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硬科技复兴联盟研究报告硬科技复兴联盟研究报告 之之 光通信芯片 2020 年年 12 月月 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 1 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 目目 录录 第一章 专业术语.4 第二章 入围硬科技复兴联盟榜.6 第三章 光通信芯片产业全景图.7 第四章 产业概述.8 一、产业综述.8 二、技术综述.10 三、产业发展逻辑.13 四、2020 产业大事件.17 第五章 产业 KnowHow.20 一、光通信的传输速率.20 二、激光器芯片的分类维度.21 三、激光器发光原理受激辐射.22 四、激光器芯片超频.22 五、光通信的波长.23 六、单模 vs 多模.24 七、主要芯片材料.25 八、激光器和光模块封装形态.26 九、波分复用.27 十、彩光 vs 灰光.27 第六章 产业链构成.29 一、产业构成.29 二、产业链厂商.29 第七章 市场空间.32 一、光通信芯片属于光通信设备核心.32 二、光芯片市场规模测算.34 第八章 产业竞争格局.36 一、光模块.36 二、有源光芯片.36 三、无源光芯片.37 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 2 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 四、电芯片.37 第九章 硬科技复兴者联盟之“光通信”.38 一、复兴者联盟之“激光器芯片”.38 二、复兴者联盟之“探测器芯片”.40 三、复兴者联盟之“VCSEL”.41 四、复兴者联盟之“光无源芯片”.43 五、复兴者联盟之“电芯片”.44 六、复兴者联盟之“硅光芯片”.46 第十章 投资机会.48 一、产业环节不匹配的机会.48 二、国产替代的机会.49 三、技术升级机会.50 四、出海并购，市场换技术的机会.51 五、下游客户绑定机会.52 六、IDM 是值得考虑的投资模式.52 关于“创道硬科技研究院”.54 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 3 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 前言前言 目前服务器 10G 以上都是光口，而且服务器一般业务网口 10G 起步了，只有管理口会用 GE 电口。现在如果去数据中心看一圈，密密麻麻的光纤，以前用网线钳捏水晶头的手艺，橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕啥的，基本要失传了 Intel 服务器事业部吴胖胖 现在都说 5G 耗电，这是一叶障目不见泰山，跟 2G 时代比当然费电，但 2G网络带宽是渣渣啊，应该考虑的是能耗和效率比。除了空口，光通信也大大提升了能效比，如果当前固定网络还是纯电信号传输，要实现高速率、长距离数据传输，估计很快国家电网就要对三大运营商“债转股”了 中国移动广东分公司网维康哥 5G 之后的光通信行业还会不会持续向上？这个问题明显超纲了，电信运营商的日子都一天不如一天了，我们上游供应商也得看天吃饭，别的不说，你们大北邮的毕业生还有兴趣跳进这个坑么？不闲聊了，得去打探年底的 5G 三期招标进展了 某光模块厂 Sales 刚哥 激光的频率和信号传输速率的关系？激光是载波啊，波长 850nm 的激光频率多高？3.53105GHz！跟 25G 的信号传输速率不是一个量级的 北邮光纤通信原理恨铁不成钢的赵老师 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 4 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 第一章第一章 专业专业术语术语 术语术语 解析（解析（阅读阅读专业术语专业术语是一个好习惯是一个好习惯）FTTHFTTH Fiber To The Home，光纤到户，通过光纤实现宽带接入到家庭 LDLD Laser Diode，半导体激光器，采用半导体材料作为增益材料的一种二极管激光器，也被称作激光二极管 PDPD Photo Detector，光探测器，探测感知光信号，并转化为电信号 FPFP Fabry-Perot，法布里-珀罗激光器，LD 内有法布里-珀罗谐振腔，发出多纵模相干光，主要用于低速率短距离传输 DFBDFB Distributed-FeedBack，分布反馈激光器，III-V 族半导体材料激光器芯片，在多量子阱（MQW）有源层嵌入了纳米级的布拉格光栅，具有单一波长激光输出 VCSELVCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面发射激光器，垂直于衬底面射出激光的半导体激光器，用于提供红外激光光源 