早在 1979 年，我国科学家钱学森就看好光子学，并围绕光子学提出了光子工业的概念，而到现在很多设想依然没有实现，许多价值还有待挖掘。[1]
如今，光芯片代表的光子学正与电子学引发一场科学革命，芯片从电到光，将是我国实现赶超的战略机遇 [2]。光子革命已至，但若要光为人所用，其实也没有想象中那样容易。
光与电的完美配合
现代大多数芯片的本质，就是将环境信号转换为可精细操控的电信号，或将处理过的电信号转换为环境信号的一个过程(如用电产生电热或用洛伦兹力产生磁场)。同理，光也可转化为电信号。实现光电信号相互转换的核心器件，就是光芯片。没有它，我们就无法与光交流。
光芯片早已深入每个人生活之中。你我都知道，家用电脑若要连接网络，都要安装光纤和“光猫”，让这套系统正常运作的功臣，就是光芯片。
为什么一定是光芯片?
这是因为光子作为信息载体具有先天的优势，可以实现几十 Tb / s 的信息传输速率，实现低交换延迟和高传输带宽，实现多路同时通信，同时拥有超低功耗的表现 [2]。研究显示，光基设备中的数据以光速移动，相比普通电子电路，移动速度快 10 倍。[3]
虽然光芯片是天赋型选手，但要在系统中发挥作用，还是离不开电芯片。二者与 PCB、结构件、套管进一步构成光器件，并以此为基础加工为光模块实现最终功能，最终应用于市场。
光芯片在产业链中的位置 [4]
目前，光芯片的技术概念有多重含义，包括光通信、光计算、光量子等，应用广泛分布在工业、消费、汽车、医疗等领域。但它的典型应用场景仍然是光通信，也是最核心的应用领域。
光通信中的光芯片
光通信指以光纤为载体传输光信号的大容量数据传输方式，通过光芯片和传输介质实现对光的控制。
在光通信产业链中，光芯片是最核心的部分，一般分为 2.5Gb / s、10Gb / s、25Gb / s 及以上各种调制速率，速率越快对应的光模块在单位时间内传输的信号量就越大。
与此同时，光芯片也是光模块物料成本结构中占比最大的部分。通常而言，光芯片约占中端光模块物料成本的 40%，一些高端光模块中它的物料成本甚至能占到 50% 以上 [5]，反观电芯片的成本通常占比为 10%~30%，越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高。[6]
光芯片在光通信系统中应用位置 [4]
按功能，光芯片主要分为激光器芯片和探测器芯片两类。激光器芯片用于发射信号，将电信号转化为光信号，按出光结构进一步分为面发射芯片和边发射芯片，主要包括 VCSEL、FP、DFB、EML;探测器芯片用于接收信号，将光信号转化为电信号，主要包括 PIN 和 APD。
对光芯片来说，市场最大的诉求是高速率和高带宽。自上世纪 60 年代开始，光芯片就在材料、结构设计、组件集成和生产工艺方面不断改进。目前 EML 激光器芯片大规模商用最高速率已达 100Gb / s，DFB 和 VCSEL 激光器芯片大规模商用最高速率已达 50Gb / s，与此同时，这些改变也让光芯片拥有向更广阔应用领域发展提供底气，诸如车载激光雷达、医疗等。[4]
不同光芯片的特性和应用场景 [4]
光芯片的生产制造是难点。生产工序依序为 MOCVD 外延生长、光栅工艺、光波导制作、金属化工艺、端面镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等。其中，外延工艺是光芯片生产中最主要和最高技术门槛的环节，工艺水平直接决定了成本的性能指标和可靠性。一款优秀的光芯片背后，是高昂的投入、极长的研发周期、较大的研发风险以及极快的技术更新速度。
由于光芯片处在产业链上游，会牵扯出复杂的原材料问题。其本身一般由化合物半导体所制造，主要以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的 III-V 族材料为衬底，通过内部能级跃迁过程伴随的光子的产生和吸收，进而实现光电信号相互转换。除此之外，制造过程中还会用到电子特气、光刻胶、湿电子化学品等原材料。
光芯片的主要分类 [4]
光芯片作为上游元件，市场主要受下游光模块拉动。据国信证券测算，以光模块行业平均 25% 的毛利率及 Light Counting 对光模块全球超 150 亿美元的市场规模预测估算，2021 年光芯片全球市场规模约为 35 亿美元，预计 2025 年可达 60 亿美元。[7]
光通信产业链及市场规模 [7]
随着数据量需求爆炸式增长，人们对光芯片的速率要求越来越高，而学术界和工业界则将目光放到了硅光芯片上。
把光子和电子糅在一起
展望未来 3 年，硅光芯片(或光电融合)将是光通信的一大趋势，它将支撑大型数据中心的高速信息传输。目前，硅光芯片技术研究由美国、欧洲和日本引领，100Gb / s、200Gb / s、400Gb / s 硅光系列产品占据全球相干光模块市场约 30% 以上。[8]
顾名思义，硅光芯片就是在硅光子和硅电子芯片上取长补短，发挥二者优势。这一概念早在 40 年前就已诞生，但硅基发光一直是巨大难题，因此一般是以硅材料为基底，引入多种材料实现发光 [9]，分为 SOI(绝缘体上硅)、SiN、III-V 族(GaAs 和 InP)、硅衬底上铌酸锂薄膜四种制造平台。[10]
复杂的材料学问题引发更多技术难题，诸如硅光耦合工艺、晶圆自动测试及切割、硅光芯片的设计工具等技术挑战。另外，受制于产业链、工艺水平限制，硅光芯片还没有在产能、成本、良率上凸显优势。不过，硅光芯片的颠覆性引发了研究热潮，技术日趋成熟，即将进入规模化商用阶段。[11]
