陳平

國內(nèi)下一代光電芯片制造技術(shù)獲重大突破

光芯片是全球半導體行業(yè)的一個重要細分賽道，涵蓋工業(yè)用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手機人臉識別用VCSEL 等成熟應(yīng)用，以及車用激光雷達和硅光芯片等未來有望實現(xiàn)爆發(fā)性增長的新領(lǐng)域，不過我國半導體激光芯片技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，在光通信芯片尤其是高功率光纖激光器市場替代率仍處于較低水平，好在這些年持續(xù)努力追趕下，從研發(fā)到終端制造，不斷追趕，讓光芯片成為有望“換道超車”的賽道。

論文刊登在2022年9月的《Nature》上

2022年9月，國際頂級學術(shù)期刊《自然》發(fā)表文章，宣布南京大學張勇、肖敏、祝世寧領(lǐng)銜的科研團隊，發(fā)明了一種新型“非互易飛秒激光極化鐵電疇”技術(shù)，將飛秒脈沖激光聚焦于材料“鈮酸鋰”的晶體內(nèi)部，通過控制激光移動的方向，在晶體內(nèi)部形成有效電場，實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的直寫和擦除。

該技術(shù)突破了傳統(tǒng)飛秒激光的光衍射極限，把光雕刻鈮酸鋰三維結(jié)構(gòu)的尺寸，從傳統(tǒng)的1微米量級首次縮小到納米級，達到30納米，大大提高了加工精度，也標志著我國科學家在下一代光電芯片制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

相關(guān)報道強調(diào)，這一重大發(fā)明，未來或可開辟光電芯片制造新賽道，有望用于光電調(diào)制器、聲學濾波器、非易失鐵電存儲器等關(guān)鍵光電器件芯片制備，在5G/6G通信、光計算、人工智能等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

立于時代風口的光芯片

根據(jù)Photonics21發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示，自2015年以來，光子產(chǎn)業(yè)鏈全球市場規(guī)模以每年7%的速度增長。其中，2019年的全球市場規(guī)模達到6900億歐元，預(yù)計2025年將進一步增至9000億歐元。而在下游數(shù)字通信（數(shù)通）和電信領(lǐng)域雙輪驅(qū)動下，光芯片擁有極大成長空間。

從行業(yè)層面來看，根據(jù)Lightcounting的統(tǒng)計，2020年和2021年由于新冠疫情，人們開始轉(zhuǎn)向居家辦公，因而對更快、更高可靠性的網(wǎng)絡(luò)的需求更為強烈。因此雖然供應(yīng)鏈短缺因素仍在持續(xù)，但是行業(yè)能夠很大程度上克服這些問題，光芯片所在的光模塊行業(yè)在2020年和2021年實現(xiàn)了17%和9%的增長，Lightcounting預(yù)測2022年有望再次實現(xiàn)17%的收入增長。

從市場上看，消費光子時代來臨，集成電路將走向集成光路時代，將帶來萬億美元市場。光電芯片成為消費光子時代的核心基礎(chǔ)，蘋果、華為、英特爾、思科、IBM等國際頂尖公司紛紛布局光電芯片。國內(nèi)則涌現(xiàn)出了陜西源杰半導體、奇芯光電等一批芯片企業(yè)，面向新一代高速光通信、光計算、光傳感需求，聚焦光子材料與光子芯片研發(fā)制造，搶占新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)技術(shù)制高點。

從芯片制備角度，光芯片制備的工藝流程與集成電路芯片有一定相似性但側(cè) 重點不同，光芯片最核心的是外延環(huán)節(jié)。光芯片的制備流程同樣包含了外延、光刻、 刻蝕、芯片封測等環(huán)節(jié)。但就側(cè)重點而言，光刻是集成電路芯片最重要的工藝環(huán)節(jié)， 其直接決定了芯片的制程以及性能水平。與集成電路芯片不同，光芯片對制程要求 相對不高，外延設(shè)計及制造是核心，該環(huán)節(jié)技術(shù)門檻最高。以激光器芯片為例，其 決定了輸出光特性以及光電轉(zhuǎn)化效率。

華為10G 單模單纖、10km光模塊

然而，全球高端光芯片基本被國外廠商壟斷。我國在高端芯片領(lǐng)域的自主技術(shù)研發(fā)和投入實力方面相對較弱，目前主要集中在中低端光芯片產(chǎn)品的研發(fā)、制造。全球主要光器件廠家均積極布局有源光芯片、器件與光模塊產(chǎn)品，并達到 100Gb/s 速率及以上的水平。在中興、華為等通信設(shè)備的強勢助攻下，中國成為世界上最大的光器件消費大國，市場占比約為 35%。國內(nèi)企業(yè)在無源器件、低速光收發(fā)模塊等中低端細分市場較強，然而以高速率為主要特征的高端光芯片技術(shù)，還掌握在美日企業(yè)手中（美日企業(yè)占據(jù)了全球高端光芯片超過 50%市場份額，占據(jù)我國高端光芯片 90%以上的市場份額），我國高速率光芯片國產(chǎn)化率僅 3%左右。

