随着人工智能、大数据、云计算等新兴技术的迅猛发展,信息技术正在经历深刻革新。在这场"科技革命"中,光芯片扮演着至关重要的角色。作为集成光电路和电子电路于一身的创新器件,光芯片被视为新一代信息技术的关键支撑。

与传统电子芯片相比,光芯片拥有更高的信号传输速率、更大的带宽容量,能有效解决目前互联网数据传输中的瓶颈问题。此外,光芯片还具有低功耗、抗电磁干扰等优势,在人工智能、量子计算等领域也拥有广泛的应用前景。因此,掌控光芯片技术实力,将直接关乎一个国家在未来信息技术竞争中的地位和话语权。

目前,全球主要科技强国均将光芯片研发作为重点发展方向。中国作为新兴科技大国,也意识到这一核心技术的重要性,并在光芯片领域取得了令人瞩目的突破,为国家信息技术实力的提升注入了新动力。

中国团队研制新型光集成芯片

2022年,中国科研团队通过自主创新,成功研制出新型硅基光集成芯片。这款芯片实现了光电路系统的单芯片集成,将光波导、激光器、调制器、耦合器等多个光电元件集成在一个芯片上,大幅提升了光电路系统的集成度和能源效率。

新型硅基光集成芯片体积极小,仅有指甲盖大小,但其信号传输速率却可达100Gbps,是当前主流电子芯片的数十倍。与此同时,该芯片还具有极低的功耗,完全可满足大数据、人工智能等新兴技术对高速率、大带宽、低能耗的迫切需求。

这项突破不仅打破了国外企业在光芯片核心技术领域的垄断,也为中国信息技术的发展注入了新的动力源泉。目前,该芯片已在数据通信设备、人工智能系统等领域逐步推广应用,并有望为5G、6G通信、智能家居、自动驾驶等多个领域带来革命性的变革。


AI时代算力引擎加速智能应用普及

光子芯片能够大幅提升计算能力,这对于AI等算力密集型应用至关重要。事实上,AI技术的高速发展很大程度上依赖算力的不断升级。随着深度学习等技术日益复杂,训练所需算力正在指数级增长,对高性能计算芯片的需求与日俱增。

光子芯片极高的运算速度和能效,使其成为解决AI"饥渴症"的理想之选。凭借超高的并行处理能力,光芯片可快速完成庞大的矩阵乘法、卷积等运算,进而高效训练复杂的深度神经网络模型。在实际应用中,光子AI芯片可为语音识别、自动驾驶、生物医疗等领域带来大幅性能提升。

科技巨头和学术机构都已看到了这一前景。谷歌、英特尔等公司纷纷加大了光子芯片的研发投入。如谷歌宣布斥资数十亿美元打造光子AI加速芯片。麻省理工学院等机构也推出了多项光子芯片技术突破。行业分析认为,未来3-5年内或将面世商用光子AI加速芯片,进一步催生多元智能应用的大规模普及。


产业新高地孕育催生新兴材料需求

光子芯片的崛起不仅影响科技前沿,也将重塑周边产业生态。其中,对相关关键材料带来了全新市场需求。铌酸锂就是制造光电集成芯片的核心材料,晶体结构特殊、折射率高,非常适合作为光波导使用。

目前,光电子器件对铌酸锂的需求约占全球总需求的三分之一左右。但伴随着光子芯片研发的加速以及未来大规模应用,铌酸锂需求料将呈几何级数增长。据业内专家测算,到2035年,全球铌酸锂需求可能攀升至约80万吨,是目前的20多倍。

开发和储备这一关键材料战略资源已经成为全球科技产业链的新高地。除铌酸锂外,硅、氧化镓、砷化镓等多种光电功能材料在光子芯片制造中也扮演着重要角色,市场需求同样面临爆发。相关企业已开始布局资源,抢占未来产业制高点。


