1. 光芯片：光进铜退，光子领域核心元器件

1.1. 原理：三五族化合物主导，实现光电信号转换

1.1.1. 光芯片为激光器、探测器核心组成

激光应用广泛，其工作有赖于激光器与探测器。得益于方向性好、单色性好、能量 密度高，激光不仅在光纤通信、工业制造等传统领域应用广泛，更在 3D 传感、车载激 光雷达等新型领域日益普及。激光的输出有赖于激光器，根据增益介质的不同，激光器 可分为气体激光器、液体激光器与固态激光器，而半导体激光器是固态激光器的典型形 态；激光的接收则有赖于探测器，其又被称为光敏二极管。激光器、探测器的核心构成部分为光芯片，光芯片核心功能为光电信号转换。光芯 片主要包括激光器芯片与探测器芯片：激光器芯片应用于半导体激光器中，实现电信号 向光信号的转换，将电信号蕴含的信息通过激光输出；探测器芯片则在探测器中不可或 缺，实现光信号向电信号的转换。

1.1.2. 激光器芯片

1）工作原理：电激励为泵浦源，半导体为增益介质，输出激光

激光的发出有赖于泵浦源、增益介质、谐振腔三大部件。激光的输出需要外界提供 能量，泵浦源（又称激励源）即负责向增益介质中的粒子提供能量，常见的泵浦方式有 电泵浦、光学泵浦、核能泵浦等；增益介质用来提供向高能级跃迁的粒子，常用材料有 氖气、有机染料、红宝石、半导体、光纤等；谐振腔指使光波在其中来回反射从而提供 光能反馈的空腔，其作用是使腔内的光子具有一致的频率、相位和运行方向，使激光具 有良好的方向和相干性，同时还能放大受激辐射的强度。激光器芯片将电激励作为泵浦源，以半导体材料为增益介质，通过谐振腔选模放大， 进而输出激光，完成光电转换。

2）激光器芯片分类：谐振腔制造工艺差异，适用不同场景

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 与 VCSEL 各具优势，EEL 的输出功率、电光转化效率更高，而 VCSEL 具有阈值电流 低、单波长工作稳定、可高效调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、制造成本低等优点。

EEL 进一步分为 FP/DFB/EML 三类，应用场景相异。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，故被称为直接调制激光器芯片（DML）。在 DML 中，FP 激光器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB 在 FP 激光器的基础上发展 而来，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，然而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（啁啾）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。电吸收调制激光器芯片（EML）较好地缓解了啁啾色散问题，它由 EAM 电吸收调制器与 DFB 激光器集成而来，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输，不过价 格与能耗相对较高。

3）激光器芯片材料：三五族化合物为主流，光学特性较硅更优

三五族化合物泛指由元素周期表的三族与五族元素构成的合金化合物，种类丰富， 如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs），根据所含元素种类数又可分为 二元化合物如 InP，三元化合物如 1−，四元及更高化合物等。硅是目前工业中 最主要的半导体材料，广泛用于集成电路，但在光电器件领域，三五族化合物却因具有 更好的光学特性而更为重要。三五族化合物具有直接带隙，进而电子在高低能级间跃迁时效率更高，进而使芯片 输出激光的效率更高。带隙是电子从低能级（价带）跃迁高能级（导带）所需吸收的最 小能量，对应的是价带顶部与能带底部的能量差距。直接带隙是指在能量-波矢图中，元素电子的价带底与导带顶对应的波矢相同，反之，若二者波矢有异，则称为间接带隙。

对于直接带隙结构，电子在价带与导带间的跃迁只需满足能量守恒；对于间接带隙 结构，由于价带顶与导带底的波矢不同，需在水平方向施加动量方可使电子完成跃迁， 也即：电子跃迁过程涉及声子的吸收与发射——一方面，由低向高能级的跃迁必须要有 声子参与，这导致跃迁发生的概率降低，间接带隙结构发生电子跃迁的概率约为直接间 隙结构的 1/1000；另一方面，跃迁释放的大部分能量会转换为声子而非光子。此二因素 决定了直接间隙结构中电子在高低能级间的跃迁效率更高。如前所述，对于激光器芯片而言，输出激光的关键在于“半导体中的电子吸收能量， 由低能级向高能级跃迁—电子由不稳定的高能级回落至低能级，在这一过程中以光子形 式释放能量”，可见，电子跃迁的效率是激光输出效率的本源，故直接带隙结构的半导 体更适用于制作激光器芯片。三五族化合物大都为直接间隙半导体材料，如 GaAs、GaN、 InP 等，少部分三五族化合物如 GaP 及 Ge、Si 则属于间接带隙结构，这是 GaAs、InP 等三五族化合物在激光器芯片制备中应用普遍的基础。

