光芯片系列专题一：流量爆发时代瑰宝，光芯片高成长赛道

投资要点：技术领先的光芯片企业在高端品类突破、新客户突破、新领域覆盖有望超预期。寻找优质光芯片企业围绕三条主线：一、技术领先，已切入高速率芯片领域，并拥有大量模块厂商客户资源禀赋的光芯片龙头；二、拥有从芯片设计、外延、后段工艺、芯片封装全芯片设计生产流程平台，可迅速实现研发到量产流程，推荐仕佳光子； 三、技术底蕴深厚的下游厂商，芯片自供带来产品利润率提升，推荐光迅科技。 流量爆发时代瑰宝，光芯片高成长赛道。2022年AI驱动的ChatGPT聊天机器人程序发布以来，微软、Google、百度等互联网巨头纷纷加大投入和跟随。ChatGPT的爆款，以及市场预期2023年苹果或推出颠覆性AR/VR产品，将是5G技术时代期待已久的“爆款”应用。回看历史，其意义相当于4G时代抖音、快手、王者荣耀等爆款音视频应用的出圈，带来了2016-2018全球数据流量高速增长，运营商、云厂商进入了资本开支高增长周期。本轮流量爆发前夕，新型大容量通信传输技术如高速光芯片等的落地有望加速。光芯片作为光电信号转换和传输的芯片，广泛应用于光网络设备端口，且用量跟随光网络设备端口数量快速提升。根据成本占比法测算，全球光芯片市场约14亿美金。其中，高速率(25G以上)、高端EML芯片国产化率不到10%。 国内主要光芯片厂商营收大部分体量较小，处于绝佳的上升期。 国产高端突破主旋律，新应用领域正快速扩展。国内光纤接入网络正从低速PON向10G PON升级，家庭端和运营商局端设备端口均有望高速增长。截止2022年11月，我国10G PON端口超1400万个，渗透率达存量端口的1/3；而家庭端用户2022年底渗透率在15%。海外市场北美、欧洲、东南亚等地大力发展光纤网络，全球PON设备市场我国设备商市占率高，上游光芯片企业受益。数据中心是25G以上高端光芯片的主要应用场地，长期被日本、美国芯片厂商垄断，也是近三年国内产业链往高端突破必须攻破的堡垒。此外，CPO、汽车领域1550dToF和FMCW激光雷达均有望成为DFB的新应用领域。 催化剂：高端品类突破、下游客户突破、新领域推进顺利风险提示：高端突破不及预期，行业内竞争加剧。 1.数字经济时代瑰宝，光芯片高成长赛道 1.1.半导体重要分支，数据驱动绝佳赛道 光电子技术实现光与电优势互补，系全球半导体应用的重要分支。当前光子技术传输容量已经被人们充分发掘，但光子计算处理能力仍处于早期操控阶段。电子技术由于发展时间较长，在运算功能上仍难被光子取代，在现有技术条件下，各取所长是人类技术发展的必然趋势。光电子领域已是全球半导体应用重要分支，广泛应用在光通信和消费电子领域。 根据2022年8月全球半导体协会WTI的统计及预测数据，2022年光电子市场空间约435亿美元，在半导体四大分支排名第二，约占7%的空间。 图1：预计2022年光电子市场空间约435亿美元 图2：2022年预计光电子产业占比半导体产业7% 光通信应用是光电子产业链的重要分支。根据《中国光电子器件产业技术发展路线图2018-2022》，光电子器件是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。从光电子器件的应用看，主要包括用于通信领域的光通信器件和光纤光缆，显示领域的显示面板、OLED显示面板，用于照明领域的LED照明芯片/模块等光照明器件，以及应用于传感领域的图像传感器等光传感器件。其中，按利用光的属性区分（信息传输属性和能量属性），光通信、光传感均属于信息光子，光照明、光显示均属于能量光子。 图3：光通信是光电器件重要应用领域 光通信芯片是伴随流量增长的绝佳赛道。根据Omdia预测，综合蜂窝网，有线接入和Wifi等三种接入渠道统计，全球总网络流量2019-2024年复合增长率28%，预计到2024年，全球流量将达到576万PB。在流量增长的需求带动下，通信基础设施如数据中心、电信传输网光口速率、密度不断提升。