D DMLML Directly Modulated Lasers，直接调制激光器，将调制信号电流叠加到激光器的偏置电流上对激光器进行调制，发射出载有信号的激光 EMLEML Electlro-absorption Modulated Laser,电吸收调制激光器，同一半导体芯片上集成激光器光源（DFB）和电吸收外调制器 PINPIN Positive-Intrinsic-Negative，P 型半导体-杂质-N 型半导体光电二极管，光电探测器的一种 APDAPD Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管，利用光电流的雪崩倍增效应提供增益的特性而设计的光电二极管 TOSATOSA Transmitter Optical Sub-Assembly，光发射次组件，将电信号转化成光信号组件，核心器件为激光器芯片（DFB/VCSEL/EML）ROSAROSA Receiver Optical Sub-Assembly，光接收次组件，接收光信号并转化为电信号的组件，核心器件为光探测器芯片（PIN/APD）OSAOSA Optical Sub-Assembly，光次模块，TOSA、ROSA 的统称 CDRCDR Clock and Data Recovery，时钟和数据恢复，从接收到的信号中提取出数据序列，并且恢复出与数据序列相对应的时钟时序信号，从而还原接收到的具体信息 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 5 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 TIATIA Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器，利用光信号转换得到的电流，进一步转换为电压信号 LNLN Limiting Amplifier，限幅放大器，对于输入信号进行限幅，弱信号增强，强信号减弱 LDLD DriverDriver Laser Diode Driver，激光器驱动芯片，驱动激光器发射一定频率激光 PLCPLC Planar Lightwave Circuit，平面光波导，光波导位于一个平面内，基于 PLC 的器件包括：分路器、星形耦合器、可调光衰减器、光开关、光梳和阵列波导光栅等 AWGAWG Array Waveguide Grating，阵列波导光栅，用于波分复用 WDM 系统，把许多波长的光复合到单一的光纤中传输 WDMWDM Wavelength Division Multiplexing，波分复用，在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术 CWDMCWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗/稀疏波分复用，CWDM 具有更宽的波长间隔，业界通行的标准波长间隔为 20nm DWDMDWDM Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用，波长密度相对 WDM 更高在15301565nm 的波段中，分出 32 个或更多的波长 EDFAEDFA Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器，信号通过的纤芯中掺入了铒离子 Er3+的光信号放大器 NRZNRZ Non-Return-to-Zero，不归零编码，用高、低两种信号电平来表示传输信息 PAMPAM4 4 4 Pulse Amplitude Modulation，四电平脉冲幅度调制，一种调制技术，采用 4 个不同的信号电平来进行信号传输 SiPSiP Silicon Photonics，硅光子技术，以硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过 CMOS 技术集成光学器件和电学器件 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 6 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 第二章第二章 入围入围硬科技复兴联盟榜硬科技复兴联盟榜 序号序号 公司公司 LOGO 上榜理由上榜理由 1 光迅科技 光通信领域芯片、器件、模块全链条行业龙头 2 华工科技 拥有华为、烽火大客户，10G 光芯片量产，25G光芯片即将自主供货 3 光库科技 收购 Limentum 高速调制器产线，横向业务拓展 4 索尔思 25G EML 光芯片已实现出货，华西股份收购中 5 陕西源杰 12 波 25G MWDM 激光器芯片量产 6 傲科光电 光通信电芯片新秀，全球第一款 400G 驱动芯片 7 飞昂光电 中国高速光互连收发芯片的领军企业 8 赛勒科技 依托中科院上海微系统所，推出单通道100Gbps PAM4 集成硅光芯片 9 仕佳光子 科创板首家光无源芯片上市公司 