隨著人工智能、大數(shù)據、云計算等新興技術的迅猛發(fā)展,信息技術正在經歷深刻革新。在這場"科技革命"中,光芯片扮演著至關重要的角色。作為集成光電路和電子電路于一身的創(chuàng)新器件,光芯片被視為新一代信息技術的關鍵支撐。

與傳統(tǒng)電子芯片相比,光芯片擁有更高的信號傳輸速率、更大的帶寬容量,能有效解決目前互聯(lián)網數(shù)據傳輸中的瓶頸問題。此外,光芯片還具有低功耗、抗電磁干擾等優(yōu)勢,在人工智能、量子計算等領域也擁有廣泛的應用前景。因此,掌控光芯片技術實力,將直接關乎一個國家在未來信息技術競爭中的地位和話語權。

目前,全球主要科技強國均將光芯片研發(fā)作為重點發(fā)展方向。中國作為新興科技大國,也意識到這一核心技術的重要性,并在光芯片領域取得了令人矚目的突破,為國家信息技術實力的提升注入了新動力。

中國團隊研制新型光集成芯片

2022年,中國科研團隊通過自主創(chuàng)新,成功研制出新型硅基光集成芯片。這款芯片實現(xiàn)了光電路系統(tǒng)的單芯片集成,將光波導、激光器、調制器、耦合器等多個光電元件集成在一個芯片上,大幅提升了光電路系統(tǒng)的集成度和能源效率。

新型硅基光集成芯片體積極小,僅有指甲蓋大小,但其信號傳輸速率卻可達100Gbps,是當前主流電子芯片的數(shù)十倍。與此同時,該芯片還具有極低的功耗,完全可滿足大數(shù)據、人工智能等新興技術對高速率、大帶寬、低能耗的迫切需求。

這項突破不僅打破了國外企業(yè)在光芯片核心技術領域的壟斷,也為中國信息技術的發(fā)展注入了新的動力源泉。目前,該芯片已在數(shù)據通信設備、人工智能系統(tǒng)等領域逐步推廣應用,并有望為5G、6G通信、智能家居、自動駕駛等多個領域帶來革命性的變革。


AI時代算力引擎加速智能應用普及

光子芯片能夠大幅提升計算能力,這對于AI等算力密集型應用至關重要。事實上,AI技術的高速發(fā)展很大程度上依賴算力的不斷升級。隨著深度學習等技術日益復雜,訓練所需算力正在指數(shù)級增長,對高性能計算芯片的需求與日俱增。

光子芯片極高的運算速度和能效,使其成為解決AI"饑渴癥"的理想之選。憑借超高的并行處理能力,光芯片可快速完成龐大的矩陣乘法、卷積等運算,進而高效訓練復雜的深度神經網絡模型。在實際應用中,光子AI芯片可為語音識別、自動駕駛、生物醫(yī)療等領域帶來大幅性能提升。

科技巨頭和學術機構都已看到了這一前景。谷歌、英特爾等公司紛紛加大了光子芯片的研發(fā)投入。如谷歌宣布斥資數(shù)十億美元打造光子AI加速芯片。麻省理工學院等機構也推出了多項光子芯片技術突破。行業(yè)分析認為,未來3-5年內或將面世商用光子AI加速芯片,進一步催生多元智能應用的大規(guī)模普及。


產業(yè)新高地孕育催生新興材料需求

光子芯片的崛起不僅影響科技前沿,也將重塑周邊產業(yè)生態(tài)。其中,對相關關鍵材料帶來了全新市場需求。鈮酸鋰就是制造光電集成芯片的核心材料,晶體結構特殊、折射率高,非常適合作為光波導使用。

目前,光電子器件對鈮酸鋰的需求約占全球總需求的三分之一左右。但伴隨著光子芯片研發(fā)的加速以及未來大規(guī)模應用,鈮酸鋰需求料將呈幾何級數(shù)增長。據業(yè)內專家測算,到2035年,全球鈮酸鋰需求可能攀升至約80萬噸,是目前的20多倍。

開發(fā)和儲備這一關鍵材料戰(zhàn)略資源已經成為全球科技產業(yè)鏈的新高地。除鈮酸鋰外,硅、氧化鎵、砷化鎵等多種光電功能材料在光子芯片制造中也扮演著重要角色,市場需求同樣面臨爆發(fā)。相關企業(yè)已開始布局資源,搶占未來產業(yè)制高點。


