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光芯片产业链梳理:应用激光雷达国产化替代迈入提速期

发布时间:2022-11-12源自:本站作者:超级管理员阅读(1)

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  光芯片是全球半导体行业的一个重要细分赛道,涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、人脸识别用VCSEL等成熟应用,以车载激光雷达为例,光芯片是发射端、接收端核心元件,决定着激光雷达的探测距离、分辨率等多个关键性能;车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现快速增长的新领域。根据Gartner预测,到2025年全球光芯片市场规模有望达561亿美元。全球目前II-VI、Lumentum等占据领先地位,以长光华芯、源杰科技为代表的国内企业已在高功率激光芯片、高速率激光芯片等领域初步实现国产替代。中期我们看好高功率、高速率光芯片国产化迈入提速期;长期我们看好光探测SPAD/SiPM芯片、硅光芯片等实现国产化从1到N的突破。

  随着车载激光雷达产业的快速发展,VCSEL、SPAD/SiPM 芯片有望迎来新的发展机遇。我们认为国内头部 VCSEL 芯片厂商的技术实力或已比肩海外Lumentum 等,未来在车规认证落地背景下,有望开启国产替代步伐;我国SPAD/SiPM 芯片伴随产品的量产性能、良率趋于成熟后,有望进一步向车载激光雷达等高端市场渗透。硅光芯片目前主要应用于通信领域,未来有望延伸至激光雷达、光子计算等领域。硅光芯片供应商以海外 Intel 等大厂为主,未来关注我国国产化进展。

  本文同时对中国光芯片产业链代表性公司梳理 。包括高功率激光芯片:长光华芯;高速率激光芯片:源杰科技、云岭光电、武汉敏芯、中科光芯;SPAD/SiPM 芯片:灵明光子、南京芯视界、阜时科技;VCSEL 芯片:纵慧芯光;硅光芯片:苏州熹联、中科鑫通等。

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  光电子器件(国内简称光芯片)是全球半导体行业的一个重要细分赛道,随着光电半导体产业的蓬勃发展,光芯片作为产业链上游核心元器件,目前已经广泛应用于通信、工业、消费等众多领域。根据Gartner分类,光电子器件包括CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等品类。

  光芯片作为光电子产业核心元器件,按照是否发生光电信号转化,可分为有源光芯片、无源光芯片两类

  ,有源光芯片可进一步细分为发射芯片与接收芯片;无源光芯片主要包括光开关芯片、光分束器芯片等。

  本篇报告中我们重点讨论激光芯片、光子探测芯片等有源光芯片的产业发展趋势、市场空间以及国产化机遇。

  全球光电子器件市场规模持续增长,2025年市场规模有望突破560亿美元。

  光芯片涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用VCSEL等成熟应用,以及车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域。

  我们认为在通信、工业等领域的应用深化,以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展,光芯片市场规模有望持续增长。

  根据Gartner数据,2021年全球光芯片(含CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等)市场规模达414亿美元,预计2025年市场规模有望达561亿美元,对应期间CAGR=9%。

  除上文中的按照有源/无源分类,光芯片还可以按照材料体系及制造工艺的不同,分为InP、GaAs、硅基和薄膜铌酸锂四类,其中InP衬底主要包括直接调制DFB/电吸收调制EML芯片、探测器PIN/APD芯片、放大器芯片、调制器芯片等,GaAs衬底包括高功率激光芯片、VCSEL芯片等,硅基衬底包括PLC、AWG、调制器、光开关芯片等,LiNbO3包括调制器芯片等。

  光芯片目前已广泛应用于通信、工业、消费、照明等领域,下游市场不断拓展。

  例如在光通信领域,光芯片是光模块光发射组件、光接收组件的核心元器件,分别实现了电信号向光信号、光信号向电信号的转化,决定着光模块的传输速率;工业领域中,光芯片同热沉、光束整形器件等组成了光纤激光器、固体激光器的泵浦源,为激光器内的工作介质实现粒子数反转提供能源来源;消费领域中,光芯片已广泛用于3D传感(手机、汽车)等场景,

  以车载激光雷达为例,光芯片是发射端、接收端核心元件,决定着激光雷达的探测距离、分辨率等多个关键性能;照明领域方面,具体产品形态主要为LED等。

  光模块、激光器、激光雷达等中下游环节国产化顺利,带动上游光芯片国产替代进程

  目前我国光模块、光纤激光器、激光雷达等下游细分领域已具备较强竞争实力,推动相关领域国产化进展持续迈进。

  ,根据Lightcounting于2022年5月发布的统计数据,2021年全球前十大光模块厂商,中国厂商占据六席,分别为旭创(与II-VI并列第一)、华为海思(第三)、海信宽带(第五)、光迅科技(第六)、华工正源(第八)及新易盛(第九);相比于2010年全球前十大厂商主要为海外厂商,国内仅WTD(武汉电信器件有限公司,2012年与光迅科技合并)一家公司入围,体现出十年以来国产光模块厂商竞争实力及市场地位的快速提升;

  ,根据由中国科学院武汉文献情报中心牵头编写的《2022中国激光产业发展报告》,国内市场前三大光纤激光器厂商中,IPG市场份额由2018年的49.0%下降至2021年的28.1%,而锐科激光、创鑫激光市场份额由2018年的17.3%/8.9%分别上升至2021年的27.3%/18.3%,此外杰普特、飞博激光、GW光惠、大族光子、热刺激光、凯普林等国产品牌市场份额也进入前列,国产替代步伐持续迈进;

  ,国内完善的汽车上游零部件/光通信产业链为激光雷达产业快速发展奠定基础。根据Yole发布的《2021年汽车与工业领域激光雷达应用报告》,截至2021年9月,在全球公开的29个设计中标(design win)中,中国厂商共有7项激光雷达设计方案,其中速腾聚创、览沃科技、华为和禾赛科技分别为3/2/1/1项,合计占全球方案总数的23%,是全球激光雷达市场重要参与者。

  在中下游的激光器及相关设备国产化进展持续推进背景下,光芯片作为上游核心元器件是我国光电子领域国产化下一阶段亟需突破的重点环节。从国产化进展来看,当前我国高功率激光芯片、部分高速率激光芯片(10G、25G等)等已处于国产化加速突破阶段;而光探测芯片、25G以上高速率激光芯片仍处于进口替代早期阶段,未来国产化提升空间广阔。

  光芯片工艺流程主要包括芯片设计、外延生长、晶圆制造等环节,头部厂商多采用IDM生产模式。

  相比于大规模集成电路已形成高度的产业链分工,光芯片行业尚未形成成熟的设计-代工-封测产业链。海外头部光芯片厂商如II-IV、Lumentum等多采用IDM(Integrated Device Manufacture,垂直整合制造)模式,主要系光电子器件遵循特色工艺,相比以线宽为基准的逻辑工艺,特色工艺的竞争能力更加综合,包括工艺、产品、服务、平台等多个维度。光芯片技术门槛高、产品线难以标准化,厂商采用IDM模式可以拥有单独生产光芯片的能力,实现生产环节协同优化,满足客户多样化需求。

  各类有源、无源芯片核心工艺均包括外延生长、光刻、刻蚀、镀膜等环节,根据长光华芯《4月28日投资者关系活动记录表》,三五族化合物半导体的光电子芯片领域中约70%的设备和工艺具备互通性,因此IDM模式下公司更容易依托自身工艺平台进行产品的横向拓展。以长光华芯为例,公司依托在高功率半导体激光芯片的研发、技术及产业化的“支点”优势,横向扩展至 VCSEL 芯片及光通信芯片等领域,提升公司综合服务能力。