10 纵慧芯光 光通讯专用 VCSEL 芯片，华为战略投资 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 7 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 第三章第三章 光通信芯片产业全景图光通信芯片产业全景图 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 8 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 第四章第四章 产业概述产业概述 一、一、产业综述产业综述 光通信是以光波为信号载波、以光纤为传输介质的通信方式，也就是我们俗称的“光纤通信”。光通信已经成为当前主流的固定网络通信方式，从宽带接入角度看，我国光纤宽带用户数量占比已经超过 91%，数据中心通信、电信固网通信领域“光进铜退”趋势明显，以 ADSL、Cable 为代表的等铜缆通信正在逐步被光纤通信所取代。光通信技术架构光通信技术架构 光通信系统中传输的信号类型为光信号，按照信号传输流程分为：光信号产生、光信号调制、光信号传输、光信号处理、光信号探测、光电信号转换。目前 IT 系统设备能够直接处理的信号都是电信号，光通信系统中，信号源为电信号，信号传输载波为光信号，接收端进行处理的信号为电信号，因此光通信系统中需要进行数次光-电转换。对光、电信号的处理是光通信芯片的核心，其中涉及到光信号产生的激光器技术（III-VI 族化合物半导体技术），光电转换的探测器技术（锗硅材料工艺），电芯片（CMOS 工艺），高速调制器（铌酸锂 LiNbO3），无源光芯片中的 MEMS技术，以及未来发展的硅基光芯片和电芯片的高度集成的硅光技术（SiP）等。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 9 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 光通信的应用领域光通信的应用领域 光通信广泛应用于 5G 通信（接入网、承载网、骨干网），数据中心通信，宽带数据通信等领域。光通信行业包含有光通信设备、光纤光缆、光模块、光器件、光芯片、电芯片等多个产业链环节。光通信芯片是光通信设备（模块/器件）中所需要的芯片统称，是光传输网络中对光信号进行放大、转换和传输的各类功能芯片，包括实现光信号产生、处理的光芯片光芯片；光信号调制、电信号处理的电芯片电芯片。光通信芯片是光模块和光器件的上游，是光通信传输系统的重要组成部分。光芯片光芯片 光芯片负责光信号生成、接收、处理和电-光转换的芯片，包括激光器芯片、探测器芯片、光调制器芯片、光放大器芯片、无源光芯片等。光芯片一般分为光有源芯片和光无源芯片，光有源芯片主要负责光信号产生、接收、变换和放大，光无源器件主要负责信号的传输。电芯片电芯片 电芯片是光通信系统中负责电信号处理的芯片，主要作用为驱动光信号、提升光信号效能、电信号处理等，主要包括激光器的驱动芯片 LD Driver，时钟恢复芯片 CDR、跨阻抗放大器芯片 TIA，限幅放大器芯片 LA，高速调制器驱动芯片，DSP，PAM4 芯片，串行/解串 SerDes，MCU，温度控制 TEC 芯片等。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 10 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 图：光/电芯片脑图 二、二、技术综述技术综述 光通信芯片光通信芯片 光通信芯片包括实现光信号产生、处理的光芯片；光信号调制、电信号处理的电芯片。光通信芯片是光模块和光器件的上游，是光通信传输系统的重要组成部分。光模块通常由光发射组件（TOSA，Transmitter Optical SubAssembly）、光接收组件（ROSA，Receiver Optical SubAssembly）、驱动电路和光电接口等组成，用于实现光-电信号的互相转换。与前文光通信系统架构流程对应，在信号发送端，TOSA 将一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器（LD）发射出相应速率的调制光信号（直调激光器），光信号耦合到光纤进行传输后，在接收端，ROSA 由光探测器（PD）将 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 11 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 接收的光信号转换为电信号，经跨阻放大器（TIA）放大后输出相应的电信号。LD、PD芯片与滤镜、陶瓷套管、金属盖等组件封装成OSA（TOSA、ROSA），再与 PCB、电芯片、结构件等封装成光模块。