國產替代空間廣闊，下游應用多點開花

政策推動近年來相關政策頻出，國產替代迎來重要發(fā)展機遇。2017年《中國光電子器件產業(yè)技術發(fā)展路線圖（2018-2022 年）》中明確2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片國產化率超過 60%，提高核心光電子芯片國產化；2021年1月《基礎電子元器件產業(yè)發(fā)展行動計劃(2021-2023年）中提到重點發(fā)展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中提及到 2025 年，信息通信行業(yè)整體規(guī)模進一步壯大目標，光芯片作為通信底層基座，有望持續(xù)受益。


市場規(guī)模

全球市場規(guī)模：根據LightCounting數(shù)據，全球光芯片市場規(guī)模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元，CAGR為15.7%。

中國市場規(guī)模：中國光芯片市場2022年市場規(guī)模為7.8億美元，預計2025年增長到11.2億美元，CAGR為12.8%。國內光芯片市場中，2.5G/10G光芯片市場國產化程度較高， 據ICC數(shù)據，2021年2.5G國產光芯片占全球比重超過90%、10G國產光芯片占全球比重約60%；2021年25G光芯片的國產化率約20%，25G以上光芯片的國產化率約5%。

受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術的升級，光模塊作為光通信產業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長。同時近日AI引領算力爆發(fā)，光模塊作為AI背景下最直接受益、確定性最高品種，光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。

隨著信息技術快速發(fā)展，全球數(shù)據量需求持續(xù)增長。根據Omdia的統(tǒng)計，2017年至2020年，全球固定網絡和移動網絡數(shù)據量從92萬PB增長至217萬PB，CAGR為33.1%，預計2024年將增長至575萬PB，CAGR為27.6%。同時，光電子、云計算技術等不斷成熟，將促進更多終端應用需求出現(xiàn)，并對通信技術提出更高的要求。受益于信息應用流量需求的增長和光通信技術的升級，光模塊作為光通信產業(yè)鏈最為重要的器件保持持續(xù)增長。根據LightCounting的數(shù)據，2016年至2020年，全球光模塊市場規(guī)模從58.6億美元增長到66.7億美元，預測 2025年全球光模塊市場將達到113億美元，為2020年的1.7倍。光芯片作為光模塊核心元件有望持續(xù)受益。

相較普通攝像頭，3D傳感(包含雙目立體測距、結構光、TOF)可探測環(huán)境的深度特征，廣泛應用于消費電子領域。3D傳感攝像頭可實現(xiàn)人臉識別、手勢識別、三維建模等多項功能，可適用于移動設備、機器人、安防監(jiān)控等多種終端，人臉識別為當前3D傳感攝像頭最主流的功能。

VCSEL激光器多用于消費電子領域。與LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有許多優(yōu)勢，例如量產成本低，波長穩(wěn)定性高（溫漂小），易于二維集成， 低閾值電流，可高頻調制，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)據通信轉向940nm器件的3D傳感。

VCSEL 市場規(guī)模2022-2027 CAGR 約為19.2%。市場規(guī)模方面，據Yole統(tǒng)計，2022年VCSEL市場規(guī)模約為16億美元，預計2027年可達39億美元，5年復合增速為19.2%。競爭格局方面，Lumentum依舊為市場龍頭，2017-2021年均保持市場第一的份額，占42%左右。

激光雷達多種技術路徑并存，多品種光芯片有望切入賽道。若按使用的光波長來劃分，主要分為 905nm/1550nm。905nm激光器可搭配硅基光電探測器來接收激光，1550nm dToF方案需使用磷化銦材料體系的激光器（半導體激光器）和探測器；1550nm光纖激光器，種子源模組主要用脈沖式DFB激光器芯片。

VCSEL有望在激光雷達領域獲得更大的應用。2022年是激光雷達上車元年, 2023年激光雷達定點車型數(shù)量預計將大幅增加。據Yole測算，2027年激光雷達滲透率有望從不到1%增長到5%以上，激光雷達的出貨量可從2022年的22萬只快速增長至2027年600萬只。近年來VCSEL光源的功率密度和亮度實現(xiàn)了大幅提高，為其在車載激光雷達領域的應用提供可能，2021年禾賽科技和Lumentum合作發(fā)布業(yè)界首個基于VCSEL打造的車規(guī)級長距半固態(tài)激光雷達AT128，其中每臺AT128包含128個VCSEL陣列。

據Yole統(tǒng)計，2021年激光雷達市場規(guī)模為21億美元，預計2027年達到63億美元，復合增速為22%。在下游應用領域中，預計ADAS的應用復合增速將高達73%，市場規(guī)模提升至20億美元，成為激光雷達第一大應用場景。