隨著光電半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的核心元器件,光電子器件(光芯片)已經(jīng)廣泛應用于通信、工業(yè)、消費等領域。
光芯片包括CCD、CIS、LED、光子探測器、光耦合器、激光芯片等多種類型。如果按照是否發(fā)生光電信號轉化分類,光芯片可分為有源光芯片和無源光芯片兩類,有源光芯片包括發(fā)射芯片和接收芯片,無源光芯片包括光開關芯片、光分束器芯片等。下面主要分析一下有源光芯片,如激光芯片和光子探測芯片等的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況。
有源光芯片,特別是激光芯片,主要用于工業(yè)(高功率激光芯片)、通信(高速率激光芯片),另外,VCSEL和硅光芯片處于成長期,未來有更廣闊的發(fā)展空間。
在光通信領域,光芯片是光模塊發(fā)射、接收組件的核心元器件,分別實現(xiàn)電信號向光信號、光信號向電信號的轉換,決定著光模塊的傳輸速率。在工業(yè)應用中,光芯片同熱沉、光束整形器件等組成光纖激光器、固體激光器的泵浦源,為激光器內(nèi)的工作介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉提供能源。在消費類應用中,光芯片已廣泛應用于3D傳感(手機、汽車)等場景,以車載激光雷達為例,光芯片是發(fā)射端和接收端的核心器件,決定著激光雷達的探測距離、分辨率等關鍵性能。
與大規(guī)模集成電路已形成高度產(chǎn)業(yè)鏈分工相比,光芯片行業(yè)尚未形成成熟的設計-代工-封測產(chǎn)業(yè)鏈。國際頭部光芯片廠商,如 II-IV、Lumentum等,多為IDM模式,之所以如此,主要原因在于光芯片主要采用特色工藝制造,其芯片制造技術門檻較高,且產(chǎn)線難以實現(xiàn)標準化,廠商采用IDM模式可以實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化,同時滿足客戶多樣化的需求。
中國光芯片發(fā)展現(xiàn)狀
目前,中國本土的高功率激光芯片、部分高速率激光芯片(10G、25G等)等已處于國產(chǎn)化加速突破階段,而光探測芯片、25G以上高速率激光芯片剛剛起步,本土化還有較長的路要走。
廠商方面,中國本土光芯片企業(yè)主要關注工業(yè)/國防等高功率應用,這也是它們主要的營收來源,因此,在高功率激光芯片方面,本土企業(yè)具備與II-VI、Lumentum等國際大廠進行競爭的能力。但在光通信、消費類應用領域,與國際大廠差距較大,是下一步努力的重點。光通信市場空間廣闊,同時,光通信、VCSEL等光芯片制造工藝與高功率激光芯片工藝復用程度較高,中國本土企業(yè)可以基于自身技術積累切入。
下面具體看一下中國本土企業(yè)在高功率激光芯片、光探測芯片、VCSEL和硅光芯片方面的發(fā)展情況。
高功率激光芯片
美國和歐洲在高功率激光芯片方面的產(chǎn)業(yè)化起步較早,技術上具備領先優(yōu)勢,傳統(tǒng)巨頭包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等。近些年,中國本土激光芯片技術不斷突破,相關產(chǎn)業(yè)處于快速發(fā)展期,主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、華光光電、度亙激光、深圳瑞波等。據(jù)長光華芯招股書測算,2021年,長光華芯、武漢銳晶在國內(nèi)高功率激光芯片市場中的份額分別為13.4%和7.4%。
本土企業(yè)的產(chǎn)品力一直在提升,以長光華芯為例,該公司成立于2012年,成立之初研發(fā)出13W以上高亮度單管芯片,2019年推出15W單管芯片,2020年推出18W、25W單管芯片,2021年實現(xiàn)了30W單管芯片量產(chǎn),目前,其產(chǎn)品正在向更高功率水平持續(xù)迭代。
25G及以下光芯片方面,我國已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,特別是在10G芯片方面,源杰科技等本土企業(yè)已在部分細分市場取得領先份額,但技術門檻較高市場仍依賴進口,25G以上市場是國產(chǎn)化薄弱環(huán)節(jié),據(jù)IDC統(tǒng)計,25G光芯片的國產(chǎn)化率約為20%,25G以上的國產(chǎn)化率只有約5%。近些年,中國本土企業(yè)在5G基站前傳光模塊用25GDFB激光芯片方面有所突破,用于數(shù)據(jù)中心的光模塊企業(yè)開始使用國產(chǎn)的25GDFB激光芯片。
長光華芯等公司已切入銳科激光、創(chuàng)鑫激光等頭部光纖激光器廠商供應鏈,推動對II-VI、Lumentum 等海外廠商進口替代的步伐。未來,隨著國產(chǎn)更高功率產(chǎn)品的導入,以及新建產(chǎn)能的落地,有望加速國產(chǎn)份額提升步伐。
光探測芯片
光探測芯片廣泛應用于手機、光通信、智能家電(如掃地機器人)等應用場景,隨著車載激光雷達產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,光探測芯片作為激光雷達接收端核心元器件,有望迎來新的發(fā)展機遇。