目前，无线接入网已经从10G转向25G，城域网线路侧也从10G DWDM到目前将大量采用100G相干高速率端口，领先的云厂商数据中心光芯片从25G逐渐向50G/100G/200G速率进行升级。流量应用端带来的需求增长是光通信芯片发展的核心驱动因素。 图4：光通信是光电器件重要应用领域 光芯片是光通信核心元件，广泛应用于光收发模块中。光芯片属主要应用于光通信系统的发射和接收端，实现光电信号的相互转化，可分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要实现电信号转换为光信号，探测器芯片则将光信号还原为电信号。具体地，光芯片广泛应用于光收发模块中。 图5：光芯片位于光通信系统的发射端和接收端 制作工序上百道，行业以IDM模式为主。GaAs、lnP等三五族半导体材料。由于三五族半导体材料并不如集成电路可大规模标准化使用，而是需要很多产线、工艺的Knowhow积累，因此各家光芯片厂商的制作方案各不相同。但大体的制造流程，主要需要经过四大步骤：购买衬底-外延生长-后端工艺-测试封装。光芯片厂商主要向成熟的磷化铟、砷化镓衬底厂商购买衬底。接下来主要是光芯片厂商自己的设计和生产工序。 以常见的RWG DFB激光器芯片为例，主要流程可以用两次外延、四次光刻与刻蚀、掩膜层制备、两次金属电极制备，以及减薄、解理、镀膜、耦合封装等工艺，加上各个流程中材料准备、仪器调整、清洁等辅助流程，25G DFB激光器生产工序超过280道，而中低速率激光器也需要200-230道工序。光芯片厂商在每个步骤的差距，都会导致最终产品巨大数量级的影响。为此，除了少数玩家，国内专业光芯片厂商、光芯片模块厂商通常采用IDM模式。 图6：光芯片生产制作流程经过外延有源层、光刻光栅、制作电极、镀膜、芯片切割等几个步骤 1.2.材料与结构各异，市场规模约14亿美金 光芯片类别较多，可从材料和结构两维度进行区分。光芯片属于半导体激光器/探测器，从结构看，激光器常用的结构有面发射结构的VCSEL，和边发射(EEL)的FP、DFB和EML，发光材料衬底主要有lnP和GaAs。 而目前商用的探测器主要结构有PIN、APD两种，材料体系较为多样，Si/Ge/LnP均是可选用的材料。 图7：材料与结构在光电转换技术中十分重要 光发射芯片种类较多，应用场景各异。其中，VCSEL主要应用于短距离传输，成本、功耗较低，在数据中心内数百米内占统治地位，已经得到广泛使用；FP是多纵模激射的激光器，主要应用于GPON、EPON等低速率接入场景，工艺已比较成熟；DFB主要在FP上进行改进，使得实现单波长的出射，主要应用于中短距离较高速率的固定接入网和无线接入网，25G DFB是目前广泛应用在基站前传、中传的主力光芯片；EML由于在LnP上集成了DFB激光器和外调制器，需要两次或多次外延，工艺难，良率低，但其调制和发射性能较好，可以广泛应用在10km以上的城域网、传输网等。 表1：光发射芯片主要分为VCSEL、FP、DFB、EML等几类 光接收芯片按内部结构分，可分为PN结构、PIN结构和APD结构。其中，PN结构由于性能不突出，普遍被性能更好的PIN结构广泛代替。PIN主要应用于短距离（2km以下），成本较低；而APD由于可实现光子的雪崩倍增现象，对光电探测灵敏度有很大提升，但由于成本较为昂贵，广泛应用于中长距离如城域网、5G中回传等场景。 表2：光探测芯片主要分PIN和APD。 光收发芯片约占光模块20%-25%的成本，光发射芯片价值量较大。在主要的应用场景光模块中，以典型的100G CWDM4光模块成本为例，普遍采用四通道25G速率的LD芯片和PD芯片（或芯片阵列），光芯片约占总成本23%，其中，我们预计光发射芯片占比BOM成本达到20%，探测器芯片约占比3%。 图8：典型的100G CWDM4成本中光芯片占约23% 采用成本占比法谨慎测算下，全球光芯片市场约14亿美金。我们采用较为谨慎的测算方法，过程如下：采用光模块市场规模×光模块营业成本×光芯片成本占比测算。