下图为一个典型的光模块的拆解图：图：光模块拆解图 核心芯片核心芯片类型及作用类型及作用 光芯片分为光有源芯片和光无源芯片：芯片类型芯片类型 典型产品典型产品 功能描述功能描述 光有源芯片 激光器芯片 VCSEL、FP、DFB、EML 等，激光光源，将电信号调制成光信号 探测器芯片 PIN、APD 等，探测光信号，将检测到的光信号转换成电信号 高速调制器芯片 将需要传输的电信号调制到光信号中（铌酸锂 LiNbO3 为主）光放大器芯片 EDFA、Raman 等，利用激光受激辐射原理，对光信号放大 光无源芯片 波分复用 WDM/CWDM/DWDM，将不同波长光信号合成一束在单根光纤中传输 光纤耦合器 用于实现光信号分路/合路，或用于延长光纤链路 光纤连接 光纤之间的连接器件，可重复热插拔，也称光纤活动接头 光开关 实现光路转换，对光信号进行通路的物理切换 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 12 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 光衰减器 使光信号功率按设定要求衰减，避免输入光功率超强而使光接收机产生的失真 光滤波器 使需要波长的光信号通过，过滤其他波长 电芯片通常有以下集中类别：芯片类型芯片类型 典型产品典型产品 功能描述功能描述 电芯片 激光驱动芯片（LD Driver）应用于直调激光器，LDD 驱动激光器发出强弱不同的光信号，构成数字世界的 0101010 跨阻放大芯片（TIA）置于光接收探测器之后，将探测器接收并转换成的电流信号，转化成数字系统中能够处理的电压信号 限幅放大芯片（LA）稳定信号幅度，平抑过强信号，补足过弱信号 时钟数据恢复芯片（CDR）从接收的数据信号中提取时钟信号 高速调制器驱动芯片 驱动高速调制器的芯片，将电信号调制到光信号中 DSP 电信号处理芯片 主要用于电信号的预处理、调制解调，如 PAM4 四阶脉冲幅度调制解调 串行/解串 SerDes 低速并行信号转化为高速串行信号 温度控制 TEC 驱动芯片 保证光器件工作温度稳定（保证性能、波长稳定、散热等）MCU 对光模块中的器件进行管理和监控，具备 ADC、I2C、通用定时器、存储等功能 硅光芯片 硅光芯片 硅基光芯片和电芯片的集成 光模块的通信原理光模块的通信原理 结合上面的光模块拆解光芯片、电芯片的功能，我们看一下光模块中的通信原理图，各元器件的功能不再详述：硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 13 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 不同不同激光器芯片的应用场景激光器芯片的应用场景 激光器类型激光器类型 工作波长工作波长 应用场景应用场景 优点优点 缺点缺点 VCSEL 垂直共振表面发射激光器 800-900nm 速率 155M-25G；短距 500m，如光纤到户、数据中心、3D 感测应用 线宽窄、功耗低、调制速率高，耦合效率最高，成本已大幅下降 线性度差，温度特性差 FP 法布里-泊罗激光器 1310-1550nm 速率 155M-10G；中距 40KM 谱线较窄，调制速率高，成本低 耦合效率低，线性度差，温度特性差 DFB 分布式反馈激光器 1270-1610nm 速率 2.5G-40G；长距 80KM 单纵模，谱线窄，调制速率高，波长稳定好 耦合效率低，成本高 EML 电吸收调制激光器 1310-1550nm 速率可达 100G；长距 80KM 调制速率高、稳定性好 成本高 三、三、产业发展逻辑产业发展逻辑 对于光通信整个行业来说，5G 和数通数通需求提升，是光通信产业发展的两条主线：5G 带动市场需求带动市场需求 5G 建设，接入网先行建设，承载网、骨干网同步推进。2019 年是 5G 元年，2020 年是 5G 建设起步之年，伴随着 5G 网络建设的推进，接入网、承载网、骨干网的前传、中传、后传网络升级和扩容，将对光通信行业带来直接的市场需求，硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 14 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 并带动上游光通信芯片的发展。未来 3-5 年将是 5G 建设的高峰期，每年建设的宏基站数量高达百万座，最终实现 700 万量级的宏基站规模。5G 架构在 4G 架构的基础上进行了升级，将 4G 原有 BBU 和 RRU 两级结构，演进成为 CU、DU 和 AAU 的三级结构，增加了前传和中传的光通信需求，需要引入基于 25G/50G 的无源 WDM、有源 WDM OTN/M-OTN、SPN、WDM PON 等光器件。5G 建设将新增光模块需求 5000 万只，每年光模块需求近千万只，下游网络建设的强盛需求，会带动下游通信光芯片行业的市场需求扩大。图：5G 接入网、承载网和骨干网的光通信 除了数量的提升，在光模块的性能需求上，由于 5G 网络的带来流量和速率的提升，对光模块速率的要求也相应提高，前传部分将从 10G 升级到 25G，承载网将从 10G、40G 升级到 100G，骨干网将从 100G 升级到 400G。