國內(nèi)企業(yè)目前只掌握了10Gb/s 速率及以下的激光器、探測器、調(diào)制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工藝以及配套IC的設(shè)計、封測能力，25Gb/s的工藝能力及產(chǎn)能配套都無法形成規(guī)模;單通道 25Gbps 光芯片大部分已可國產(chǎn)化，電芯片部分國產(chǎn)化，但絕大多數(shù) 25Gb/s 速率模塊使用的光電芯片只能做到小批量供貨，大部分還要依賴進口。50Gbps以上的光電芯片，只有很少部分器件可國產(chǎn)化。

從產(chǎn)品路線來看，布局 DFB 激光器和 PIN 探測器的廠家更為集中，而 VCSEL 的廠商較多，但由于人臉識別等傳感市場的空間更多，所以僅專注于數(shù)通市場的廠家則較少。當前中國光芯片企業(yè)已經(jīng)可以實現(xiàn)10G及以下的DFB 、APD等光芯片進口替代，中國10G速率及以下光芯片國產(chǎn)化率已于2020年實現(xiàn)完全替代，在接入網(wǎng)市場已經(jīng)可以實現(xiàn)完全自給自足，但 1577nm EML 仍依賴進口，國產(chǎn)化仍在進一步驗證中;不過在 25Gbps 以上，尤其是EML激光器芯片依然嚴重依賴進口，國產(chǎn)化芯片仍在驗證提升的階段，大規(guī)模供應(yīng)仍有待進一步突破。但值得一提的是，受益于我國 5G 規(guī)模建設(shè)的提速、光芯片政策扶持以及全球化貿(mào)易摩擦，中國光芯片企業(yè)競爭力正在快速提升。

快速崛起的國產(chǎn)光芯片企業(yè)

相對于龐大的半導體生態(tài)，定位更精準的光芯片產(chǎn)業(yè)鏈更有利于攻關(guān)和集中資源突破，而經(jīng)過十余年的發(fā)展，我國光芯片企業(yè)也取得了耀眼的成績。

根據(jù)Lightcounting的統(tǒng)計，2010年僅一家國內(nèi)廠商躋身前十之列，到了2021年，前十大之中國內(nèi)廠商已占據(jù)半壁江山。從產(chǎn)品角度，10G及以下的中低端芯片國產(chǎn)替代持續(xù)深入，國產(chǎn)化程度已經(jīng)較高。國內(nèi)廠商基本掌握了2.5G和10G產(chǎn)品的核心技術(shù)，除了部分型號產(chǎn)品（如10G EML激光器芯片）國產(chǎn)化率相對較低，大部分產(chǎn)品已基本能實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。從應(yīng)用領(lǐng)域的角度，國內(nèi)廠商的產(chǎn)品當前主要集中在電信市場的光纖接入和無線接入領(lǐng)域，并開始嘗試突破以高端產(chǎn)品需求為主導的數(shù)通市場。

目前我國光模塊、光纖激光器、激光雷達等下游細分領(lǐng)域已具備較強競爭實力。光模塊方面，根據(jù)Lightcounting 于2022 年5 月發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021 年全球前十大光模塊廠商，中國廠商占據(jù)六席，分別為旭創(chuàng)（與 II-VI 并列第一）、華為海思（第三）、海信寬帶（第五）、光迅科技（第六）、華工正源（第八）及新易盛（第九）;相比于 2010 年全球前十大廠商主要為海外廠商，國內(nèi)僅 WTD（武漢電信器件有限公司，2012 年與光迅科技合并）一家公司入圍，體現(xiàn)出十年以來國產(chǎn)光模塊廠商競爭實力及市場地位的快速提升。

光纖激光器方面，根據(jù)由中國科學院武漢文獻情報中心牽頭編寫的《2022 中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》，國內(nèi)市場前三大光纖激光器廠商中，IPG 市場份額由2018 年的49.0%下降至2021年的 28.1%，而銳科激光、創(chuàng)鑫激光市場份額由 2018 年的 17.3%/8.9%分別上升至 2021年的 27.3%/18.3%，此外杰普特、大族光子、熱刺激光、凱普林等國產(chǎn)品牌市場份額也進入前列，國產(chǎn)替代步伐持續(xù)邁進。而激光雷達方面，國內(nèi)完善的汽車上游零部件/光通信產(chǎn)業(yè)鏈為激光雷達產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2021年全球Top10通信光模塊國產(chǎn)廠商占六席（資料來源：Lightcounting，華泰研究）

事實上，在中下游的激光器及相關(guān)設(shè)備國產(chǎn)化進展持續(xù)推進背景下，光芯片作為上游核心元器件是我國光電子領(lǐng)域國產(chǎn)化下一階段亟須突破的重點環(huán)節(jié)。從國產(chǎn)化進展來看，當前我國高功率激光芯片、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仍處于進口替代早期階段，未來國產(chǎn)化提升空間廣闊。

寫在最后：光芯片有望引領(lǐng)下一輪科技革命

光芯片的應(yīng)用場景不僅僅局限于通信領(lǐng)域，廣義上的光芯片在工業(yè)、消費電子、汽車、軍事等領(lǐng)域均有非常廣泛的應(yīng)用。當前光子已站上時代風口，有望引領(lǐng)后摩爾時代的科技革命。未來的時代或?qū)⑹且粋€光子大規(guī)模替換電子的時代，光網(wǎng)絡(luò)傳輸有望成為人類信息文明最重要的基礎(chǔ)設(shè)施。而從技術(shù)競爭的角度來看，光芯片被認為是與國外研究進展差距最小的芯片技術(shù)，被寄予了中國“換道超車”的希望。