最近几年，国产芯片面临“卡脖子”的危险。有专家讨论，中国要么沿着国外的技术路线打造国产芯片；要么另辟蹊径，开辟全新的赛道，实现弯道超车。显然，后一条路线更难。目前来看，这两条路线是并行的，而且各自有所突破。

国产光电芯片制造首次实现纳米级

9月14日晚，中国科学家在国际顶级学术期刊《自然》发表最新研究，首次得到了纳米级光雕刻三维结构，在下一代光电芯片制造领域获得了重大突破。这一重大发明未来或可开辟光电芯片制造新赛道，有望用于光电调制器、声学滤波器、非易失铁电存储器等关键光电器件芯片制备，在5G/6G通讯、光计算、人工智能等领域有广泛的应用前景。

据悉，南京大学张勇、肖敏、祝世宁领衔的科研团队，发明了一种新型“非互易飞秒激光极化铁电畴”技术，将飞秒脉冲激光聚焦于材料“铌酸锂”的晶体内部，通过控制激光移动的方向，在晶体内部形成有效电场，实现三维结构的直写和擦除。

这一新技术的难度在于，它突破了传统飞秒激光的光衍射极限，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从传统的1微米量级（相当于头发丝的五十分之一），首次缩小到纳米级，达到30纳米，大大提高了加工精度。

光电子产业明珠，下游应用广泛

光芯片是光电子领域核心元器件。光电子器件（国内简称光芯片）是全球半导体行业的一 个重要细分赛道，随着光电半导体产业的蓬勃发展，光芯片作为产业链上游核心元器件， 目前已经广泛应用于通信、工业、消费等众多领域。根据 Gartner 分类，光电子器件包括 CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等品类。光芯片作为光电子产业核心 元器件，按照是否发生光电信号转化，可分为有源光芯片、无源光芯片两类，有源光芯片 可进一步细分为发射芯片与接收芯片；无源光芯片主要包括光开关芯片、光分束器芯片等。 本篇报告中我们重点讨论激光芯片、光子探测芯片等有源光芯片的产业发展趋势、市场空 间以及国产化机遇。

全球光电子器件市场规模持续增长，2025 年市场规模有望突破 560 亿美元。光芯片涵盖工 业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用 VCSEL 等成熟应用，以及 车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域。我们认为在通信、工业等 领域的应用深化，以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展，光芯片市场规模有望持续增长。 根据 Gartner 数据，2021 年全球光芯片（含 CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、 激光芯片等）市场规模达 414 亿美元，预计 2025 年市场规模有望达 561 亿美元，对应期 间 CAGR=9%。

光芯片细分品类多，行业覆盖领域广。除上文中的按照有源/无源分类，光芯片还可以按照 材料体系及制造工艺的不同，分为 InP、GaAs、硅基和薄膜铌酸锂四类，其中 InP 衬底主 要包括直接调制 DFB/电吸收调制 EML 芯片、探测器 PIN/APD 芯片、放大器芯片、调制器 芯片等，GaAs 衬底包括高功率激光芯片、VCSEL 芯片等，硅基衬底包括 PLC、AWG、调 制器、光开关芯片等，LiNbO3 包括调制器芯片等。

光芯片目前已广泛应用于通信、工业、消费、照明等领域，下游市场不断拓展。例如在光 通信领域，光芯片是光模块光发射组件、光接收组件的核心元器件，分别实现了电信号向 光信号、光信号向电信号的转化，决定着光模块的传输速率；工业领域中，光芯片同热沉、 光束整形器件等组成了光纤激光器、固体激光器的泵浦源，为激光器内的工作介质实现粒 子数反转提供能源来源；消费领域中，光芯片已广泛用于 3D 传感（手机、汽车）等场景， 以车载激光雷达为例，光芯片是发射端、接收端核心元件，决定着激光雷达的探测距离、 分辨率等多个关键性能；照明领域方面，具体产品形态主要为 LED 等。