  光芯片产业链上游为材料及生产设备。材料方面主要为三五族化合物半导体衬底,国内科研机构、企业等积极推进衬底国产化替代;设备方面主要包括MOCVD设备、光刻机、刻蚀机、溅射镀膜机等,与数字IC先进制程相比,光芯片并不依赖最先进半导体工艺制程的设备,目前已基本可实现国产化自主可控。

  II-VI、Lumentum等厂商市场布局全面,通信、工业、消费、国防等全面布局。

  根据我们的梳理,II-VI、Lumentum等海外领先的光芯片/光器件厂商布局的市场领域较为全面,其中Lumentum公司2021财年营收为17.4亿美元,同比增长3.8%;业务结构方面,电信&数通产品、工业&消费产品、激光器产品营收占比分别为61%、32%、7%。II-VI公司方面,2021财年营收为31.1亿美元,同比增长30.5%;业务结构方面,总体可分为光子解决方案和化合物半导体两大板块,其中化合物半导体业务所切入的下游领域中,消费电子市场、工业市场营收贡献均约为26%,其次分别为国防(19%)、通信(13%)、其他(包含医疗、汽车电子等,约占17%)。可以看到海外光芯片/光器件厂商所切入的下游市场中,通信、工业、消费、国防等领域均实现了较为全面的布局。

  国内光芯片厂商市场布局相对单一,未来发展有望对标海外厂商,横向拓展空间广。

  国内厂商方面,以长光华芯为例,除营收体量尚小的VCSEL业务以外,1H21公司所布局的下游市场包括:工业(营收占比77%)、科研及国防(21%)、医美(1%),可以看出公司目前下游市场尚以工业/国防等高功率应用场景为主。我们认为未来国内高功率激光芯片领先厂商有望对标II-VI、Lumentum等海外厂商,业务布局横向扩展至光通信、消费等领域,一方面由于通信等下游市场需求广阔(根据Laser Focus World,2020年全球激光器下游市场中,通信与光存储市场占比24.35%,为激光器应用第二大市场),光芯片厂商可通过横向拓展打开成长天花板;另一方面,光通信、VCSEL等芯片制造工艺与高功率半导体激光芯片工艺复用程度较高,厂商基于自身技术积累有望顺利切入。

  建议关注细分领域已具备领先技术实力、绑定优质客户,且具备横向扩张潜力的国产厂商。

  未来我国光芯片厂商的成长路径有望经历两个阶段:1)在细分领域凭借自身技术实力,绑定优质客户实现进口替代。2)产品品类横向扩张,打开远期成长天花板。由于光芯片行业具备细分品类较多等特点,中短期内我们看好在细分领域中具备深厚技术积累,且已绑定优质客户的国产厂商,有望率先开启进口替代步伐,占据先发优势;长期来看,我们看好具备较强横向扩张能力的光芯片企业。

  参考II-VI、Lumentum业务模式,海外头部厂商采取多产品品类布局,一方面可通过技术创新持续开拓新增长点,另一方面可以抵御单一细分市场需求周期性波动风险。此外多类光芯片生产原材料、产线及生产工艺可在一定程度上实现复用,有助于公司进一步发挥规模优势。

  高功率半导体激光芯片作为光纤/固体激光器泵浦源的核心能量来源,是决定激光器性能及成本的核心元器件。展望行业未来发展趋势,我们判断:

  1) 随着激光器行业降本的持续推进,以及激光焊接、清洗、熔覆等新兴需求的涌现,我们认为激光器行业渗透率提升空间依旧广阔,有望带动上游半导体激光芯片市场规模持续增长。我们测算国内激光芯片(除光通信)市场规模有望由2021年的9亿元增长至2023年的17亿元,对应2021~2023年CAGR为33.3%;

  2) 在下游激光器厂商降本诉求推动下,激光芯片向更高功率快速迭代,或带动行业门槛持续提升,头部厂商盈利能力预计维持高位;

  3) 在光纤激光器行业国产替代持续推进,以及供应链安全诉求背景下,预计将进一步拉动国产激光芯片需求。

  随着长光华芯等高功率激光芯片领域头部国产厂商技术的持续突破,技术实力已达到全球领先水平;客户方面,长光华芯等公司已切入锐科激光、创鑫激光等头部光纤激光器厂商,推动对Osram、II-VI、Lumentum等海外厂商进口替代的步伐。未来随着国产更高功率产品的导入以及新建产能的落地,有望加速国产份额提升,我们预计国产厂商份额有望由2020年的21%提升至2025年的80%。

  高功率半导体激光器芯片可用于制造光纤激光器和固体激光器泵浦源,其工作原理是通过对激光工作物质的激励和抽运激活粒子到高能级,从而实现粒子数反转。半导体激光泵浦源主要由COS芯片(激光芯片、热沉等)、壳体及其他材料组成,根据《激光制造商情》(2020年08月刊130期),泵浦源成本可占光纤激光器总成本比例的50%以上。

  光纤激光器厂商降本诉求推动下,高功率半导体激光芯片输出功率持续提升。伴随光纤激光器的国产替代加速与激烈市场竞争,激光器价格呈逐年下降趋势。根据《2020中国激光产业发展报告》,以6kw激光器为例,2017年国产及进口的平均价格分别为75~120、120~180万元,而2019年国产及进口的平均价格分别下降至30~40、55~65万元。通过提高单管芯片功率,可以显著减少芯片及配套器件的使用,降低泵源用的光学材料成本和结构成本。根据创鑫激光招股书,2017年创鑫突破12W单管芯片泵源,使声光调Q脉冲光纤激光器自制泵源单位成本同比下降42.43%,2018年公司研发18W芯片泵源,进一步使泵源单位成本同比下降12.50%。

  激光芯片厂商通过持续提升产品输出功率巩固竞争实力。以国产高功率半导体激光芯片厂商长光华芯产品发展历程来看,长光华芯成立于2012年,成立之初研发出13W以上高亮度单管芯片;2019年推出15W单管芯片,2020年推出18W、25W单管芯片,2021年实现30W单管芯片量产,产品向更高功率段持续快速迭代。

  车载激光雷达有望为光探测芯片行业带来新的发展机遇。目前光探测芯片已广泛应用于手机、光通信、智能家电(扫地机器人等)等场景,随着车载激光雷达产业的快速发展,我们认为光探测芯片作为激光雷达接收端核心元器件,有望迎来新的发展机遇。从技术方案来看,SPAD/SiPM相比APD具有更强的探测灵敏度(倍增能力),同时SiPM为阵列形式更易于与阵列光源相匹配,且更易集成CMOS工艺降低成本,故SPAD/SiPM有望是激光雷达接收端芯片的未来之选。衬底材料方面,出于成本优势及技术成熟度考量,硅基材料在目前及未来一段时间内引领市场。

  光通信用APD/PIN已实现国产化,国内厂商有望在SPAD/SiPM实现国产化从1到N的突破。目前我国在光通信用APD/PIN市场已实现国产化突破;相比之下,根据QYResearch数据,2020年全球SiPM市场上安森美、滨松、索尼等头部厂商市占率合计83%,市场集中度高,我国国产厂商目前尚未在SPAD/SiPM等市场形成大规模供货。展望未来,我们判断国内SPAD/SiPM厂商随着技术的不断成熟,或从消费电子(手机、扫地机器人)等市场率先实现进口替代;随着国产厂商产品的量产性能、良率趋于成熟,有望进一步向车载激光雷达等高端市场渗透。