1).光模块市场规模采用Lightcounting预测值； 2.光模块平均毛利率30%；3.考虑光芯片在成本中占比20%。测算下2022年全球约14亿美金，2026年将快速上升到23.2亿美金。 图9：全球光芯片市场规模约14亿美金 1.3.面向全球竞争，高端亟需突破 光芯片属于光通信产业最上游，是不可或缺的环节。光芯片是下游有源器件、光模块中必不可少的元件。国内厂商按覆盖环节主要分专业光芯片厂商和光芯片模块综合厂商。其中，专业光芯片企业包括源杰科技、武汉敏芯、中科光芯、光安伦、云岭光电、仕佳光子等；而综合光芯片模块厂商包括光迅科技、海信宽带、华为海思等。 图10：光芯片处于光模块产业的上游 高端光芯片国产供给与下游需求错配。需求侧，下游光通信模块、设备厂商在全球份额市占率已经较高。以模块为例，根据Lightcounting统计2021年前十模块供应商中，我国模块厂商占了5家。此外，2021年87亿美金的全球光模块销售额中，我国模块供应商占比超过一半以上。上下游的供需错配将成为我国光芯片产业持久的发展动力。 图11：中国光模块供应商整体份额提升十分明显 图12：25G以上中国光芯片占比低于10% 绝大多数模块厂商并不具备光芯片研发自给能力，需要国内产业链的大力支持。国内仅少数模块厂商如光迅科技、华为海思、海信宽带、华工正源等具备光芯片研发和生产能力，绝大部分厂商需要依赖外部合作或者海外光芯片供应商的长期供应。对于大多数模块厂商而言，当前时点自研光芯片投入大，短期产出缓慢，亟需国内产业链的大力支持。 表3：国内仅少数光模块厂商具备光芯片研发能力 本土光芯片将参与全球竞争，成长不止于国产替代。除了下游国内模块厂商市占率已经较高以外，由于我国具备人口红利、工程师红利和市场红利等三大红利优势，全球海外知名模块厂商均在我国拥有办事处、产能、代工厂或销售服务部门，这也意味着，本土的光芯片企业不仅有机会参与到国内客户的供应链，也有接触海外客户的机遇。 表4：众多海外知名厂商均在我国建立有产能或服务网点 1.4.高速模块增长，国产切入量价齐升 高速率模块以多通道为主，高速芯片需求成倍数增长。100G以上高速率模块普遍采用四通道或八通道方案。例如，400G DR4将采用4个100G的光芯片，100G CWDM4将采用4个25G的光芯片，800G DR8将采用8个100G的光芯片。因此，随着未来光模块市场高速率占比提升，带来的高端光芯片用量将是4倍、8倍的增长。 图13：100G以上模块通常需要4片或更多光芯片 100G以上模块贡献增量，高速芯片用量快速提升。根据Lightcounting对电信市场和数通市场的统计，100G以上模块占比市场规模将继续提升，电信市场2022年将有超过一半的模块是100G以上，数通市场则在2018年已经有超过一半的模块市场是100G以上模块带动的。我们认为，高速率模块在电信、数通市场的广泛应用，将带动高端光芯片用量的快速提升。 图14：电信市场100G以上模块占比提升 图15：数据中心市场100G以上模块占比提升 芯片速率越高，价值量水平更好。市场上按光芯片速率分，可分为2.5G、10G、25G、50G、100G等主流速率的芯片。一般而言，速率越高，芯片的制作难度越大，供应商也相对较少，价格更高。以源杰招股书披露的数据为例，2.5G芯片平均价格在3元左右，但10G、25G芯片的价格是其3-4倍，甚至接近10倍。同时，最高端的100G EML一颗可达十几美金以上，这也意味着，高速率芯片不仅需求量跟随高速模块提升，使用的单个模块的芯片价值量也在成倍提升。 图16：速率越高光芯片市场价格也越高（单位：元/颗） 国内光芯片厂商产品结构正向高端切换，有望迎来量价齐升。国内厂商平均产品结构主要为2.5G和10G，海外厂商的产品结构主要为25G及以上更高速率的光芯片。对于国内厂商而言，产品结构将在高端突破的过程中不断优化，单位芯片价值量有望快速提升。同时整体光芯片需求