5G 前将采用四种典型连接方式，光纤直连、波分复用（无源 WDM、半有源 WDM 和有源 WDM），适配不同的应用场景。小规模集中场景可采用光纤直连方案，设备简单，成本低，但对光纤资源消耗较大；密集区域场景，需引入波分复用方案，优势是容量大、节省光纤资源，缺点是成本高。半有源 WDM 方案将成为 5G 前传网络主流建设方案。网络方案网络方案 适用场景和特性适用场景和特性 光纤直连 应用于小规模集中场景，一般采用 25G 灰光模块，支持双纤双向和单纤双向两种类型，主要包括 300m 和 10km 两种传输距离，无需额外的传输设备，具备低延时、低成本优势，但对光纤需求巨大。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 15 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 无源 WDM 采用一对或一根光纤实现多个 AAU 到 DU 的连接，光模块应用于 AAU 和 DU设备，通过无源波分复用/解复用器件进行合分波，无需额外供电，但管理维护能力较弱。半有源 WDM 在 AAU 侧使用无源波分复用器以简化部署难度并降低成本，DU 侧使用有源设备通过光模块调顶等方式实现运维管理。有源 WDM 在 AAU 侧和 DU 侧均采用有源设备进行业务接入和传输，传输设备与无线设备管理界面清晰，支持完善的管理维护能力，但考虑到 AAU 侧的工作环境、室外设备供电等情况，成本较高，并存在时延和同步方面的 QoS 风险。资料来源：信通院第二版5G 承载光模块白皮书 数数通市场需求提升通市场需求提升 数据中心为代表的数通业务，是光通信产业发展的另一个驱动力。在数通市场中，光通信主要应用于数据中心内部交换机之间、服务器与交换机间的通信，数据中心不同机房间互联的通信，多个数据中心之间的互联通信。在数据中心内部互联以及数据中心互联（DCI，Data Center Interconnection）需求的推动下，光模块（及其对应的光芯片、光器件等）的需求会有较大幅的增加。数通领域的光通信也在不断升级，数据中心内部通信正在由 10G 和 25G 向 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 16 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 50G 和 100G 升级；数据中心之间的通信正在由 40G 和 100G 向 400G 升级。叠加云计算需求和 5G 大带宽低时延流量需求，以及当下流媒体、物联网、高清视频、企业数字化转型等对于数据存储的需求提升，超大规模数据中心建设是 IT 基础设施建设的趋势。Synergy Research Group 的新数据显示，截至 2020年上半年，全球大型数据中心总数较五年前翻了一番多,且目前共有 176 个数据中心在规划建设中，预计 2022 年，全球大型数据中心总数将分别达到 736 个。同时，根据 Cisco 的预测，全球数据中心的数据流量从 2016 年的 6.8ZB 增长到 2021 年的 20.6ZB，年复合增长率约为 25%。而光通信网络是承载数通业务数据流量的核心载体。未来大型数据中心将以 400G 为主，100G、200G 和 400G 光模块的渗透率将提升，驱动光通信芯片向更高速率和性能演进。同时，随着网络流量的增加，数据中心内部传统的三层网络架构（接入层、汇聚层、核心层）逐渐难以适应内部流量集中的趋势，如果继续使用传统的三层网络架构，核心和汇聚交换机的压力将大幅增大，网络架构的扁平化需求强烈。“东西向流量”取代“南北向流量”成为数据中心主要数据流量，超大规模数据中心将从传统的三层结构演进到叶脊式（LeafSpine）两层架构。与传统网络层相比，叶脊网络扩大了接入层、汇聚层与主机之间的连接数，每台脊交换机与每台叶交换机之间都要进行连接。叶脊式架构的扁平化网络结构，大大提高了数据传输的效率，同时也带来更多的连接需求，意味着服务器与交换机、交换机与交换机之间需要更多的高端光模块进行连接，带来高端光模块的需求大幅增加。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 17 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 四、四、2020 产业大事件产业大事件 仕佳光子科创板仕佳光子科创板 IPO 2020 年 8 月 12 日，河南仕佳光子科技股份有限公司正式科创板挂牌上市，股票代码：688313，募集资金总额 4.98 亿元。上市后最高市值 177 亿。仕佳光子聚焦光通信行业，主营业务覆盖光芯片及器件（PLC 分路器芯片、AWG 芯片以及 DFB 激光器芯片）、室内光缆、线缆材料三大板块，产品主要应用于骨干网和城域网、光纤到户、数据中心、4G/5G 建设等。