硅光芯片的作用远不至此，它具有高运算速度、低功耗、低时延等特点，在制造工艺上，与微电子器件类似，但又不必追求工艺尺寸的极限缩小，也许是帮助人们突破摩尔定律天花板的关键 [12]。更重要的是，做好它就相当于打通光子工业的关节。科学家普遍认为，光子可以像电子一样作为信息载体来生成、处理、传输信息，其中光计算就是重要先进领域之一。光通信的光电转换技术可以应用在光计算中，而光计算所要求的低损耗、高密度光子集成也会进一步促进光通信发展。未来 5 年~10 年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。[13]
据 Yole 预测，从 2020 年到 2026 年，硅光芯片的全球市场规模将从 8700 万美元升至 11 亿美元。其中，消费者健康、数据中心、光子计算、共封装引擎、长距离收发器将是主要细分市场。[14]
硅光领域近年并购动作频繁 [15]
理想是丰满的，想要走那么远，还是要脚踏实地，先做好现有的光通信芯片。
光芯片的追逐者
欧美日在光芯片上技术起步早、积累多，是市场的主导者。这些国家的研究机构和先进企业通过不断积累核心技术和生产工艺，逐步实现产业闭环，建立起了极高的行业壁垒。
反观国内则起步较晚，高速率光芯片(25Gb / s 及以上速率)严重依赖进口，与国外产业领先水平存在明显差距。数据显示，我国 2.5Gb / s 光通信芯片国产化率接近 50%，但 10Gb / s 及以上的光通信芯片国产化率却不超过 5%，非常依赖 Lumentum、Broadcom、三菱、住友等公司。[16]
与此同时，虽然光芯片国产商普遍拥有晶圆外延环节以外的后端加工能力，但核心的外延技术并不成熟，高端的外延片需要进口，大大限制了高端光芯片发展。
光芯片市场主要参与者 [17]
2017 年，中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022 年)》中指出，我国厂商只掌握了 10Gb / s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片以及 PLC / AWG 芯片的制造工艺和配套 IC 的设计、封测能力，高端芯片能力比国际落后 1~2 代以上，且缺乏完整、稳定的光芯片加工平台和人才，导致芯片研发周期长、效率低，逐渐与国外的差距拉大。彼时明确了重点是 25Gb / s 及以上速率激光器和探测器芯片。[18]
2017 年光收发模块及光芯片、电芯片国产化率测算 [18]
到了 2022 年，国产高端光芯片有明显突破，但依旧大幅落后于国际巨头。而关键的 25Gb / s 激光器和探测器芯片方面，源杰科技、武汉敏芯、云岭光电、光迅科技等企业开始量产，不过整体销售规模仍然较小。以源杰科技为例，其 10Gb / s、25Gb / s 激光器芯片系列产品出货量在国内同类产品中已名列前茅，但其 2022 年上半年销售额仅为 4100 万元。[19]
对国产光芯片追逐者来说，分工模式是关键。芯片行业分为 Fabless(设计公司)和 IDM(设计、制造、封装全流程)两种模式，其中 IDM 模式是主导光芯片的主要模式。一方面，光芯片的核心在于晶圆外延技术;另一方面，由于采用 III-V 族半导体材料，因此要求光芯片设计与晶圆制造环节相互反馈验证。
不同分工模式的区别 [20]
纵览市场，国产光芯片典型玩家均选择了 IDM 模式，如仕佳光子、长光华芯、源杰科技。一方面，IDM 能够及时响应市场需求，灵活调整产品生产过程中各种工艺参数;另一方面，能够高效排查问题，精准触达产品设计、生产、测试环节问题;另外，IDM 模式形成了完整的闭环流程，不仅全部自主可控，同时能够有效保护知识产权。[21]
国产光芯片典型玩家情况，制表丨果壳硬科技参考丨公司招股书
近两年，光芯片在投融资界也热闹异常。据果壳硬科技统计，25Gb / s 及以上高速率光芯片、车用激光雷达芯片和硅光电子(光电融合)是最为热门和吸金的赛道，也是商业化较近的项目。另一些项目则更聚焦在未来，如光计算、光量子，这些项目商业化进程动辄十年、二十年，非常具有前瞻性。
近期国产光芯片融资不完全统计，制表丨果壳硬科技
掌握先进的光芯片技术，是各国争相竞逐的关键。以美国为例，不仅在政策上不断倾斜，以 IBM、Intel 为代表的工业巨头、以 MIT、UCSB 为代表的学术界领军机构都在不遗余力地发展大规模光子集成芯片。另外，欧盟的“地平线 2020”计划和日本的“先端研究开发计划”中也涉及光电子集成研究项目。[22]
种种动作，预示着一场以光为核心的科技革命，正在酝酿之中。
中科创星创始合伙人米磊曾提出“米 70 定律”，即光学技术是推动科技产品进步的关键瓶颈技术，光学成本占未来所有科技产品成本的 70%。[23]
纵观历史，科技革命的扩散周期大约为 60 年，集成电路从 20 世纪 60 年代诞生至今也已过去 60 年 [2]，光芯片无疑是引领下一个 60 年的关键。当然，光子也并不是要完全替代掉电子，而是相互协同。
属于光芯片的时代已经到来，但芯片行业一直残酷地循环着优胜劣汰和洗牌，谁能追逐得更快，谁才会成功。
References：
[1] 钱学森.光子学、光子技术、光子工业 [J].中国激光，1979,6 (1):1.