三五族化合物可形成三元及以上化合物作为外延材料，通过调整各组分元素的比例, 可获得期望的激光输出波长，满足多样化的场景需求。激光器芯片输出的激光源于从导 带层回落至价带层时释放的光子，故激光的波长主要由释放光子的波长决定，而光子的 波长与光子的频率进而光子的能量成反比，故输出激光的波长将主要由“电子由导带底 回落至价带顶释放的能量大小”决定，即半导体材料的带隙。对于 Si、Ge 而言，除电 子跃迁效率较低外，它们为单一材料，带隙固定，故只能发出单一波长的光；对三五族 化合物而言，单个化合物的带隙同样固定，但它们可按照不同比例进行混合，形成不同 的三元及以上化合物，由此可得多种带隙。需指出，光芯片的衬底通常还是二元化合物， 三元及以上化合物一般作为从衬底上生长出的外延材料。

三五族化合物中，InP 与 GaAs 两类材料在激光器光芯片衬底中居于主流。GaAs 是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料，具有电子迁移率高、禁带宽度 大等优点，适合于制造高频、高速的器件与电路；InP 则具有高电光转换效率与高电子 迁移率、抗辐射等品质，二者各具优势。前述 VCSEL 面发射激光器芯片主要以 GaAs 材 料为衬底，而 FP、DFB、EML 三类边发射激光器芯片主要以 InP 材料为衬底。

1.1.3. 探测器芯片

1）工作原理：依托光电效应将光信号转为电信号

探测器芯片又称光电二极管(PD)，通过光电效应识别光信号，转化为电信号。光电 效应是指在光照下，材料中的电子吸收光子的能量，若吸收的能量超过材料的逸出功， 电子将逸出材料形成光电子，同时产生一个带正电的空穴。光电二极管工作时，在其双 极加上反向电压——无光照射时，由于二极管反向高电阻的特性，电路中只存在很小的 反向电流；有光照射时，由光电效应产生的空穴将前往外接电压的负极，光电子前往外 接电压的正极，从而增大二极管中的反向电流，由此实现对光信号的探测。

2）典型探测器芯片：PIN、APD、SPAD 应用最广泛，灵敏度渐增

PIN 光电二极管（PIN-PD）、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管） 的使用最为广泛，三者灵敏度逐次提升。传统的 PN-PD 二极管的基础部件是 PN 结，P 层由 P 型材料构成，空穴居多（带正电），N 层由 N 型材料构成，电子居多（带负电）， 当 PN 结受到光照时即可产生光电效应。PIN-PD 则是在 P 层与 N 层间引入了 I 层——I 层为掺杂有极少量 P 型材料或 N 型材料的纯净本征半导体构成。相较传统的 PN-PD， 当施加反向电压时，I 层将为 PIN-PD 提供更宽的耗尽区，从而提高光电转化的效率。

APD 在 PIN 基础上增添了高掺杂的 P+与 N+层，该结构容易发生雪崩倍增效应。APD 在较高的反向电压下工作，吸收了光子形成的自由电子与空穴能被加速，进而能获 得更多能量，与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对，连锁反应，使光电流陡增——此即 雪崩倍增效应，从而带来电流增益，提高了光电二极管的响应度与信噪比，主要运用在 长距离或光功率受其他限制而较小的光纤通信系统。

SPAD 在高于击穿电压的反向电压下工作，这一状态高度不稳定，单个光子即可引 发大量的电子-空穴对雪崩进而产生电流，理论上可实现单光子探测。由于结构上的特 点，当给 SPAD 施加高于击穿态的偏置电压时，二极管将处于亚稳态，信号放大作用很 大，甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应进而出现电流脉冲。

3）探测器芯片衬底：Si/Ge/InGaAs 占主流

探测器光芯片材料的选择以材料光谱响应特性为基础，Si/Ge/InGaAs 占据主流。光 谱响应特性是指保持入射光强度不变的情况下，不同波长的光照射材料产生的光电流与 入射光波长之间的关系，可以用响应度刻画一种光芯片材料面对各种波长入射光时的工 作效率——响应度越高，材料对该种波长的检测就越灵敏。当前激光器芯片工作波长以 800nm-1600nm 居多，Si、Ge、InGaAs 材料在探测器中占据主流，且由三种材料的光谱 响应曲线来看，Si 材料适用于 800-1000nm 波长的光探测，Ge、InGaAs 适用于对 1000- 1600nm 波长的光探测中。

