高速互联需求驱动光通信行业发展，国产光芯片有望加速渗透

投资评级：（）报告日期：推荐维持2024年08月03日 ◼分析师：毛正◼SAC编号：S1050521120001◼联系人：何鹏程◼SAC编号：S1050123080008 投 资 要 点 高速率光芯片前景广阔，3.2T时代硅光方案值得期待光模块通过将电信号转换为光信号，并在光纤中传输，使得高速数据通信成为可能。光芯片不仅决定了光模块的性能和效率， 还直接影响到网络的速度和稳定性。在数通、电信，光纤接入等场景都有广泛的应用场景，是不可或缺的关键零部件。目前中低速率的光芯片国产化率已经较高，高速率光芯片例如100G/200G EML等产品的国产化前景十分广阔。此外，随着光通信发展的加速，光芯片在光模块中价值占比也有提升的趋势。展望未来，在3.2T及6.4T的时代硅光芯片有望凭借更高的集成度和性能加速渗透，大功率CW激光器相关标的值得跟踪关注。 Blackwell平台发布驱动超大算力集群加速升级，高速网络需求带动高速率光模块加速渗透GTC 2024大会上，英伟达公布了下一代GPU架构Blackwell。通过第五代NVLink技术NVLinkSwitch，以GB200架 构为例，该集群可以支持多达576个GPU的扩展。L1层GPU和NVLinkSwitch之间采用铜互联的方式，L1层与L2层之间需要用到光模块，GPU : 1.6T光模块的比例为1:9。千卡甚至万卡集群需要使用到InfiniBand架构，根据我们的测算，在网络层数分别为1/2/3的情况下，GPU :800G :1.6T光模块分别为1:1:0.5/1:1:1.5/1:1:2.5。我们预计本次计算平台的升级将进一步提振市场对于100G EML，200G EML等高速率光芯片产品的需求。 投资建议 随着AI技术的不断升级，市场对超大算力集群的需求不断提升，驱动高速率光芯片的出货，国产光芯片及光器件厂商有望显著受益。建议关注：1）国产光芯片厂商：源杰科技、永鼎股份；2）国产光器件厂商：长光华芯、光迅科技；3）硅光设备：罗博特科。 诚信、专业、稳健、高效 风 险 提 示 ⚫下游需求不及预期风险⚫光芯片国产化进度不及预期⚫行业竞争加剧风险⚫贸易摩擦加剧风险⚫推荐公司业绩不及预期风险 2.硅光技术：具备成本优势及更高性能的技术方案3.薄膜铌酸锂：电光调制器理想的解决方案1.光芯片总览4.政策端：推进光芯片国产化急速5.需求端：AI数据中心带动数通侧光模块需求进而提升光芯片用量6.AI大模型驱动超级算力集群发展，光通信迎来高速成长时代7.供给端：高速率光芯片前景广阔，国产化势在必行8.重点关注标的 目录 CONTENTS 01光芯片总览 1.1光芯片归属于半导体 光芯片是光电子器件的核心组成部分，归属于半导体领域。光芯片是现代通信网络的核心之一，是实现光电信号转换的基础元件，其性能决定了光通信系统传输效率。光芯片可以进一步加工组成光电子器件，再集成到光通信设备的收发模块实现广泛应用。光芯片在光通信系统工作中实现光电转换的作用。光芯片主要包括激光器芯片和探测器芯片，是光通信产业链技术壁垒最高的一环。在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。 1.2光芯片的分类 激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，价值占比大且技术壁垒高，是光芯片中的“明珠”。光芯片可以被分为有源光芯片和无源光芯片，有源光芯片可以进一步被分为激光器芯片、探测器芯片和调制器芯片。激光器芯片方面，按照发光类型可以分为面发射与边发射。其中，面发射型激光主要为VCSEL；边发射型激光包括FP、DFB和EML等，传统的FP激光器芯片因损耗较大且传输距离短在光通信领域的应用逐渐收窄，因此核心激光芯片主要有三种：DFB、EML和VCSEL。按照调制类型可以分为直接调制（DML）和外调制（EML）。