硅光子平台提供服务硅光子平台提供服务 2020 年 5 月 30 日，重庆联合微电子中心（CUMEC）向全球发布“180nm全套硅光工艺 PDK（Process Design Kit）”，标志着联合微电子中心具备硅基光电子领域全流程自主工艺能力，并正式开始向全球提供硅光芯片流片服务。除了重庆联合微电子中心，国内走在前列硅光工艺平台还有中科院微电子所硅光子平台、和上海微系统与信息技术研究所硅光电子集成工艺平台等，都已经对外公布硅光芯片开发 PDK，并且可以提供 MPW 和定制化服务。中际旭创收购储翰中际旭创收购储翰 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 18 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 中际旭创 3.84 亿元收购“储翰科技”67.19%的股权，储翰科技成为中际旭创的控股子公司，纳入公司合并范围。储翰科技拥有完整光电器件产业链，业务涵盖光电器件和光模块研发及生产和芯片封装，主要产品有 OSA、10G、25G 光模块等，用于固网接入、电信通讯和数据通信等领域。公司拥有芯片封装、光电器件到光模块的完整产业链。华西股份控股索尔思华西股份控股索尔思 2020 年 6 月，华西股份公告，通过公司控制主体间接持有索尔思光电 54.68股权，为索尔思光电第一大股东，索尔思光电将纳入公司合并报表范围。目前项目审批尚在进展过程中。索尔思光电成立于 2016 年 8 月 4 日，是一家全球领先、提供创新且可靠的光通信技术和产品的供应商，其解决方案和产品被广泛应用于数据中心、城域网和接入网的通讯与数据连接。创业企业融资创业企业融资 2020 年 3 月，鲲游光电鲲游光电完成 2 亿元 B 轮融资，投资方包括愉悦资本、招银国际资本、元禾辰坤、临港智兆、华登国际、中科创星、元璟资本、昆仲资本、晨晖创投等知名投资机构。鲲游光电将继续聚焦 3D 成像系列、AR 及新型光学显示系列、5G 高速光通讯模块系列产品。2020 年 6 月，陕西源杰陕西源杰完成新一轮融资，投资方包括陕西先导光电集成、广发乾和、中信证券等。源杰半导体正式宣布实现 12 波 25G MWDM 激光器芯片量产。2020 年 2 月，源杰半导体与博创科技和 Sicoya 公司成立合资公司，业务领域为硅光模块，由源杰半导体提供 25G 激光器芯片。2020 年 6 月，纵慧芯光纵慧芯光获华为哈勃战略投资。纵慧芯光致力于高功率以及高频率 VCSEL 芯片（650nm 至 1000nm）、器件及模组等产品。2020 年 7 月，赛勒科技赛勒科技完成新一轮数千万元人民币融资，领投方为耀途资本。赛勒科技是一家硅光芯片及产品解决方案提供商，公司重点开发基于硅光子技术的高速率、小型化、低成本、低功耗的高速光通信芯片，旨在为数据中心、硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 19 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 无线 5G 网络、传输网等领域客户提供高性价比的光通信芯片解决方案，核心技术来自创始人在美国麻省理工学院和中科院的研究，及团队成员在该方向多年的深耕。2020 年 7 月，华兴激光华兴激光获 4000 万元投资，投资方包括无锡金投旗下金投领航和金投信安基金。华兴激光专注于化合物半导体光电子外延片研发和生产基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术制备以磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）为基底的不同结构和功能的半导体外延片。2020 年 9 月，杭州芯耘光电杭州芯耘光电完成近 4 亿元人民币的 B 轮融资，由中金资本领投，IDG 资本、浙创好雨基金、海通创新、浙大友创、恒晋资本跟投，现有投资方普华资本继续追加投资。芯耘光电主要从事高速模拟芯片、光电子产品的开发、生产、销售，面向云计算、高速链接和传输、5G 等领域提供整套解决方案。2020 年 9 月，微龛半导体微龛半导体完成数千万元 A 轮融资，投资方包括国中创投、复朴投资等。微龛半导体产品包括高速光通信（跨阻放大器）和高精度模拟信号链。2020 年 9 月，睿熙科技睿熙科技完成 2 亿元人民币 A+轮融资，投资方包括上海自贸区基金、鋆浩资本、燕创资本、普华资本、同渡资本等。睿熙科技聚焦 VCSEL芯片及衍生产品的研发及量产，定位高端芯片市场，目前产品覆盖消费电子、数据通信以及车载三大领域。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 20 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 第五章第五章 产业产业 KnowHow 一、一、光通信的光通信的传输传输速率速率 光通信中，我们通常所说的 1.25G、2.5G、10G、25G、40G、50G、56G、100G、200G、400G其中的“G”，并非指的激光器的光波频率“GHz”，而是调制器的调制频率“GHz”，或者说，应该是以光为载波的信号的传输速率“Gbps”。