光芯片行业研究：AI时代“芯”核心

（报告出品方：西南证券）

1 光芯片——AI浪潮下算力基座

光芯片基本概念

光芯片系实现光电信号转换的基础元件，其性能直接决定了光通信系统 的传输效率。光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通 过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。光通信系统传输信号过程 中，发射端通过激光器芯片进行电光转换，将电信号转换为光信号，经 过光纤传输至接收端，接收端通过探测器芯片进行光电转换，将光信号 转换为电信号。光纤接入、4G/5G移动通信网络和数据中心等网络系统 里，光芯片都是决定信息传输速度和网络可靠性的关键。从光通信产业链来看，光芯片处于光通信的上游，光芯片可以与电芯片、 PCB、结构件、套管进一步组装加工成光电子器件，再集成到光通信设 备的收发模块实现广泛应用，光通信下游的主要应用领域为电信运营商 以及云计算数据厂商等。

光芯片按功能分类：分为激光器芯片和探测器芯片，其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用 于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括 VCSEL 芯片， 边发射芯片包括FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片，主要有PIN和APD两类。

光芯片技术原理

激光器芯片：电转光。原理是以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，通过光学谐振放大选模，从而输出激光， 实现电光转换。增益介质与衬底主要为掺杂III-V族化合物的半导体材料，如 GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、Si（硅基）等。按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL在芯片两侧镀光学膜形成 谐振腔，光子经谐振腔选模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂 直，光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光。

EEL又细分为FP、DFB和EML。FP、DFB为独立器件，通过控制电流的有无来调制信息输出激光，被称为直接调制激光器芯片(DML)。FP激光 器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB在FP激光器的基础上采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。DML通 过调制注入电流来实现信号调制，注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成波长漂移从而产生色散，限制了传输距离；同时DML带 宽有限，调制电流大时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。EML缓解了色散问题，由EAM电吸收调制器与DFB激光器集成，信号传输质 量高，易实现高速率长距离的传输。

光芯片材料对比

光芯片的原材料主要为半导体材料，半导体材料主要有三类，包括：单元素半导体材料、III-V 族化合物半导体材料、宽禁带半导体。通常采用三五族化合物磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强 等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。其中，磷化铟(InP)衬底用于制作 FP、DFB、EML边发射激光 器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓(GaAs)衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片， 主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。

光芯片生产流程

相较于Fabless模式，IDM模式是光芯片行业主流方向。逻辑芯片新晋厂商多采用 Fabless 模式，以此减少资本开支。IDM模式是解决高端光芯 片技术及量产瓶颈的最佳生产模式，能够缩短产品开发周期，实现光芯片制造的自主可控，快速响应客户并高效提供解决方案，迅速应对动态市 场需求。通过IDM模式，公司能够掌握从设计转化到生产制造的纵向生产链各环节，从而有效控制生产良率、周期交付、产品迭代与风险管控等 多个方面。光芯片的生产工序依序为 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，其制备流程同样包含了外延、光刻、刻蚀、芯片封测等环节。

衬底价值量最高（原材料成本1/3以上），主要指InP/GaAs等材料经提纯、拉晶、切割、抛光、研磨制成单晶体衬底即基板，这是光芯片规模制 造的第一个重要环节。基板制造的技术关键是提纯，当前能实现高纯度单晶体衬底批量生产的全球仅有几家企业，均为海外企业。外延技术壁垒 最高，生产企业用基板和有机金属气体在MOCVD/MBE设备里长晶，制成外延片。外延片是决定光芯片性能的关键一环，生成条件较为严苛， 因此是光芯片行业技术壁全最高环节。成熟技术工艺主要集中于中国台湾以及美日企业，国内企业量产能力相对有限。

未来技术方向——硅光技术

传统光模块：可调制、接收光信号，包含光发射组件、光接受组件、光芯片等器件，在磷化铟基底上利用封装技术进行集成。硅光光模块：采用硅光子技术的光模块。硅光技术是在硅和硅基衬底材料（如Si, SiGe, SOI等）上，利用CMOS工艺进行光器件开发 和集成的新一代技术，其核心理念用激光束代替电子信号进行数据传输。逐渐从光子集成向光电集成发展，目前通信领域主要是光子 集成的硅光模块。硅光模块最大特点高度集成。硅光芯片通过硅晶圆技术，在硅基上制备调制器，接收器等器件，从而实现调制器、接收器、无源光学 器件的高度集成。

2 国产替代空间广阔，下游应用多点开花

政策推动

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