  光电探测器主要实现光信号向电信号转换,光探测芯片是其中核心。光电探测器能够检测光信号并完成光信号向电信号的转换,具体而言,光通信系统传输信号时,发射端通过激光器芯片进行电光转换,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。光探测芯片是光电探测器内部的核心元器件,因器件结构的不同,使得由其构成的探测器在应用领域上有所区别。

  光电探测器广泛应用于军用与民用领域,我们重点关注光通信和激光雷达应用。光电探测器在军用以及民用领域均有广泛用途,可以应用在光通信、自动驾驶(激光雷达)、消费电子、医疗器械、物联网、检验检测、安防等领域。本篇报告中我们主要讨论其在光通信和车载激光雷达等民用领域中的应用。根据2022年维科网及前瞻产业研究数据,光器件在光模块中成本占比73%,而在光器件中,光接收次模块ROSA(以探测芯片为主)成本占比32%。根据2022年Icbank半导体行业观察数据,光探测芯片在激光雷达的成本中占20%~30%。

  光探测芯片可分为PIN、APD、SPAD、SiPM四类。依据器件结构方案可以将光探测芯片分为PIN-PD光电二极管、APD雪崩二极管、SPAD单光子雪崩二极管以及SiPM(或称MPPC,滨松根据其原理命名)硅光电倍增管等。PIN、APD工作在线性模式下,偏置电压低于雪崩电压,对入射光电子起到线性放大作用,增益能力较低;SPAD、SiPM(SPAD的一种阵列衍生)工作在盖革模式下,该模式偏置电压高于雪崩电压,增益能力高,单个光子吸收即可使探测器输出电流达到饱和。

  光通信和激光雷达对光探测器要求不同。光通信需求更高的带宽、更快的响应速度及更低的噪声,因而偏向于线性响应性质(具有线性工作区,可以保证光信号传输速度以及准确率)的器件,如PIN、APD。激光雷达需求更高的灵敏度(如弱光下也能完成有效探测,考验光探测器对光信号的增益能力),更低的功耗等,如SPAD、SiPM等。

  主流方案是APD与PIN,APD使用更广泛。PIN方案只能实现光电转换功能,没有倍增能力,输出光电流较弱,因此对环境要求高,仅适用于低灵敏度、中短距离的场景。APD除了可以实现光电转换功能外,还具有一定的倍增能力,以及更高的灵敏度、更好的环境适配性等,作为代价APD在成本上比PIN更高。对于多数场景来说是比PIN更可靠的方案,因为广泛应用于光通信领域。

  SPAD不适用光通信领域。根据《应用于可见光通信系统的APD器件研究》(曾虹谙,2021)、《基于微纳结构的硅基高速探测器研究进展》(王昊璇等,2020)以及《基于标准CMOS工艺线性APD倍增区的优化仿线)所做研究,SPAD并不适用于目前的光通信系统。虽然SPAD在黑暗中更敏感,但是SPAD因其结构使载流子渡越时间长,故而有限的输出脉冲宽度和光子探测效率限制了它的灵敏度和带宽,使得它的响应速度无法满足光通信的要求。

  2)激光雷达领域:APD是现行成熟方案,SPAD/SiPM是未来发展趋势

  APD目前应用最广泛,而SPAD和SiPM是未来之选。对于激光雷达领域,APD也是目前应用最广泛的探测芯片方案,因其具备10-100倍的增益能力,能在低光强环境下完成有效探测。激光雷达未来会更倾向于SPAD/SiPM(SiPM本质上是SPAD的阵列形式),原因是:SPAD/SiPM相对APD具备两大优势:1)SPAD/SiPM是工作在盖革模式下的雪崩二极管,理论上的增益能力是APD的100万倍以上,可在更低的光强环境下完成探测任务;2)SiPM是多个SPAD的阵列形式,与未来的阵列式光源契合,并可获得更高的可探测范围,也更易集成CMOS工艺。国外知名激光雷达厂商Ouster、ibeo、Opsys等均已在布局VCSEL+SPAD方案的激光雷达,预计将于未来三年内陆续推出。

  全球光探测芯片市场规模45.6亿美元,APD市场CR3为45%。根据Gartner数据及预测,2021年全球光探测芯片市场规模为45.6亿美元,基于光电探测器在光通信、视频成像、激光雷达、医学探测领域的广泛应用前景,预计2022E-2025E全球光探测芯片市场保持10.0%的年均复合增速,至2025年市场规模达66.7亿美元。APD作为目前主流技术方案,根据QYResearch数据,2020年,First-sensor、滨松和Kyosemi为市场份额前三名,CR3达到45%,市场较为集中,但新晋企业也能占据一定的份额。

  全球SiPM市场规模为1.25亿美元,我国占36%,主要应用为3D测距成像。根据QYResearch数据及预测,2020年全球SiPM市场规模为124.9百万美元,预计2021E-2027E保持6.5%的CAGR,到2027年增长至193.6百万美元,按SiPM类型可分为单体式和阵列式,目前单体式更广泛,占比为62.8%。2020年我国SiPM市场规模为44.8百万美元,占全球市场的35.8%,亚太地区被认为是未来硅基光电探测器市场的重点区域,预计我国市场2021E-2027E的年均复合增速为7.2%,略高于全球水平,到2027年我国市场为72.9百万美元,届时占全球比例为37.7%。应用方面,根据QYResearch统计,3D测距与成像的应用领域销售量占比最大,2020年的市场总量为76.9万件,总收入为32.6百万美元,占据总市场规模的26.09%。

  全球SiPM市场集中度较高。根据QYResearch数据,全球SiPM市场主要集中于头部企业,2020年以安森美、滨松、博通为首的头部厂商合计市占率达到83%,SiPM产品技术难度大,进入门槛高,且业内收购事件频繁,新进入者较难立足。

  光探测芯片整体国产化率低系生产体系的不完整、不稳定。国内厂商在光探测芯片领域的市占率较低,根本在于没有完整、稳定的生产加工体系。根据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年)》以及电子工程世界研究,我国SPAD等光芯片发展高度依赖生产工艺及封装测试。比如目前在SPAD领域做的较好的安森美拥有大批量封装测试经验(并外延收购SPAD厂商)、CIS/CCD玩家佳能、索尼(拥有完善的生产体系)。然而,我国厂商生产工艺较不成熟,且缺少本土优质代工平台,因而在芯片流片加工上严重依赖如美国、新加坡、德国等国家的代工厂,加之熟悉相关工艺的技术人员稀缺,造成关键技术发展缓慢、芯片研发周期较长、效率较低等,因而与海外技术存在差距。

  国产芯片具备本土化优势,在产品性能、量产能力方面需持续磨剑。我们认为,相比国外供应商,国内探测芯片厂商在产品的定制化上有较好的灵活性,价格也有一定的优势,未来在产品、技术上不断突破,有望推进国产替代进程,在产品性能、量产能力等方面需要持续磨砺。目前,不乏国产公司在单项产品力上领先国际,如根据灵明光子官网,灵明光子基于波长905nm处的单光子探测效率(PDE)达到25%,超过行业平均的5%~18%。