还有另一个常见问题，光通信领域，为什么经常说我国 10G 以下光通信产品国产化程度高，25G以上产品依赖进口，但却又经常看到很多国内大厂有100G、200G，甚至 400G 的产品？这里面的速率其实是对应的芯片、器件和模块而不同的。也就是说，光芯片的速率和光模块的速率是不一样的。对于单个激光器芯片而言，目前国内的技术水平，也仅有华为、源杰、索尔思等为数不多的企业能够量产 25G 水平产品，同样的，单个探测器芯片、配套光芯片也有传输速率的瓶颈。而我们通常所说的 100G、200G、400G，一般是针对光模块而言，比如 100G 光模块方案中，可以用 4 块 25G 激光器芯片，调制 4 路信号以实现 100G 传输速率。200G、400G 同理，400G 光模块，可以采用 8 通道 25G 激光器芯片，或者 4 通道 50G 激光器芯片。为什么单个芯片的速率提不上去？决定光芯片传输速率的是激光器开启与关闭的频率，频率越高，光芯片能够传输的速度越快。以高端的 25GB 光芯片举例，单个信号对应的时间仅为 0.04 纳秒，在这么短的时间内实现激光器的开关并不容易，制约速率进步的因素主要有寄生效应和驰豫振荡。对于传统的 III-V 族半导体激光器/探测器芯片，25G 已接近传输速率的瓶颈，进一步提升速率需要采用 PAM4、硅光子（SiP）等技术。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 21 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 二、二、激光器激光器芯片芯片的分类维度的分类维度 根据发光类型可分为 DFB，EML，VCSEL 三种 激光器芯片根据发光类型不同，即激光发射位置不同，分为面发射与边发射。面发射型激光芯片主要为 VCSEL（垂直腔面发射激光芯片）；边发射激光芯片主要包括 FP、DFB、EML 等。根据传输速率可分为 1.25G、2.5G、10G、25G、50G 受材料、工艺的限制，激光器芯片可支持的最大调制速率/信号传输速率也各不相同，其中 FP 激光器芯片支持最大传输速率为 10Gbps；DFB 激光器芯片传输速率一般为 25Gbps；EML 激光器芯片支持最大传输速率可达 100Gbps；VCSEL 激光器芯片支持最大传输速率一般为 25Gbps。根据调制方式可分为直调激光器和外调激光器 直接调制激光器，是将预调制的电信号电流叠加到激光器的偏置电流上对激光器进行调制，输出随调制信号而变化的光信号。常见的直调激光器包括 DFB、VCSEL。外调制激光器，是将激光器发射出的稳定激光束，注入 LiNbO3(铌酸锂）等晶体制成的外调制器上，用预调制的电信号加载到调制器上，输出激光随调制信号而变化的光信号。常见的外调激光器包括 EML。通俗来说，将电吸收调制器作为外调制方式与 DFB 集成一起，就构成了 EML 激光器。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 22 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 三、三、激光器发光原理激光器发光原理受激辐射受激辐射 激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光（激光）的一种器件。激光器的主要构成包括：泵浦源、增益介质（工作物质）和谐振腔(Cavity)三部分。泵浦源：源源不断地为增益介质提供能量激励，构成初始激光信号。增益介质：受激后产生光子从而生成并放大激光。谐振腔：由一对反射镜构成，其中一面为半反射镜（透射率 5%以下），光束在左右两片镜子之间来回反射，产生谐振效应，使光的能量谐振放大(Resonance)，最后透过半透射镜发射出激光。图：激光器受激辐射原理图 四、四、激光器激光器芯片芯片超频超频 所谓激光器芯片超频，同 CPU 超频道理类似，是近些年光模块低成本竞争而发展起来的一项技术，目的在于把低端激光器超频到高端，比如 10G 的激光器芯片超频工作于 25G，从而降低光模块整体成本。比如国内 XX 公司宣布完成的 100G AOC 超频设计，采用 4*10G VCSEL 激光器阵列完整替代 4*25G VCSEL 激光器阵列。利用 10G VCSEL 激光器芯片的成本优势，采用 10G 激光发射芯片搭载 25G LD Driver 芯片，在符合标准、满足客户要求的前提下，以最低成本来实现类似的通信功能。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 23 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 图：25G LD Driver 驱动 10G 激光器芯片 五、五、光光通信的通信的波长波长 光波长是连续的，而且范围非常广，但是光通信系统中采用光波长是有限的，并非所有光都可以用于光通信。