https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ157c3606f52a17a5/Abstract
[2] 《瞭望》：以科技革命的战略眼光布局光子芯片.2022.1.10.http://lw.news.cn/ 2022-01/10 / c_1310416707.htm
[3] Leslie M. Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J]. Engineering, 2021, 7(9): 1195-1196.
[4] 源杰科技：首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书.2022.9.19.http://static.sse.com.cn/ stock / information / c/202209 / ed2747384cb447b2a20b040ced45e098.pdf
[5] 头豹研究院：2022 年中国光模块行业研究报告(摘要版).2022.6.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202207221576465739_1.pdf?1658524015000.pdf
[6] 浙商证券股份有限公司：关注光芯片国产化机会.2020 年 6 月第 4 期.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202006291388250871_1.pdf?1593463535000.pdf
[7] 国信证券：光器件行业研究框架与投资机会梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[8] 科创中国：硅光技术能否促成光电子和微电子的融合?.https://www.kczg.org.cn/ article / issueDetail?id=942
[9] 郭进，冯俊波，曹国威.硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战 [J]. ZTE TECHNOLOGY JOURNAL, 2017: 11.https://res-www.zte.com.cn/ mediares / magazine / publication / com_cn / article / 201705/465817 / P020171009579288470018.pdf
[10] 马浩然，李筱敏，王曰海，杨建义.硅基光子芯片研究进展与挑战 [J].半导体光电，2022,43 (02):218-229.
[11] 《科技日报》：硅光芯片：并非电子芯片的“对头”而是“伙伴”.2021.8.30.http://www.xinhuanet.com/ tech / 20210830 / a18a6550b75e4163bd0a64489619bdea / c.html
[12]《中国科学报》：百纳米就好使!光芯片缓解芯片瓶颈难题.2021.5.21.https://mp.weixin.qq.com/ s / evr_f5spjD8yfEplYmHTfA
[13] 阿里达摩院：2022 年十大科技趋势.https://damo.alibaba.com/ techtrends / 2022 / silicon-photonic-chips?lang=zh
[14] Yole：Silicon photonics sticks its head above the parapet.2021.11.23.https://www.i-micronews.com/silicon-photonics-sticks-its-head-above-the-parapet/?cn-reloaded=1
[15] 华西证券：硅光：“超越摩尔”新路径，厚积薄发大未来.2022.1.14.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202201171540919727_1.pdf?1642417584000.pdf
[16] 国泰君安证券股份有限公司：关于陕西源杰半导体科技股份有限公司辅导备案的申请报告.2020.9.2.http://www.csrc.gov.cn/ shaanxi / c101329 / c1404264/1404264 / files / 1614654318079_45691.pdf
[17] 国信证券：光器件行业研究框架与投资机会梳理.2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/ pdf / H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[18] 中国电子元件行业协会：中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022 年).https://www.miit.gov.cn/ n1146290 / n1146402 / n1146440 / c6001146 / part / 6005856.pdf
[19] 光通信观察：五年之期届满，我国光器件产业发展现状如何?.2022.7.5.https://mp.weixin.qq.com/ s/516umRgzweTXF1XX8fyBTw
[20] 长光华芯：首次公开发行股票并在科创板上市招股说明书.2021.6.29.http://static.sse.com.cn/ stock / information / c/202106 / ef8b408d2bb54bd7916dd92fd5d21c82.pdf
[21] 新华报业网：IDM 模式赋能，陕西源杰科技有望实现高质量发展.2022.7.27.http://www.xhby.net/ sy / cb / 202207 / t20220727_7632733.shtml
[22] 大规模光子集成芯片 [J]. 中国科学院院刊，2016, 31 (Z2): 192-194.http://www.bulletin.cas.cn/ publish_article / 2016 / Z2/2016Z241.htm
[23] DeepTech 深科技：国内对光最“执着”的投资力量：7 年投资 80 家光科技初创，静待光子集成时代爆发.2020.6.11.https://mp.weixin.qq.com/ s / UV1N4BWKrXbk6ODht_O1eQ