国产替代空间广阔，下游应用多点开花

政策推动近年来相关政策频出，国产替代迎来重要发展机遇。2017年《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》中明确2022 年 25G及以上速率 DFB 激光器芯片国产化率超过 60%，提高核心光电子芯片国产化；2021年1月《基础电子元器件产业发展行动计划(2021-2023年）中提到重点发展高速光通信芯片；2021年11月《“十四五”信息通信行业发展规划》中提及到 2025 年，信息通信行业整体规模进一步壮大目标，光芯片作为通信底层基座，有望持续受益。


市场规模

全球市场规模：根据LightCounting数据，全球光芯片市场规模将从2022年的27亿美元增长至2027年的56亿美元，CAGR为15.7%。

中国市场规模：中国光芯片市场2022年市场规模为7.8亿美元，预计2025年增长到11.2亿美元，CAGR为12.8%。国内光芯片市场中，2.5G/10G光芯片市场国产化程度较高， 据ICC数据，2021年2.5G国产光芯片占全球比重超过90%、10G国产光芯片占全球比重约60%；2021年25G光芯片的国产化率约20%，25G以上光芯片的国产化率约5%。

受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。同时近日AI引领算力爆发，光模块作为AI背景下最直接受益、确定性最高品种，光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。

随着信息技术快速发展，全球数据量需求持续增长。根据Omdia的统计，2017年至2020年，全球固定网络和移动网络数据量从92万PB增长至217万PB，CAGR为33.1%，预计2024年将增长至575万PB，CAGR为27.6%。同时，光电子、云计算技术等不断成熟，将促进更多终端应用需求出现，并对通信技术提出更高的要求。受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。根据LightCounting的数据，2016年至2020年，全球光模块市场规模从58.6亿美元增长到66.7亿美元，预测 2025年全球光模块市场将达到113亿美元，为2020年的1.7倍。光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。

相较普通摄像头，3D传感(包含双目立体测距、结构光、TOF)可探测环境的深度特征，广泛应用于消费电子领域。3D传感摄像头可实现人脸识别、手势识别、三维建模等多项功能，可适用于移动设备、机器人、安防监控等多种终端，人脸识别为当前3D传感摄像头最主流的功能。

VCSEL激光器多用于消费电子领域。与LED、EEL等光源相比，VCSEL激光器具有许多优势，例如量产成本低，波长稳定性高（温漂小），易于二维集成， 低阈值电流，可高频调制，没有腔面阈值损伤等。Yole发布的相关报告显示，自2017年苹果在iPhoneX中引入3D传感功能以来，VCSEL在消费电子应用领域快速发展，主要应用逐渐由850nm器件的高速数据通信转向940nm器件的3D传感。

VCSEL 市场规模2022-2027 CAGR 约为19.2%。市场规模方面，据Yole统计，2022年VCSEL市场规模约为16亿美元，预计2027年可达39亿美元，5年复合增速为19.2%。竞争格局方面，Lumentum依旧为市场龙头，2017-2021年均保持市场第一的份额，占42%左右。

激光雷达多种技术路径并存，多品种光芯片有望切入赛道。若按使用的光波长来划分，主要分为 905nm/1550nm。905nm激光器可搭配硅基光电探测器来接收激光，1550nm dToF方案需使用磷化铟材料体系的激光器（半导体激光器）和探测器；1550nm光纤激光器，种子源模组主要用脉冲式DFB激光器芯片。

VCSEL有望在激光雷达领域获得更大的应用。2022年是激光雷达上车元年, 2023年激光雷达定点车型数量预计将大幅增加。据Yole测算，2027年激光雷达渗透率有望从不到1%增长到5%以上，激光雷达的出货量可从2022年的22万只快速增长至2027年600万只。近年来VCSEL光源的功率密度和亮度实现了大幅提高，为其在车载激光雷达领域的应用提供可能，2021年禾赛科技和Lumentum合作发布业界首个基于VCSEL打造的车规级长距半固态激光雷达AT128，其中每台AT128包含128个VCSEL阵列。

据Yole统计，2021年激光雷达市场规模为21亿美元，预计2027年达到63亿美元，复合增速为22%。在下游应用领域中，预计ADAS的应用复合增速将高达73%，市场规模提升至20亿美元，成为激光雷达第一大应用场景。