DML有电路直接控制激光的开关，DFB是最常用的直接调制激光器，主要应用于中长距离传输；EML激光通过在DFB的基础上增加电吸收片（EAM）作为外调制器，啁啾与色散性能均优于DFB，更适用于长距离传输。探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。探测器芯片主要可以分为PIN和APD两种类型，前者灵敏度相对较低，应用于中短距， 后者灵敏度高，应用于中长距。 1.3光芯片工作原理：激光器芯片 光芯片发光的原理：光的发射和吸收是光场和物质作用的结果，该行为主要包括自发辐射、受激辐射和受激吸收。自发辐射的过程主要表现为高能级的电子自发地向低能级跃迁并发射一个能量为hv的光子；受激辐射的过程主要表现为高能级原子受到能量为hv的光子诱激发之后释放出一个与激发光子特征完全相同的光子进而跃迁到低能级；受激吸收的过程主要表现为低能级的原子吸收一个能量为hv的光子后跃迁到高能级。激光器的主要构成为泵浦源、增益介质和谐振腔。泵浦源是激活工作物质的能量源，能够源源不断地为增益介质提供能量激励构成初始的激光信号；增益介质受激后能够产生光子从容生成并放大激光；谐振腔有一对反射镜构成，其中一面为半反射镜，光束在左右两篇镜子之间来回反射，产生谐振效应是的光的能量谐振放大，最后透过半透射镜发射出激光。电光信号转换是由光模块发射部分的激光器按照输入的电信号码率来转换成光信号。全“1”码时的平均光功率表示激光器发光的平均功率，全 “0”码时的平均光功率即表示激光器不发光的平均功率。 1.4激光器芯片工作的波长窗口 光通信常用的波长窗口一般只有三个，中心波长为850nm、1310nm、1550nm。每个波长窗口可以被进一步划分成很多的子载波信道。这三个中心波长在光通信中被广泛采用的原因主要系该波长比较适合在光纤中传输，光纤损耗小、抗色散、支持可靠的功率放大等。其中，850nm是多模传输，1310/1550nm是单模传输。传输距离方面，850nm传输距离在500米以内；1310nm/1550nm传输距离一般是2-40公里，1550nm传输距离一般是40-120公里。从激光器芯片方面看，VCSEL激光器芯片产生850nm波长范围的激光，主要运用于多模光模块；FP、DFB、EML激光器芯片产生1310nm/1550nm波长范围的激光，主要运用于单模光模块。 1.5光芯片工作原理-探测器芯片 光探测器主要可以分为PIN型探测器和APD型探测器。光电探测器利用内光电效应进行光电探测，通过吸收光子产生电子空穴对，从而在外电路产生光电流。探测器在入射光照射下产生光生载流子，进而光电流与外围电路之间相互作用并输出电信号。APD探测器相较于PIN探测器会多出一项载流子在电流增益机制下倍增的过程。PIN型光电探测器是指P型半导体和N型半导体之间放一层本征半导体。其中，P型半导体是指 空穴比自由电子多的半导体，正电荷可以自由流动。N型半导体是指自由电子比空穴多的半导体，负电荷可以自由流动。本征层半导体是指不含杂质的纯净半导体，也就是既没有可流动的正电荷也没有可流动的负电荷。 APD型探测器比PIN型探测器多一层倍增层，也被称作雪崩层。APD可以检测入射的光信号,并通过雪崩增益效应放大转换为电信号输出。与传统光电二极管相比,APD可以提供更高的增益与灵敏度。结构方面，APD与PIN光电二极管类似，由两个高掺杂(p+和n+)区域和两个低掺杂(I区或本征区和P区)区域组成，p+区域起阳极作用,而n+区域起阴极作用，反向偏压电场主要加在pn+结上。p+区域连接负极，n+区域连接正极。本征区吸收光子产生的电子空穴对在电场作用下向高场的pn+结运动,在此发生雪崩增益效应。 1.6 VCSEL芯片是多模光模块的主流光芯片 FP：FP（Fabry-Perot）激光器是一种半导体发光器件，以FP腔作为谐振腔，产生多纵模相干光。主要用于低速率短距离传输，如20公里以内的通信，速率通常不超过1.25Gbps，波长可分为1310nm和1550nm两种。