  海外巨头产品成熟布局全面,已在下游广泛应用。海外方面,滨松、First Sensor、博通等厂家布局全面,实现从PD、APD到SPAD/SiPM的光探测芯片产品全覆盖,滨松已在积极转移战略重心,自APD向SPAD/SiPM的转化。此外安森美、Lumentum、II-VI、Kyosemi、索尼、佳能、Excelitas等企业也在各自涉猎领域实力出众,引领行业发展。

  国内公司规划分明,APD厂商相对成熟,创新性企业重点布局SPAD/SiPM

  国产替代方兴未艾,创企重点布局SPAD/SiPM。国内目前参与厂商较散,产品体系丰富度、成熟度低,厂商对于探测芯片方案的选择较为分明,以光迅科技、光森电子、三安光电为首的公司选择传统成熟的PIN-PD、APD领域,产品较多运用于光通信产业链中;以芯视界、灵明光子、阜时科技为首的一众创企较多选择布局未来方向的SPAD/SiPM,国产SPAD/SiPM探测器正陆续应用于消费电子、激光雷达、AR/VR、医疗等领域。

  VCSEL基于量产成本低、波长稳定等优势,随着VCSEL功率密度等性能持续提升,有望成为半固态/固态激光雷达发射端核心元器件。展望VCSEL芯片行业未来发展趋势,我们判断:1)需求端有望伴随全球车载激光雷达出货量快速提升而释放。我们测算国内激光雷达用VCSEL芯片市场规模有望由2022年的0.26亿元增长至2025年的10.14亿元,对应2023~2025年CAGR为238.3%;2)目前海外龙头Lumentum、II-IV占据市场主要份额(2020年合计占比80%),而长光华芯等头部国内厂商有望在技术不断成熟、客户认证推进等背景下加速进口替代步伐。

  车载激光雷达有望催生VCSEL行业新机遇。相较LED和EEL等其他光源,VCSEL激光器具有许多优势,例如量产成本低(晶圆级工艺)、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。根据Yole《VCSEL市场及技术趋势报告》,自2017年苹果在iPhoneX中引入3D传感功能后,VCSEL在消费电子领域快速发展,主要应用领域逐渐由850nm器件的高速数据通信应用转向940nm器件的3D传感应用。近年来伴随汽车“智能化“进程推进,车载激光雷达市场呈快速增长,VCSEL有望迎来第二个大规模应用机遇。

  2021年禾赛科技发布首个VCSEL车规级长距半固态激光雷达。近年来伴随技术的发展,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,在10%反射率情况下探测距离可达200米。我们认为未来在低成本、高效率等优势推动下,VCSEL有望激光雷达领域获得更大的应用市场。

  市场空间:2025年国内激光雷达用VCSEL芯片市场有望达10.14亿元

  根据我们于2022年7月14日发布的《长光华芯:光耀中国芯,激光芯片国产化领军者》中的测算,2022年国内激光雷达用VCSEL芯片市场规模有望达0.26亿元,预计至2025年达到10.14亿元,对应2023~2025年CAGR为238.3%。

  多结VCSEL技术发展推动VCSEL在车载激光雷达领域的应用。车载激光雷达应用要求VCSEL需具有较高的功率密度以实现长距离探测,目前常用的提升功率密度的办法为多结VCSEL技术。多结VCSEL技术在结构上通过周期性垂直地将几个PN结叠在一起,实现了更高的光学效率、更高的功率密度和更高的斜率效率,有效降低器件的热负荷和封装尺寸。2022年4月VCSEL巨头Lumentum发布五结/六结VCSEL,最高功率密度超过1400W/mm2,国内方面纵慧芯光、长光华芯等公司均已实现五结VCSEL产品突破。

  目前VCSEL功率密度仍远小于EEL,各厂商技术改进下VCSEL有望缩小差距。VCSEL的成本低、温漂小、发光面积大等优势使其在中短距FlashLiDAR系统具有吸引力,但另一方面,目前VCSEL与EEL亮度间的巨大差异仍限制了其更广泛的应用。由于VCSEL一般通过增加发光点或单孔发光面积来提升光功率,而EEL激光器功率密度随激光器长度增加而增加,因此VCSEL发光面积较大而功率密度远小于EEL。根据Power Electronics数据,VCSEL功率密度一般约1000W/mm2,而EEL功率密度一般在10000W/mm2以上。

  从各公司公开资料来看,EEL方面,艾迈斯欧司朗产品最高功率密度接近60000W/mm2;VCSEL芯片方面,海外厂商Lumentum 2022年4月发布M51-100产品最高功率密度超过1400W/mm2,国内厂商长光华芯的《投资者关系活动记录表(5月)》显示公司VCSEL功率密度已达1200W/mm2。伴随VCSEL供应商不断改进多结VCSEL技术,VCSEL亮度有望继续缩小与EEL的差距,依靠其低成本优势获取广泛市场。

  国内厂商研发与制造水平与国际领先水平尚有一定差距,国产化替代进程有望持续推进。目前,海外龙头Lumentum、II-IV凭借技术优势主导芯片市场,根据Yole数据,Lumentum、II-IV两家公司2019、2020年市场份额合计占比分别为67.7%和79.6%。在生产模式上,Lumentum将外延环节外包,II-VI自产外延片。国内传感应用类VCSEL企业主要包括长光华芯、纵慧芯光、睿熙科技、博升光电、柠檬光子、瑞识科技等,多为创业型企业,其中长光华芯等头部厂商采用IDM模式,打造核心竞争力。

  VCSEL产业链主要由结构设计、外延生长、晶圆制造、封装测试四个环节组成,产业链高度细分、专业化程度高、拥有较高的技术门槛。相较边发射激光器在光刻、镀膜等环节的核心工艺门槛,VCSEL的多层外延结构对外延环节的技术要求很高。目前海外厂商在产业链各环节占据主导地位,国内厂商不断跟进。

  硅光芯片具有高集成度、低成本、高速光运输的特点,在光子集成化背景下发展前景广阔。硅光芯片下游应用场景丰富,主要可以分为三大应用领域:连接(用于数据中心和电信领域的光通信连接)、传感(用于环境测量或识别,如激光雷达)和计算(用于新一代计算的量子光学),目前硅光芯片多用于光通信领域,未来有望在FMCW激光雷达、光子计算等领域进一步延拓。硅光产业链方面,目前海外厂商占主导地位,国内厂商仍处于持续跟进的阶段,我国在硅光器件研究方面与国际先进国家同时起步,研究水平也相当,但在硅光芯片产业化发展和产业链方面,国内厂商与海外头部厂商仍有较大差距。

  光子集成大势所趋,硅光芯片发展前景广阔。光子芯片根据基材的不同,大致可分为两类:一种是在以InP为代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片;另一种则是在以硅为代表的“无源材料”上制作的,即硅光芯片。硅光是以硅光子学为基础的低成本、高速的光通信技术,利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备,融合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势,把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中,实现高集成度、低成本、高速光传输。与分立器件光模块相比,硅光子器件无需ROSA或TOSA封装,集成度更高,更加适应未来高速流量传输处理需要,与此同时更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本,基于以上优势,硅光芯片技术广受关注。

  硅光技术的发展可以分为三个阶段:①硅基器件逐步取代分立元器件,即用硅制造光通信底层器件,达到工艺的标准化。②集成技术从耦合集成向单片集成演进,实现部分集成,再把这些器件通过不同器件的组合,集成不同的芯片。③光电一体技术融合,光电全集成化,单芯片光电处理,最低延时,最佳体验。目前在世界范围内,硅光技术处于集成技术从耦合集成向单片集成演进的第二阶段,目前在光通信系统中混合集成使用较多,还未实现光电全集成化,但单片集成也已经进入量产。