1.2. 产业链：衬底价值量大，外延为核心

1.2.1. 光芯片制造：工艺复杂，外延为核心，IDM 模式为主流

相较逻辑芯片，光芯片生产各工艺综合性更强，龙头厂商多采用 IDM 经营模式。对于逻辑芯片厂商，新进入的企业多采用 Fabless 模式，以此减少大规模资本投入，从 而将更多资源集中投入电路优化、版图设计等研发环节。对于光芯片行业，厂商多采用 IDM 模式，主要因为光电子器件遵循特色工艺，器件价值提升不完全依靠尺寸的缩小， 而有赖于功能的增加。而特色工艺所需能力更加综合，包括工艺、产品、服务、平台等 多个维度。IDM 模式使各环节相互配合，综合提升芯片性能，更灵敏回应客户需求。光芯片制造工艺流程繁多，晶体外延环节最关键。光芯片的工艺流程可分为外延结 构设计、晶圆制造（晶圆外延结构生长、光栅制作、波导光刻与金属化制程）、芯片加工 和测试（解理镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证）三大部分。

外延为光芯片生产最主要和技术门槛最高环节，难点源自工艺壁垒及时间投入壁垒。就外延工艺上而言，通过 MOCVD 进行精准的半导体材料精准堆叠控制时，尤其是在有 源区中，常要求多层堆叠的结构每层厚度在 10 纳米以下级别，做到对这一厚度水平的 均匀精准控制是一大壁垒。从基础性时间投入而言，外延开发需厂商投入大量时间调试 机台条件参数，国内企业在这一领域大都仍处于基本工积累阶段。外延工艺海外公司较为成熟，国内外差距较大，国产加速追赶。海外领先光芯片公 司可自行完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，能量产 25G 及以上速率光芯片。国内厂 商普遍具有除晶圆外延环节外的后端加工能力，而在外延这一核心技术领域并不成熟， 需向国际厂商采购高端外延片。我国 25G 激光器芯片仅少部分厂商实现批量供货，25G 以上速率激光器芯片大部分厂商尚处研发或小规模试产阶段。

1.2.2. 光芯片上游：衬底为核心原材料，海外厂商仍为主导

衬底为光芯片核心原材料，成本占比最高、对芯片品质影响力最大。光芯片所需原 材料包括衬底、金靶与特殊气体等。从成本看，根据源杰科技招股书，衬底在光芯片原 材料成本中的占比往往高于 30%，其供需将在较大程度影响光芯片制造厂商的生产成本。从对芯片品质影响力来看，衬底材料一方面决定了激光器芯片发射光的波长，另一方面决定探测器芯片对入射光的响应度，且核心工艺——外延生长将在衬底材料上完成，故 衬底材料的品质将在很大程度上影响光芯片的参数与可靠性。

衬底供应以海外厂商为主，国内厂商替代率逐步提升。由于衬底对光芯片品质影响 较大，光芯片厂商倾向于向海外厂商采购衬底，如住友电工。与此同时，海外领先的衬 底公司也提供外延生长等业务，故而受到国内厂商青睐。但近年国内衬底厂商逐步提升 衬底品质，优化衬底制造技术，凭借其性价比优势受到越来越多国内光芯片制造企业的 青睐。根据源杰科技招股书，2018-2020 年其采购衬底的单价从 785.69 元/片持续下降至 2020 年的 754.57 元/片，一大重要原因即是增大了国内厂商在衬底采购中的占比。

1.2.3. 光芯片下游：光模块应用广泛

光芯片经加工封装后得到光器件/光模块，集成程度提升，单位价值量升高。光芯片 经加工后形成激光器、探测器产品，同时可与其余电子器件、无源器件结合，封装形成 光发射组件（TOSA）与光接收组件（ROSA），进一步加工形成光模块。封装为光模块 后，一个光模块具备多个通道，进而可搭载多个光芯片，由此使一个光模块的信息传递 速率将为光芯片信息传输速率的若干倍，更贴合下游客户的需求。