在技術方案層面,目前,APD是主流方案,F(xiàn)irst-sensor、濱松和Kyosemi是行業(yè)前三廠商,三家市占率達到45%。比APD更先進的技術方案是SPAD/SiPM,對比APD,SPAD/SiPM具有更強的探測靈敏度,同時,SiPM為陣列形式,更易于與陣列光源相匹配,且更易與CMOS工藝集成,從而降低成本。因此,SPAD/SiPM有望成為激光雷達接收端芯片的未來發(fā)展方向。不過,SPAD/SiPM技術難度大,進入門檻高,全球SiPM市場主要被安森美、濱松、博通等頭部企業(yè)把持著,合計市占率達到83%。
目前,中國本土企業(yè)在光探測芯片領域的市占率較低,主要原因在于沒有完整的生產(chǎn)加工體系。中國在光通信用APD/PIN市場已實現(xiàn)國產(chǎn)化突破,相比之下,本土企業(yè)尚未在 SPAD/SiPM市場形成量產(chǎn)能力。
據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展路線圖(2018-2022 年)》統(tǒng)計,中國SPAD等光芯片發(fā)展高度依賴生產(chǎn)工藝及封裝測試,在SPAD領域做的較好的安森美,CIS/CCD主要玩家佳能、索尼等國際大廠,擁有大批量封裝測試經(jīng)驗和能力,然而,中國本土相關企業(yè)生產(chǎn)工藝還未成熟,且缺少本地優(yōu)質(zhì)代工平臺,在芯片流片加工方面嚴重依賴美國、新加坡、德國等國家的代工廠,再加上熟悉相關工藝的技術人員稀缺,造成關鍵技術發(fā)展緩慢、芯片研發(fā)周期較長、效率較低等局面。
不過,中國本土市場和相關企業(yè)也有自身優(yōu)勢,與國外大廠相比,國內(nèi)光探測芯片廠商在產(chǎn)品的定制化上有較好的靈活性,價格也有一定的優(yōu)勢,未來,隨著在產(chǎn)品、技術上不斷突破,有望推進國產(chǎn)替代進程。
目前,中國本土企業(yè)對于光探測芯片方案的選擇較為分明。以光迅科技、光森電子、三安光電為代表的公司選擇傳統(tǒng)成熟的PIN-PD、APD方案,產(chǎn)品多應用于光通信,而以芯視界、靈明光子、阜時科技為代表的創(chuàng)業(yè)型公司則更多地選擇布局代表未來發(fā)展方向的SPAD/SiPM方案,而且,國產(chǎn)SPAD/SiPM產(chǎn)品已經(jīng)開始應用于消費電子、激光雷達、AR/VR、醫(yī)療等領域。另外,還有中國本土企業(yè)在單項產(chǎn)品力上領先國際的案例,例如,靈明光子的產(chǎn)品在波長905nm處的單光子探測效率(PDE)達到25%,超過行業(yè)平均水平(5%~18%)。
VCSEL
隨著VCSEL功率密度等關鍵性能持續(xù)提升,有望成為半固態(tài)/固態(tài)激光雷達發(fā)射端核心元器件。
與LED、EEL等光源相比,VCSEL激光器具有許多優(yōu)勢,例如量產(chǎn)成本低,波長穩(wěn)定性高(溫漂?。?,易于二維集成,低閾值電流,可高頻調(diào)制,沒有腔面閾值損傷等。Yole發(fā)布的相關報告顯示,自2017年蘋果在iPhoneX中引入3D傳感功能以來,VCSEL在消費電子應用領域快速發(fā)展,主要應用逐漸由850nm器件的高速數(shù)據(jù)通信轉向940nm器件的3D傳感應用。
目前,國際大廠Lumentum、II-IV憑借技術優(yōu)勢主導VCSEL芯片市場,據(jù)Yole統(tǒng)計,Lumentum、II-IV兩家公司在2021年的市場合計份額超過80%。生產(chǎn)模式方面,Lumentum將外延環(huán)節(jié)外包,II-VI自產(chǎn)外延片。
中國本土傳感應用類VCSEL芯片企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、檸檬光子、博升光電、瑞識科技等,大多數(shù)是創(chuàng)業(yè)型公司,VCSEL芯片量產(chǎn)能力有限,與國際大廠之間還有明顯差距。不過,憑借后發(fā)優(yōu)勢,這些中國本土企業(yè)正在努力趕上國際先進技術和產(chǎn)品發(fā)展腳步,并通過多種方式提升自身競爭力,例如,采用IDM 模式,用以打造核心競爭力。
硅光芯片
硅光芯片是基于硅晶圓開發(fā)出的光子集成芯片,在尺寸、速率、功耗等方面具有獨特優(yōu)勢,可廣泛應用于光通信、數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療檢測、自動駕駛、國防等領域,其中,光通信是硅光芯片最主要的應用市場。
硅光芯片具有高集成度、低成本等特點,在光子集成化背景下,具有廣闊的發(fā)展前景。
目前,全球硅光技術及產(chǎn)業(yè)化領先的玩家主要包括英特爾、思科和Inphi,近些年,思科、華為、Ciena、Juniper等知名企業(yè)紛紛通過收購來布局硅光技術,Marvell、思科、諾基亞等斥資百億美元先后收購 Inphi、Acacia、Elenion 等硅光領域的創(chuàng)新企業(yè)。英特爾和臺積電都在大力開發(fā)硅光子制造工藝技術,已經(jīng)形成較為完整的硅光芯片產(chǎn)業(yè)鏈。
中國在硅光芯片研究方面與國際先進水平處于同一起跑線,科研進展也相當,但在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈配套建設方面,中國本土企業(yè)與國際大廠仍有差距。
作者:暢秋