  下游应用领域广泛,预计硅光芯片全球市场规模2020~2025年CAGR为52.4%。硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片,在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势,可广泛应用于光通信(5G)、数据中心、人工智能、医疗检测、高阶计算、自动驾驶、国防等领域。根据Yole预测,全球硅光市场规模有望从2019年的4.8亿美元增长至2025年的39.5亿美元,2020~2025年CAGR达52.4%。

  光通信为硅光芯片最主要下游市场。细分来看,Yole预计至2025年,数据中心收发器/长途收发器/5G收发器领域市场规模预计分别为36.0/1.9/0.6亿美元,占硅光芯片市场总规模比例分别为91.1%/4.7%/1.5%,为硅光前三大主要应用市场,均属于光通信领域。

  5G时代带来数据流量快速增长,硅光芯片以低成本解决传输速率问题。数据中心处理高速率流量需求不断的提升对光通信性能提出了更高要求,要求光通信行业技术持续迭代升级以提高光通信产品的适应性和技术性。原有的Ⅲ-V族半导体激光芯片成本较高,并且能承受的调制带宽受限,50Gbps成为单通道传输速率瓶颈,无法满足更高带宽的需求。与传统光模块方案相比,硅光芯片将多路激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上,硅光模块在高速率下,仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性,较传统光模块具有一定优势,硅光子技术能够解决400G通信时代需要面对的PAM4电调制方案带来的巨大损耗和8*50G的QSFP-DD方案引发的器件数量增加与工作带来温度提升带来的温漂等挑战性问题。硅光方案目前被部分数据中心所采用,硅光产业有望得到快速发展。

  硅光以其集成化优势,有效解决FMCW可靠性验证难度大、成本较高的问题。FMCW路线的兴起与硅光技术的发展密不可分,早期的FMCW激光雷达都是由各种分立器件堆叠起来,组件调试和器件成本都非常高,很难达到大规模商业化落地需求。但随着硅半导体产业的成熟,基于硅CMOS半导体生态发展起来的硅光技术平台,可有效把这些分立的器件集成到同一块芯片上,乃至理想状态下在FMCW中能将光学镜头和扫描部件芯片化,保障性能的同时降低成本,有望有效解决FMCW解决方案的可靠性验证难度大、成本较高的问题。芯片级封装、图像级分辨率,硅光FMCW有望成为激光雷达关键技术路径之一。

  硅光FMCW有望随着硅光技术的不断发展实现产品量产。Aeva、Mobileye以及Aurora(收购Blackmore)是三家硅光芯片+FMCW技术路线年Mobileye宣布将自主研发硅光芯片+FMCW(调频连续波)技术路线年Avea发布首款汽车级4D激光雷达传感器Aeries II,将关键的激光雷达光通信收发模块集成到硅光子芯片中,并通过FMCW技术直接获取500米内的物体移动速度。在中国市场,洛微科技(LuminWave)也已经进入产品化和验证阶段,2021年发布第二代FMCW光引擎模组。

  以硅光芯片为基础的光计算有望逐步取代电子芯片计算场景。据OpenAl统计,自2012年以来,每3-4个月人工智能的算力需求将翻倍,摩尔定律带来的算力增长已无法满足需求,硅光芯片更高计算密度与更低能耗的特性能有效的解决极致算力的应用需求。在数据搬运方面,光通信具有较大的优势;运行速率方面,目前大数据AI以线性运算为主,光的矩阵乘法并行能力较强,延时低于电芯片,并且在传播的过程中不会发热。根据达摩院预测,未来5-10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。

  硅光芯片的核心挑战源于产业链以及工艺水平。(1)硅光芯片的设计、量产、封装等未形成标准化与规模化,导致其在产能、成本、良率上的优势还未显现;(2)光计算领域的挑战是精度低于电子芯片,应用场景受到限制,算力也要求更高的集成度,使得整体的商业化过程较为漫长。为了尽快突破上述瓶颈,硅光器件预计呈现两大趋势:协同封装与芯片整合。协同封装是通过TSV封装的形式,将CMOS芯片与光学芯片整合在一起,硅光与采用TSV接口的CMOS芯片共同集成将成为必然,多家公司(如曦智科技、Ayar Labs和Lightmatter公司)正在为高光子集成做铺垫;芯片整合则是完全形成单芯片解决方案,无需铜线连接,主要应用于光学的输入和输出。

  海外大厂抢先布局,国内厂商持续跟进。目前全球硅光领域产业化较领先的玩家包括思科、Intel 和Inphi。近几年来包括思科、华为、Ciena、Juniper 等巨头纷纷通过收购布局硅光技术。目前Intel、IBM、NEC、NTT、Fujitsu等企业都针对硅光芯片产业进行了布局,Marvell、思科、诺基亚等斥资百亿美元先后并购Inphi、Acacia、Elenion等硅光领域的创新企业。目前,Intel和台积电均大力开发硅光子制造工艺技术,已经形成了较为完整的硅光芯片产业链。我国在硅光器件研究方面与国际先进国家同时起步,研究水平也相当,但在硅光芯片产业化发展和产业链方面,国内厂商与海外头部厂商仍有较大提升空间。

  我们测算至2023年,国内激光芯片(除光通信)市场规模有望由2021年的8.9亿元增长至17.3亿元。我们基于如下假设:

  1)根据《2021中国激光产业发展报告》,2020年国内光纤激光器出货量(工业用)为56000台,其中1-3kW、3-6kW、6-10kW及10kW以上功率激光器出货量分别为38000/14000/2400/1600台。我们认为1-3kW光纤激光器有望受手持激光焊接市场需求推动而实现快速增长,6kW以上光纤激光器市场规模主要随高功率市场激光器需求持续增长,假设2021~2023年1-3kW同比增速分别为90%/70%/60%,3-6kW同比增速分别为95%/70%/60%,6-10kW同比增速分别为100%/95%/85%,10kW以上同比增速分别为120%/105%/100%,则我们预计2021~2023年国内光纤激光器出货功率同比增速分别为96%/77%/69%。

  2)根据长光华芯招股书,截至2021年底公司单管芯片电光转换效率达60%~65%,产品技术水平与国外先进水平同步,我们保守估计2021~2023年国内光纤激光器电光转换效率保持60%不变。根据创鑫激光招股书,公司合束器产品耦合输出总体合束效率超过98%,耦合效率达国内先进水平,我们假设激光芯片耦合输出效率2021~2023年保持稳定,维持在98%;

  3)激光芯片单瓦价格方面,根据长光华芯招股书,公司2020年及1H21单管芯片单价分别为18.95/14.1元,单管芯片平均功率分别为15W/18W,即2020/2021年单瓦价格分别为1.26/0.78元(2021年以1H21价格为代表),对应的2021年同比降幅为38%。未来来看,我们认为中游激光器厂商基于降本角度的考虑,以及在高功率半导体激光芯片规模化量产、技术突破下单瓦价格预计保持下降趋势;降幅方面,我们认为经历近年国内激光芯片价格的快速下行,以及随着激光芯片向更高功率发展背景下,行业出货结构或向更高价值量产品倾斜,我们预计2022~2023年激光芯片单瓦价格降幅或较2021年趋缓,假设分别同比下降20%/15%;