一些制造商为了降低成本而制作千兆40km的模块，需要增加发射光功率，这会导致器件老化并缩短使用寿命。FP激光的光线(>1nm)，波长的温度漂移也较大(0.5nm/℃)，不适用于高速和/或远程应用。DFB：DFB（Distributed Feedback Laser）激光器通常采用两种波长，1310nm和1550nm，主要用于高速中长距离传输，传输距离通常超过 40公里。DFB激光器的特点包括光线相对较窄（<0.04nm）和波长对温度的漂移较小（0.1nm/℃），非常适用于高性能通信应用。DFB激光器也存在一些缺陷，当工作在1500nm波段时，容易产生啁啾现象，通常需要外部调制器来解决；DFB没有FP或VCSEL激光那样容易产生，而且所需的阈值电流也比VCSEL激光大。VCSEL：VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）激光器是一种半导体器件，是光通信领域的一项革命性光发射器件。其激光垂直于 顶面射出，不同于常规的边射型激光，拥有多个优点：出射光束为圆形，发散角小，便于高效耦合光纤和其他光学元件；可实现高速调制，适用于长距离和高速率的光纤通信系统；具有高电光转换效率，预期寿命较长；可轻松实现二维阵列，用于高速、高容量数据处理和高功率应用；适用于光集成电路，可采用微机械等技术。此外，VCSEL激光线宽较窄（0.35nm），波长对温度漂移较小（0.06nm/℃），阈值电流较低，在10Gbps数据速率下也可直接应用于调制。VCSEL制造和准直调整相对容易，有望实现低成本的VCSEL-based收发器。尽管850nm的VCSEL已广泛应用，但长波长（1310nm、1550nm）VCSEL因输出功率不足和制造工艺复杂等问题，尚未得到大规模应用。 1.7 EML芯片是单模光模块的主流光芯片 EML：高速电吸收调制激光器（EML）是在光纤通信领域具有重要应用的光子集成器件，融合了分布反馈（DFB）激光器和电吸收调制器（EA）的功能。相对于直接调制半导体激光器，EML拥有低成本、低频率啁啾、高调制速率和长距离传输等特点，因此已成为高速骨干网和城域网光发射模块的首选解决方案。中国半导体研究所在EML领域具有长期研究和多项自主知识产权，包括高达40Gb/s的最大调制速率、低阈值电流、出光功率、边模抑制比等性能。其应用领域包括骨干网、接入网、数据中心等。PIN：PIN探测器一种半导体器件，用于将光信号转换为电信号的重要光电元件。PIN光电二极管具有高灵敏度、宽光谱范围、低噪声、快速响 应时间和小巧的尺寸等优点，适用于高精度光检测、多波长光检测、信号完整性要求高的应用，以及需要快速响应和空间紧凑的系统。但是它们也存在动态范围有限、温度灵敏度、相对较高的价格和一定的能量消耗等缺点，需要根据具体应用需求综合考虑这些因素。此外，PIN光电二极管在光电应用中具有广泛的用途，包括高速数据传输、射频控制和微波开关等领域。APD：APD探测器是在PIN光电二极管的基础上，对P区和N区都进行了重掺杂，在邻近P区或N区引进n型或p型倍憎区，以产生二次电子和空 穴对，导致一种雪崩效应。这种雪崩效应放大了光信号，从而增加了探测器的灵敏度。APD具有许多显著的优点，其中包括内部电子倍增效应，使其能够在极低光水平下检测到单个光子，因此在量子通信和光子计数等领域有广泛应用；APD还表现出高灵敏度，快速响应时间和覆盖紫外到近红外光谱范围的特性，使其适用于科学研究、高速通信和成像系统。缺点方面，APD需要较高的工作电压，可能引入电子噪声，其动态范围有限，并且设计与制造相对复杂，成本较高。 1.8激光器的结构 FP激光器结构和工艺简单适用于短距离传输，DFB激光器基于FP激光器衍化适用于远距离传输。首先，半导体激光器由于边界条件，存在三个方向的模式：横模－水平，横模－垂直，纵模。其中，横模－水平代表平行于有源层方向的模式；横模－垂直代表垂直于有源层方向的模