光芯片迎来发展机遇

半个世纪以来，微电子技术大致遵循着“摩尔定律”快速发展，随着信息技术的不断拓宽和深入，芯片的工艺制程已减小到 5nm 以下，但由此带来的串扰、发热和高功耗问题愈发成为微电子技术难以解决的瓶颈。

同时，在现有冯诺依曼计算系统采用存储和运算分离的架构下，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。此外，处理器与内存之间、处理器与处理器之间信息交互的速度严重滞后于处理器计算速度，访存与I/O瓶颈导致处理器计算性能有时只能发挥出10%，这对计算发展形成了极大制约。

电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，继续在电子计算技术范式上寻求突破口步履维艰。在面向“后摩尔时代”的潜在颠覆性技术里，光芯片已进入人们的视野。

光芯片，一般是由化合物半导体材料（InP和GaAs等）所制造，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号的相互转换。

微电子芯片采用电流信号来作为信息的载体，而光子芯片则采用频率更高的光波来作为信息载体。相比于电子集成电路或电互联技术，光芯片展现出了更低的传输损耗 、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力。

此外，光互联还可以通过使用多种复用方式（例如波分复用WDM、模分互用MDM等）来提高传输媒质内的通信容量。因此，建立在集成光路基础上的片上光互联被认为是一种极具潜力的技术，能够有效突破传统集成电路物理极限上的瓶颈。

进口替代星辰大海，国产化渐次突破

光模块、激光器、激光雷达等中下游环节国产化顺利，带动上游光芯片国产替代进程

光模块、光纤激光器、激光雷达等产业链中下游环节国产化进展顺利。目前我国光模块、 光纤激光器、激光雷达等下游细分领域已具备较强竞争实力，推动相关领域国产化进展持 续迈进。 光模块方面，根据 Lightcounting 于 2022 年 5 月发布的统计数据，2021 年全球前十大光模 块厂商，中国厂商占据六席，分别为旭创（与 II-VI 并列第一）、华为海思（第三）、海信宽 带（第五）、光迅科技（第六）、华工正源（第八）及新易盛（第九）；相比于 2010 年全球 前十大厂商主要为海外厂商，国内仅 WTD（武汉电信器件有限公司，2012 年与光迅科技 合并）一家公司入围，体现出十年以来国产光模块厂商竞争实力及市场地位的快速提升；

光纤激光器方面，根据由中国科学院武汉文献情报中心牵头编写的《2022 中国激光产业发 展报告》，国内市场前三大光纤激光器厂商中，IPG 市场份额由 2018 年的 49.0%下降至 2021 年的 28.1%，而锐科激光、创鑫激光市场份额由 2018 年的 17.3%/8.9%分别上升至 2021 年的 27.3%/18.3%，此外杰普特、飞博激光、GW 光惠、大族光子、热刺激光、凯普林等 国产品牌市场份额也进入前列，国产替代步伐持续迈进；

激光雷达方面，国内完善的汽车上游零部件/光通信产业链为激光雷达产业快速发展奠定基 础。根据 Yole 发布的《2021 年汽车与工业领域激光雷达应用报告》，截至 2021 年 9 月， 在全球公开的 29 个设计中标（design win）中，中国厂商共有 7 项激光雷达设计方案，其 中速腾聚创、览沃科技、华为和禾赛科技分别为 3/2/1/1 项，合计占全球方案总数的 23%， 是全球激光雷达市场重要参与者。

光芯片部分细分市场已处于国产化加速渗透阶段

在中下游的激光器及相关设备国产化进展持续推进背景下，光芯片作为上游核心元器件是 我国光电子领域国产化下一阶段亟需突破的重点环节。从国产化进展来看，当前我国高功 率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G 等）等已处于国产化加速突破阶段；而光 探测芯片、25G 以上高速率激光芯片仍处于进口替代早期阶段，未来国产化提升空间广阔。