  4)根据Laser Focus World数据,2020年工业用激光器占比、非工业用激光器占比(除光通信)分别为39%、36%。工业用激光器方面,我们认为行业市场规模有望在激光焊接、激光清洗等新兴应用快速发展下保持稳健增长,预计2021~2023年国内工业用激光器占比分别为40%/41%/42%。非工业用激光器方面,我们假设2021~2023年占比保持稳定,分别为37%/36%/35%;

  基于以上假设,我们测算2021~2023年国内激光芯片(除光通信)市场规模分别为8.9/12.3/17.3亿元。

  2020年国产高功率激光芯片份额占比超20%。高功率半导体激光芯片方面,美国和欧洲起步较早,技术上具备领先优势,传统国际巨头包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等(其中IPG主要为自用);国内半导体激光芯片行业随着技术的不断突破,处于快速发展期,主要厂商包括长光华芯、武汉锐晶、度亘激光、华光光电、深圳瑞波等。根据长光华芯招股书测算,2020年长光华芯、武汉锐晶占国内高功率半导体激光芯片市场份额分别达13.4%/7.4%,国产率近21%。我们认为未来在长光华芯、武汉锐晶等公司持续开拓下,半导体激光芯片国产化进程有望持续迈进。

  高速率激光芯片作为光模块发射端核心元器件,很大程度上决定了光模块的传输速率。展望高速率激光芯片行业未来,我们判断:

  1)行业出货结构向25G及以上速率芯片进一步倾斜。在数通以及电信市场需求的拉动下,我们测算全球高速率激光芯片市场规模将由2021年的11亿美元提升至2025年的19亿美元,对应期间CAGR为14%;其中25G及以上速率芯片市场规模预计由2021年的8亿美元提升至2025年的17亿美元,对应期间CAGR为20%,出货金额的占比有望由2021年的73%提升至2025年的90%,有望实现超越行业的增长,我们认为驱动因素主要系全球移动通信、数据中心等领域通信系统向更快传输速率升级背景下,更高速率的激光芯片需求有望快速释放。

  2)2.5G、10G芯片部分市场已实现进口替代,未来国产厂商有望突破25G核心市场。2.5G及以下光芯片方面,我国已基本实现国产化;在10G芯片方面,源杰科技等国产厂商已在部分细分市场取得领先的份额,但部分较高技术门槛市场仍依赖进口。25G及以上市场为我国国产化薄弱环节,根据ICC统计,25G光芯片的国产化率约20%,但25G以上光芯片的国产化率仍较低约5%。我国厂商在应用于5G基站前传光模块的25G DFB激光器芯片有所突破,数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的25G DFB激光器芯片。

  高速率激光芯片:光通信系统发射端核心上游元器件,为系统带宽的决定因素之一。根据源杰科技招股书,光通信系统中的光芯片包括激光器芯片与探测器芯片,在光通信的产业链中,光芯片可以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。本章中我们重点讨论发射端中的高速率激光芯片,作为实现电信号转换为光信号的核心上游元件,高速率激光芯片是决定信息传输速度和网络可靠性的关键元件之一。

  行业未来有望向更高调制速率发展。调制速率是衡量高速率激光芯片性能的核心指标之一,其指的是信号被调制以后在单位时间内的变化,即单位时间内载波参数变化的次数,它是对符号传输速率的一种度量。光芯片的调制速率较大程度上决定了光模块向高速率演进的速度。按照调制速率的不同,高速率激光芯片可分为2.5G、10G、25G及以上各速率光芯片,光芯片调制速率越高,对应的光模块单位时间传输信号量越大。随着更高速率光模块的持续发展,预计将带动更高速率激光芯片需求的释放。

  我们基于源杰科技于2022年5月7日发布的第一轮审核问询函回复中的测算,得到2021年全球高速率激光芯片市场规模为11.38亿美元,预计至2025年将增长至19.37亿美元,对应2022~2025年CAGR为14.22%。具体假设如下:

  5)2021年全球2.5G及以下光模块市场规模约5.58亿美元,其中数据中心市场/接入网市场(包含光纤接入和4G/5G移动通信网络)分别约1.24 /4.34亿美元;10G光模块市场规模约14.40亿美元,其中数据中心市场/接入网市场分别约6.00/8.41亿美元;25G及以上速率光模块市场规模约67.22亿美元,其中数据中心市场/接入网市场分别约41.71/25.51亿美元。

  6)预测至2025年,全球2.5G及以下光模块市场规模约0.46亿美元,其中数据中心市场/接入网市场分别约0.41/0.05亿美元;10G光模块市场规模约11.90亿美元,其中数据中心市场/接入网市场分别约2.66/9.24亿美元;25G及以上速率光模块市场规模约140.11亿美元,其中数据中心市场/接入网市场分别约86.03/54.08亿美元。

  7)2.5G光芯片、10G光芯片、25G及以上光芯片对应的光模块毛利率分别为25%、25%和30%;

  9)光芯片(含发射芯片+探测芯片)及组件占数据中心光模块材料比例为50%,光芯片(含发射芯片+探测芯片)及组件占接入网光模块材料比例为85%;

  基于以上假设,我们测算2021年全球光芯片(含发射芯片+探测芯片)市场规模为22.75亿美元,其中,2.5G光芯片/10G光芯片/25G及以上光芯片市场规模分别为1.81/4.26/16.68亿美元。预计2025年全球光芯片(含发射芯片+探测芯片)市场规模为38.74亿美元,其中,2.5G光芯片/10G光芯片/25G及以上光芯片市场规模分别为0/3.86/34.88亿美元。

  2025年全球高速率激光芯片市场规模有望突破19.37亿美元。高速率激光芯片市场规模方面,根据德科立公司于2022年4月20日发布的第二轮审核问询函的回复,德科立公司2021年采购的25G DML发射芯片与APD接收光芯片单价分别为106.04/106.22元,单价较为接近,我们基于此假设高速率激光芯片与探测芯片价值量相等,即高速率激光芯片市场规模占上文中测算的光芯片(含发射芯片+探测芯片)市场规模的一半,得到全球高速率激光芯片市场规模有望由2021年的11.4亿美元提升至2025年的19.4亿美元,期间CAGR为14%;其中25G及以上速率芯片市场规模预计由2021年的8.34亿美元提升至2025年的17.44亿美元,对应期间CAGR为20.25%,出货金额的占比有望由2021年的73%提升至2025年的90%,有望实现超越行业的增长。

  竞争格局:部分2.5G/10G市场已实现国产化,25G市场进口替代空间广阔

  部分2.5G/10G市场已实现国产化,25G市场进口替代空间广阔。海外光通信企业凭借先发优势积累核心技术及生产经验,逐步实现产业闭环建立起较高的行业壁垒。国内方面,近年来伴随相关产业政策的扶持以及企业加大创新投入,逐渐涌现出源杰科技、云岭光电、武汉敏芯等一批优秀光芯片国产企业。当前2.5G/10G激光芯片已实现国产化突破,25G及以上高速率光芯片国产化率仍多依赖进口,未来伴随国产厂商技术的进一步提升,对高速率光芯片的进口替代有望持续推进。

  2.5G及以下产品已实现国产化。2.5G及以下速率光芯片方面,我国光芯片企业已基本掌握核心技术,2.5G光芯片市场已基本实现国产化。根据ICC统计,2021年全球2.5G及以下 DFB/FP激光器芯片市场中,国产厂商占比较高,其中,占比超过10%的较为领先的厂商包括武汉敏芯(份额为17%)、中科光芯(份额为17%)、光隆科技(份额为13%)、光安伦(份额为11%)。

