数十毫瓦的激光输出，其 中工作波长为 1550nm 的掺铒光纤放大器成为光通信中十分有用的信号放大元 件。由于单模光纤纤芯直径十分细小，一般在 10μm 以下，要将更大的功率注入 到光纤纤芯中在技术上遇到了困难，为此，1998年出现了双包层光纤，它可以保 持细小的纤芯尺度，而使抽运光进入数百微米量级的内包层中。这一技术上的突 破式光纤激光器的输出功率在十余年内迅速上升。

光纤作为导波介质，纤芯直径小，纤芯内易形成高功率能量反转密度，可方便地 与目前的光纤通信系统高效连接。此外，光纤激光器具有高转换效率、低阈值、 高增益、输出光束质量好和窄线宽等特点：由于光纤可以很好的缠绕在一起，使 得激光器可设计得小巧便携、结构紧凑、高度集成；由于光纤具有很高的“表面 积/体积”比，系统自身散热效果好，所以光纤激光器只需简单的风冷就可以在-20～70℃的环境温度内工作，而且可以在环境恶劣的条件下工作，如在高冲击震 荡、高环境温度、高 PM 值的条件下正常运转；此外，光纤激光器具有相当好的 可调谐参数和选择性，能获得宽调谐范围和相当好的单色 性和高稳定性，平均无故障工作时间在 10kh 甚至 100kh。拥有众多令人瞩目的优 点，使得光纤激光器已在光纤通信、传感、工业加工、国防和军事等领域取得广 泛应用。

与其他类型的激光器一样，光纤激光器由增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分组成。光纤激光器使用纤芯中掺杂有稀土元素的有源光纤作为增益介质。一般采用半导体激 光器作为泵浦源。而谐振腔则一般利用反射镜、光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等 器件构成。具体工作过程为：在工作状态下，有源光纤（增益光纤）通过吸收泵源提供的能量，经有源光纤和光纤光栅组成的谐振腔激励放大后输出激光。

种子源：又称信号源，是激光放大系统中辐射放大的对象，提供低功率信号的激 光作为“种子”让放大系统依照这个“种子”的状态进行放大。有源光纤：有源光纤作为增益介质，在光纤激光器中的作用为实现将泵浦光到信 号光的能量转换实现放大作用。无源光纤：无源光纤主要实现光传输的作用，不参与波长的转换。在光纤激光器 系统中，主要有光纤光栅、光纤隔离器中的无源匹配光纤和激光传能组件中的无 源多模大芯径传能光纤等。目前国内供应商的无源光纤产品已基本完全可以满足 生产需求，仅少量用于超高功率产品的无源光纤依然需要使用进口光纤。光纤激光器各组成部分均由多个核心光学器件制作而成，核心光学器件的技术水 平直接决定了光纤激光器输出的激光功率水平和性能参数，光学器件占光纤激光 器成本 60%以上。

2. 分类-按系统结构：单振荡器结构与 MOPA 结构光纤激光器

得益于光纤激光器件能力的提升，特别是光纤布拉格光栅（FBG）功率负载能力的提 升，近年来基于单振荡器构型的高功率连续光纤激光器输出功率不断提高，从早期的 500 W 到 750 W，再到目前的 6-8kW。功率的大幅提升使其在激光切割、焊接、熔覆 及 3D 打印等先进制造领域得到广泛应用。采用单振荡器构型的好处在于激光器结构较为简单，且系统抗反激光能力更强。而当 激光器功率进一步提升，或者对光谱、偏振态等特性有更复杂的要求时，这就需要采 用 MOPA 构型。MOPA（Main Oscillator and Power Amplifier）中文全称为主振荡器加功 率放大器，是相对于单振荡器构型而言的一种激光器构型，特指基于电调制种子源加 一级或多级功率放大器的光纤激光器。国外代表性厂商有 SPI，国内代表厂商有杰普 特、光至科技。

MOPA 构型是激光器设计上难度与复杂度权衡的结果。基于单振荡器构型去实现 激光器所有输出指标，过于困难或者根本做不到；增加放大器，加大了激光器的 复杂度，却缓解了难度瓶颈。在高功率激光器设计时，通过 MOPA 结构可将功率 提升和参数控制的难度分散在振荡器和放大器中。也就是说，振荡器主要关注除 功率外的频域和时域参数的调控，功率放大则主要由单级或多级放大器来完成。换言之，激光器除功率外的主要性能基本上是由振荡器决定；（报告来源：未来智库）

高反射材料切割和焊是激光加工的一大难题，因为高反材料通常对光纤激光的吸 收率很低，而且吸收的热量很快会扩散，这对激光加工就造成了很大难度；同 时，激光照射到这些高反材料上，大部分能量会被反射出去，反射的激光有可能 会返回激光器内部，在加工过程中出现出光不稳定、或停止出光现象，甚至还会 对激光器造成很大的损伤，缩短激光器的寿命。这些原因导致长期以来，高功率 工业用光纤激光器均采用单腔模块而不使用主震荡功率放大器的结构。但是近年 来，人们通过采用特殊手段对工业加工中产生的反向光信号进行滤除处理之后， 也成功地将 MOPA 连续光纤激光器应用于激光切割、焊接等领域。目前工业级 MOPA 结构单模组连续光纤激光器的输出功率已达 10-20kW。

来源：光通信PRO

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