中国光芯片产业的进展与出路

反观国内市场，近些年在下游需求大幅扩张的带动下，国内厂商通过技术研发、对外收购等多种方式尝试打造中国的光芯片产业。

工信部2017年底发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018—2022年）》指出，目前高速率光芯片国产化率仅3%左右，要求2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片国产化率突破20%。

从上图可以看到，国产高端光芯片的缺失给行业带来了巨大发展机会。在政策支持下，我国光芯片行业发展迅速。尤其近年来，国际局势不稳，国外断供国内芯片的事件频频发生，国产替代也便成为了近年国内半导体业界的热门话题，依靠国内部分光芯片龙头企业的不断发力，在50G/400G等PAM4光模块产品已经实现了较大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等产品，后续50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD DR4/FR4也将陆续发布。

据不完全统计，目前本土光芯片/光模块厂商主要有：芯思杰、瑞识科技、新亮智能、度亘激光、长瑞光电、立芯光电、源杰半导体、锐晶激光、索尔思光电、长光华芯、华工科技、光迅科技、新易盛、云岭光电、敏芯半导体、博创科技、中际旭创、纵慧芯光、曦智科技、剑桥科技、凌越光电、盛为芯等企业。

此外，国内通信龙头企业华为也在积极布局光芯片赛道。

据投资界信息，2012年，华为收购英国集成光子研究中心CIP Technologies，开启了光芯片领域的探索；次年，华为又出手收购一家比利时硅光技术开发商Caliopa，完善自身在光芯片领域的技术实力。

而后自2019年下半年开始，华为再次集中投资光电芯片企业，一度掀起国内光芯片投资热潮。今年3月，华为又投了另一家光电芯片企业——纵慧芯光。据不完全统计，截至目前，华为投资布局版图涉及十余家光芯片产业链相关企业。

2020年2月，华为还在伦敦发布了800G可调超高速光模块。据介绍，该产品支持200G-800G速率灵活调节；单纤容量达到48T，对比业界方案高出40%；基于华为信道匹配算法，传输距离相比业界提升20%。这款产品被应用在全系列的华为OptiXtrans光传送产品中，是华为光网络顶级竞争力的重要组成部分。

去年4月，华为还公布了一项关于光学芯片的专利，名为“耦合光的光学芯片及制造方法”，专利中不仅提供了一种用于在光学芯片与另一光学器件之间耦合光的光学芯片，同时还提供了制造这种光学芯片的方法，甚至还包含了对晶圆的切割、蚀刻。

一系列动作也能看到华为在光芯片赛道的专注与坚持。换句话说，华为确信光芯片是未来数据传输的技术之光。

虽然国产厂商进入该领域较晚，市场份额相对较小。但是通过近年来在技术上的快速追赶，国内已经掌握光芯片核心技术的厂商队伍不断壮大，与国外厂商在技术上的差距已经是越来越小。

据维科网产业研究中心的统计，过去八年间，国内光芯片市场规模已经从8亿美元攀升至20.8亿美元，年均复合增长率约17.3%。同时，根据我国在5G、数据中心、“西数东算”、“双千兆”网络的规划，预计2022年国内光芯片市场规模有望进一步扩大至24亿美元。

对我国而言，既要在传统赛道电子芯片领域尽快补短板，也要尽早在光子芯片等新赛道布局发力。双管齐下，努力抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇。

写在最后

光芯片，已成为当前业内关注的焦点，也是创投圈最吸金的赛道之一。

随着摩尔定律脚步的放缓，探索新的技术已经成为目前半导体领域的关键任务。将光子和集成电路的电子结合在一起，甚至是用光子替代电子形成“片上光互联”，以实现对现有光模块产业链的重塑，正成为半导体行业数个“颠覆式创新”中的重要方向之一。

文章来源： 未来智库，半导体行业观察，手机中国