  10G产品在部分领域已取得国产化突破。我国光芯片企业已基本掌握10G光芯片的核心技术,但部分型号产品仍存在较高技术门槛,依赖进口。根据ICC统计,2021年全球10G DFB激光器芯片市场中,较为领先的厂商包括源杰科技(份额为20%)、住友电工(份额为15%)。但另一方面,部分10G光芯片产品性能要求较高、难度较大,如10G VCSEL/EML激光芯片等,国产化率不到40%(ICC数据)。

  25G及以上速率产品进口替代空间广阔。25G及以上光芯片包括25G、50G、100G激光器及探测器芯片。随着5G建设推进,我国光芯片厂商在应用于5G基站前传光模块的25G DFB激光器芯片有所突破,数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的25G DFB激光器芯片,根据ICC统计,25G光芯片的国产化率约20%,但25G以上光芯片的国产化率仅为5%。

  光芯片行业蓬勃发展,关注国产替代机遇。随着光电半导体产业的蓬勃发展,光芯片作为产业链上游核心元器件,目前已经广泛应用于通信、工业、消费等众多领域。随着行业的不断发展,海外已涌现出 II-VI、Lumentum 等全球化布局的平台型企业,在光芯片的多种细分领域都具有着较强竞争实力及市场地位,实现了自身业绩的持续增长,并为投资者带来良好投资回报。如 II-VI 自 2000 年初以来股价(前复权)累计涨幅最高超过 169 倍, Lumentum 自 2015 年上市以来股价(前复权)累计涨幅最高超过 550%。

  我们认为:1)光芯片未来在下游通信、工业等领域的应用深化,以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展,市场规模有望保持持续增长;2)当前我国光芯片国产化率仍较低,中期我们看好高功率、高速率光芯片国产化迈入提速期;长期我们看好光探测、硅光芯片等领域实现国产化从 1到 N 的突破,建议关注国产替代机遇。

  下游光通信、自动驾驶、消费电子等需求丰富,光芯片厂商横向拓展空间广阔。光芯片是全球半导体行业的一个重要细分赛道,涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用 VCSEL 等成熟应用,以及车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域。我们认为在通信、工业等领域的应用深化,以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展,光芯片市场规模有望持续增长。根据 Gartner 数据,2021 年全球光电子器件(含 CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等)市场规模达 414 亿美元,预计 2025 年市场规模有望达 561 亿美元,对应期间 CAGR=9%。

  下游光通信、自动驾驶、消费电子等需求丰富,光芯片厂商横向拓展空间广阔。

  光芯片是全球半导体行业的一个重要细分赛道,涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用VCSEL等成熟应用,以及车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域。我们认为在通信、工业等领域的应用深化,以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展,光芯片市场规模有望持续增长。根据Gartner数据,2021年全球光电子器件(含CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等)市场规模达414亿美元,预计2025年市场规模有望达561亿美元,对应期间CAGR=9%。

  目前我国光模块、光纤激光器、激光雷达等下游细分领域已具备较强竞争实力,推动相关领域国产化进展持续迈进,光芯片作为产业链上游核心环节,是我国光电领域国产化下一阶段亟需突破的重点环节。光芯片行业细分子领域较多,本篇报告中我们系统地讨论了高功率激光芯片、高速率激光芯片、VCSEL、光探测芯片等有源光芯片的市场空间以及国产化机遇。我们判断:当前我国光芯片国产化率仍较低,中期我们看好高功率、高速率光芯片国产化迈入提速期;长期我们看好光探测、硅光芯片等领域实现国产化从1到N的突破,建议关注国产替代机遇。

  建议关注细分领域已具备领先技术实力、绑定优质客户,且具备横向扩张潜力的国产厂商。

  未来我国光芯片厂商的成长路径有望经历两个阶段:1)在细分领域凭借自身技术实力,绑定优质客户实现进口替代。2)产品品类横向扩张,打开远期成长天花板。由于光芯片行业具备细分品类较多等特点,中短期内我们看好在细分领域中具备深厚技术积累,且已绑定优质客户的国产厂商,有望率先开启进口替代步伐,占据先发优势;长期来看,我们看好具备较强横向扩张能力的光芯片企业。参考II-VI、Lumentum业务模式,海外头部厂商采取多产品品类布局,一方面可通过技术创新持续开拓新增长点,另一方面可以抵御单一细分市场需求周期性波动风险。此外多类光芯片生产原材料、产线及生产工艺可在一定程度上实现复用,有助于公司进一步发挥规模优势。

  【高功率激光芯片】长光华芯;【高速率激光芯片】源杰科技、云岭光电、武汉敏芯、中科光芯;【光探测芯片】灵明光子、南京芯视界、阜时科技;【VCSEL芯片】纵慧芯光;【硅光芯片】苏州熹联、中科鑫通。

  市场对光芯片的研究多集中于某单一垂直领域,由于光芯片行业细分子领域较多,且各个子领域所处市场空间、行业竞争格局、下游客户群体均有所差异,我们在本篇报告中系统地梳理了高功率激光芯片、高速率激光芯片、光探测芯片、VCSEL芯片、硅光芯片等有源光芯片的技术发展趋势、市场空间以及国产化进程,通过对光芯片各子领域的横向比较,分析我国光芯片行业的中短期和长期的投资机会。此外我们通过对海外II-VI、Lumentum等厂商进行业绩及股价的复盘,对我国光芯片厂商发展路径做出了展望。

  市场担忧光芯片市场空间有限,我们认为:1)随着光芯片应用领域的深化以及技术创新带动如激光雷达等新的应用场景,光芯片市场增长空间依旧广阔。从海外头部厂商来看,II-VI、Lumentum营收均已超100亿人民币;2)当前高功率激光芯片、高速率激光芯片、VCSEL芯片等细分赛道国产化率总体水平较低,国产光芯片厂商市占率提升空间广阔。部分头部厂商伴随技术不断突破,已具备全球领先水平,未来有望基于领先的技术优势及市场地位享受进口替代红利。长期来看,我们认为我国光芯片厂商有望对标II-VI、Lumentum等全球化布局的平台型企业,通过主营业务的横向拓展打开成长天花板。

  深耕高功率半导体激光芯片,纵向+横向打造激光产业“中国芯”。公司系国内少数具备高功率激光芯片量产能力的企业之一,实现了高功率激光芯片的国产化与进口替代。根据公司招股书测算,2020年公司占国内高功率半导体激光芯片市场份额的13.4%,位居国产厂商第一位,2021年公司已实现30W单管芯片量产,技术实力全球领先。在产品布局上,一方面,公司通过纵向延伸打通芯片→器件→模组→半导体激光器产业链条,实现了在高功率单管系列、高功率巴条领域的全产业链布局;另一方面,公司基于高功率半导体激光芯片的技术优势以及设计和量产能力,切入VCSEL及光通信芯片赛道,已建立了VCSEL产品包含外延生长、条形刻蚀、端面镀膜、划片裂片、特性测试、封装筛选和芯片老化的完整工艺线。