一般只有 3 个常用的波长窗口，中心波长为850nm、1310nm、1550nm。但这并不代表光通信中的光信号载波只有这三个波长，这是三个波长窗口的中心波长。每个波长窗口中可以划分很多的子载波信道：之所以只有这三个波长窗口中的光被采用在光通信中，跟光在光纤中的传输特性有关，这三个波长的光比较适合在光纤中传输，光纤损耗小、抗色散、支持可靠的功率放大等。850nm 用在多模光纤传输；1310nm 抗色散最突出、衰耗指标也很好；1550nm 光纤损耗最低，还支持成熟的 EDFA 放大技术。850nm 是多模传输，1310nm/1550nm 是单模传输。850nm 传输距离较短，在 500 米以内。1310nm/1550nm 传输距离较长，1310nm 传输距离一般是 2-40 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 24 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 公里，1550nm 传输距离一般是 40-120 公里。VCSEL 激光器芯片产生 850nm 波长范围的激光；FP、DFB、EML 激光器芯片产生 1310nm/1550nm 波长范围的激光。每个激光器芯片的发射的光波长一般是固定的，需要不同波长的激光源，就需要不同的激光器模块来实现。六、六、单模单模 vs 多模多模 前面提到，850nm 是多模传输，1310nm/1550nm 是单模传输。这里的“模”指的是以一定角度进入光纤的一束光线，也是指的不同的光通信“路径”。支持单模传输的光纤称为单模光纤，支持多模传输的光纤称为多模光纤。单模光纤单模光纤：光纤直径小（9 或 10m），仅允许一个模式传输。因为色散小，所以适合长距离传输。多模光纤多模光纤：光纤直径大（50 或 62.5m），允许上百个模式传输。因为色散大，所以适合短距离传输。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 25 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 七、七、主要芯片材料主要芯片材料 光通信芯片主要作用是对光信号和电信号实现生成、转换、处理，需要用到诸多的半导体材料和其他材料，特别是用于激光器的 III-VI 族化合物半导体（磷化铟 InP、砷化镓 GaAs），锗 Ge、硅 Si 等第一代半导体，铌酸锂 LiNbO3 特殊材料，及用于硅光 MEMS 的硅 Si、二氧化硅 SiO2 材料等。典型产品典型产品 功能描述功能描述 InP 系列 高速直接调制 DFB 和 EML 芯片 PIN 与 APD 芯片 高速调制器芯片 多通道可调激光器芯片 GaAs 系列 高速 VCSEL 芯片（AlGaAs/GaAs）泵浦激光器芯片 Si/SiO2 系列 无源光芯片为主：PLC 芯片 AWG 芯片 MEMS 芯片 硅光 SiP 系列 相干光收发芯片 高速调制器、光开关等芯片 TIA、LD Driver、CDR 芯片 LiNbO3 系列 高速调制器芯片 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 26 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 有机聚合物(Polymer)光波导器件 八、八、激光器和光模块激光器和光模块封装封装形态形态 激光器 LD 的封装一般采用 TO-CAN（Transmitter Outliner-CAN）同轴封装和蝶形封装。光模块的封装主要包括：SFP/SFP+（Small Form-factor Pluggable）封装、XFP（10GB small Form-factor Pluggable）封装、QSFP+/QSFP28（Quad Small Form-factor Pluggable）封装、CFP(Centum Form-factor Pluggable)封装等。硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 27 创道硬科技研究院创道硬科技研究院 九、九、波分复用波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing），波分复用技术，是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，通过不同光信道沿着单根光纤传输；在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。在接收端，经解复用器(亦称分波器或去复用器，Demultiplexer)将各种不同波长的光信号分开，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。十、十、彩光彩光 vs 灰光灰光 彩光（Colored）是指不同波长的光混在一起传输，和 WDM 是对应的（所 硬科技复兴联盟研究报告之光通信芯片 2