得益于优良特性，光芯片下游应用广泛。由于信号传输速率快、损耗小且稳定性高， 光纤通信在电信与数据中心基础设施的建设中已不可或缺，而其基础正是光芯片。与此 同时，得益于激光波长集中、能量高的特点，光芯片被广泛地应用于工业制造、医疗、消费、汽车电子等领域。当前，光通信与消费电子是光芯片主要的应用下游，而随着智 能驾驶的普及，以激光雷达为主要产品的汽车电子将迎来需求的迅猛增长。

1.3. 产业趋势：光子替代电子大势所趋

1）光通信领域：“光进铜退”趋势延续

“光进铜退”主要是指实现以“窄带+铜缆”为主网络向以“宽带+光纤”的网络转 变的模式，本质是光纤宽带设备端口不断下移、不断靠近用户的建设思想。对比铜缆， 光纤具有明显的优势：频带宽，信息容载量更大；最大传输距离更远；原材料（石英,SiO2） 资源丰富；光缆纤芯直径比铜缆更小；损耗低，中继距离远；光纤为非金属材料，不受 电磁及频道干扰；传输保密性能更好。“光进铜退”成为网络升级下的大势所趋。

随着国内网络基础设施的不断升级，“光进铜退”成为重要的战略发展方向：（1）2000-2010 年以来，国内上网以铜线为主，ADSL 是当时主流的上网方式，在 该时期还短暂出现过 VDSL 技术，网速已经达到 10Mbps。提高基础网络覆盖率是这一 时期的重点，到 2009 年，我国网民人数已有 3.84 亿，宽带普及率达 98.3%。（2）2011-2015 年，FTTH 开始渗透，2013 年 8 月，国务院发布《“宽带中国”战 略及实施方案》，首次在国家层面明确宽带网络的战略性公共基础设施地位。受益于“宽 带中国”战略，该时期是“光进铜退”发展最快的阶段，光纤光缆渗透率在这一时期得 到明显提升。2015 年底，国内 FTTH 用户数达 1.2 亿户，FTTH/O 渗透率达 59.3%。（3）2016 年以来，“光进铜退”趋势依然在不断演进，光纤接入已步入成熟阶段， FTTH/O 对 xDSL 的替代已基本完成。2021 年底，我国互联网宽带接入端口达 10.2 亿 个，FTTH/O 用户达 5.06 亿户，渗透率为 94.3%。

2）光传感领域：硅光芯片+FMCW 技术路线赋能车规市场

硅光的高度集成性和超高兼容性非常契合激光雷达的制造需求，硅材料的价格优势 和集成工艺有助于降低激光雷达成本。全球范围内，Aeva、Mobileye 以及 Aurora（收购Blackmore）是三家硅光芯片+FMCW 技术路线的激光雷达代表企业，Mobileye 在 2021 年宣布将自主研发硅光 FMCW 技术路线，Aeva 已于今年年初发布首款汽车级 4D 激光 雷达传感器。而在中国市场，洛微科技已经进入产品化和验证阶段，2021 年初，洛微科 技发布了第二代 FMCW SoC 芯片，为实现硅光 FMCW 4D 激光雷达产品提供了核心技 术。随着相关技术的不断成熟，硅光芯片有望持续赋能汽车自动驾驶，带动激光雷达产 品的性能提升和成本优化。此外，光能够照射到组织和血管上以监测、检测和量化生物标记，因此光子学还能 够赋能无创医疗监测解决方案，用于小尺寸医疗设备和消费电子市场的可穿戴设备。

3）光计算领域：看好硅光计算长期替代

在计算领域，据 OpenAI 统计，自 2012 年起，每 3-4 个月人工智能算力需求就会翻 倍，电子芯片的发展已日趋逼近摩尔定律极限，难以满足高性能计算不断增长的数据吞 吐需求。而硅光芯片用光子替代电子进行传输，可以承载更多信息、传输更远距离，同 时光子彼此间干扰少，能够提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度和低两个数量 级的能耗，能够作为突破传统微电子计算极限的解决方案。因而，从趋势上看，以硅光 芯片为基础的光计算有望持续取代电子芯片在部分计算场景中的应用。

目前，光计算的相关研究仍然处于初期阶段，解决方案和系统架构仍然在探索中。如何将光计算融合到现有的通用计算中，并且更好地将光计算芯片化、集成化，是未来 的研究方向，实现成熟的光计算技术和产业链仍需时日。当前，Intel、IBM 等巨头以及 MIT、UCSB 等机构都在积极开发大规模光子集成芯片，国内也涌现出曦智科技、光子 算数等行业领先企业。随着硅基光子学技术的不断成熟，光计算的优势将逐步彰显。