  切入头部光纤激光厂商,业绩快速增长。客户方面,公司已切入锐科激光、创鑫激光等头部光纤激光器厂商,1H21二者对公司单管芯片采购量较2020年全年金额分别增长365.1%、26.1%。受益于半导体激光芯片整体市场规模扩大与公司份额提升,2019/2020/2021公司营收分别为1.39/2.47/4.29亿元,同比增速分别为49.8%/78.5%/73.59%,营收保持快速增长。同时,受益于进口替代进程加快,公司高毛利率的芯片类产品销量较去年同期有所上升,带动盈利能力提升,2021年归母净利润为1.15亿元,同比增长340.49%;根据2022年一季报,公司2022Q1实现归母净利润0.28亿元,同比增长45.73%。

  聚焦单光子探测器赛道,dToF技术优势明显。灵明光子创立于2018年,致力于单光子探测器(SPAD)赛道,为手机、激光雷达、机器人、无人机、VR/AR设备等应用提供自主研发的高性能dToF深度传感器芯片。dToF(direct time-of-flight,直接测量飞行时间)直接向测量物体发射光脉冲,测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔来计算待测物体的距离。dToF可以单点测距,也可以配合扫描或光学镜头进行成像,为未来元宇宙中物理世界和数字信息世界的实时交互填补3D智慧感知拼图。

  三大产品线针对性设计,核心技术壁垒较高。灵明光子SPAD产品三大产业线包括硅光倍增管(SiPM)、有限点dToF芯片及模组、单光子成像阵列(SPADIS)及dToF模组。公司掌握国际领先的SPAD器件设计和工艺能力,基于波长905nm处的单光子探测效率(PDE)达到25%,为世界纪录级别,远超行业平均的5%-18%,可以实现探测距离更远、功耗更低、体积更小。同时,灵明光子也拥有国内唯一、全球稀缺的成熟3D堆叠dToF芯片设计和工艺能力,并已成功研发多款3D堆叠SPADIS芯片。

  先进的光电转换器件设计及单光子检测成像技术,在技术和实用性上处于领先地位。visionICs(芯视界前身)于2016年在美国硅谷Santa Clara市成立,成立之初即开始dToF研发,并坚持走单光子直接ToF的技术路线。公司拥有芯片级的光电转换器件设计和单光子检测成像技术,主营基于单光子探测的一维和三维ToF传感芯片。硅谷的海外研发机构为芯视界提供技术支撑。

  单光子检测方案显著降低能耗。芯视界发布全球领先的基于单光子检测的激光测距ToF芯片,在低成本CMOS工艺上实现了高灵敏度、高分辨率单光子检测阵列,集成了自主研发的高精度测距电路和抗干扰数字算法。相比较于目前修改CMOS像素图像传感器而实现的间接ToF三维测距,基于单光子像素(SPAD)阵列的直接ToF拥有超高的光电探测灵敏度,实现低激光功率下的远距离探测,降低整体系统的功耗和成本。

  阜时科技2017年11月底成立于深圳,重点研发生物传感及机器视觉系列芯片及配套算法SDK,为手机集成商、方案商及终端品牌客户提供高性能的系统级完整解决方案,致力于推动人机交互智能化升级。公司目前已积累积累了SPAD、光学传感和人脸识别三大产品线,产品和技术已经服务了10多个行业,为手机、IoT、自主移动设备、汽车等终端提供芯片及完整的技术解决方案,旗下共有超过50款不同型号的六大类芯片产品。

  服务配套完善,覆盖一线厂商。公司一边自主开发有广阔市场前景的、可实现商业价值的芯片,一边为一线品牌厂商定制芯片,且从调试、测试、算法验证到售后配套,均提供高品质的一条龙服务。具有完整的芯片设计、软硬件支持、核心算法开发等能力,已成功量产应用于一线 年初阜时科技已成功拿到头部车企激光雷达厂商的SPAD芯片定制订单,并于2022年批量交付客户。

  高效能光通信解决方案提供商。苏州熹联光芯微电子科技有限公司成立于2020年7月20日,由半导体、硅光及金融等领域多位资深专家领头,致力于打造硅光领先技术平台,努力推动全球5G、数据中心及数字化进程。为了快速实施在硅光领域的战略布局,熹联光芯于2021年10月份完成了对德国Sicoya GmbH的100%股权并购。公司以苏州为总部,以上海和柏林研发中心为双引擎,结合国内制造基地强大的量产实力,将快速实现推动硅光科技的发展。

  全球硅光科技引领者,占据高端。公司在硅光领域有10多年的技术积累和储备,拥有硅光领域完整的自有设计器件IP组合,同时拥有光电一体全集成化的硅光芯片技术。公司拥有完善的专利体系,核心技术能够涵盖多种产品和应用领域,从无线通信、数据通信(光引擎&光模块)、服务器网络、智能驾驶、激光雷达、生物传感等拥有多领域技术储备和商业合作。目前在全球范围拥有50多项硅光授权发明专利,同时还有50多项正在申请中公司目前拥有多家全球行业一流的客户,均在稳定的批量交货和商业技术合作中。

  致力成为光器件领域引领者,打造全球光网络优质链接。苏州天孚光通信股份有限公司(简称TFC)2005年成立,是业界领先的光器件整体解决方案提供商。公司于2015年登陆中国创业板,目前己成为光器件细分行业龙头企业。产品广泛应用于光纤通信及光学传感,智能汽车,生命科学等领域。天孚通信致力于成为引领光器件领域发展的国际一流企业,为全球光网络畅通提供优质连接。

  规模实现扩张,业绩增长势头稳健。公司上市以来总营收实现稳定增长,光有源器件板块营收总体高增长。公司上市后加码研发投入力度,不断推出新的产品,拉动营收增长。2020 年公司在光引擎研发方面取得重大进展,光有源板块同比增长迅速,推动公司整体营收与净利润快速提升。2021年公司实现营业收入10.32亿元,同比增长18.20%;净利润3.06亿元,同比增长9.77%,主要系全球数据中心规模建设带动对光器件产品需求的持续增长,“面向5G及数据中心的高速光引擎建设项目”顺利实现量产,及收购北极光电与天孚精密带来营收与利润增长。

  掌握自主知识产权VCSEL芯片技术。纵慧芯光(Vertilite)成立于2015年,是一家创新型的光电半导体企业,致力于为全球客户提供高功率以及高频率VCSEL解决方案,主要研发生产VCSEL芯片、器件及模组等产品。公司由来自业界的经验丰富的科学家和工程师组成,已成功发布了高性能产品,适用于3D传感,光通信,工业自动化,生物医学应用,汽车应用,消费电子和LiDAR解决方案的多样化应用。

  研发实力领先,产品性能先进。公司拥有卓越的研发团队,世界顶尖的科技研发实力。公司主要以研发生产VCSEL芯片、器件及模组为主营业务(650到1000纳米波段)。公司产品性能已达到世界先进水平,在国内处于绝对领先地位。公司产品广泛应用在3D感知、虚拟现实/增强现实、自动驾驶、生物医疗传感器和高速光通信等领域,目前已与国内顶尖的手机终端厂商和模组厂商深度合作,具有广阔的市场前景。

  探索激光雷达前瞻技术发展与应用,增强车辆安全性能与驾驶体验,实现更高水平的自动化发展。易贸信息科技与智车行家将于2022年11月16-18日苏州举行2022(第四届)国际激光雷达前瞻技术展示交流会,继续携手行业OEM、Tier1、激光雷达厂商、光学元件厂商、材料企业、测试验证企业以及第三方机构等800余位专家,共同探索激光雷达产品在自动驾驶、工业、智慧城市等领域技术运用的发展与未来。

  600+参会名单公布!第四届激光雷达前瞻技术展示交流会11月苏州隆重召开!

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