光芯片占光模块平均 50%以上成本

光器件种类繁多，按照通信上下游划分，光器件可分为光电芯片、光器件和光模块。 光电芯片是光器件的核心元件，根据材料的不同可分为 InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、 LiNbO3、MEMS 等芯片，根据功能不同可分为激光器芯片、探测器芯片、调制器芯片。这些芯片/器件集成后，再加入外围电路形成一个光通信模块，被广泛应用于路 由器、基站、传输系统、接入网等光网络建设中。

光芯片在光模块中的成本占比分布在低端器件、中端器件及高端器件上的数据分别是 20%、50% 和 70%。 光通信芯片企业采用高频性能突出的 GaAs 以及 InP 化合物半导体为光通信芯片的 衬底。GaAs 以及 InP 可被制成电阻率比硅、锗高 3 个数量级以上的半绝缘高阻材 料，用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符 合 5G 通信高频的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。

全球 GaAs 衬底市场集中度较高，根据 Yole 统计，2019 年全球砷化镓衬底市场主 要生产商包括：德国 Freiberger、日本 Sumitomo 和美国 AXT（北京通美），其中德 国 Freiberger 占比 28%、日本 Sumitomo 占比 21%、美国 AXT（北京通美）占比 13%。 从市场格局来看，InP 衬底材料市场头部企业集中度很高，主要供应商包括日本 Sumitomo、美国 AXT（北京通美）、日本 JX 等。Yole 数据显示，2020 年全球前三 大厂商占据磷化铟衬底市场 90%以上市场份额，其中 Sumitomo 为全球第一大厂 商，占比为 42%；美国 AXT（北京通美）位居第二，占比 36%。磊晶生成的外延片质量（Wafer）是决定光芯片性能的关键因素，且生成条件较 为严苛，是光芯片制备的重要环节。目前磊晶生长方式有 MOCVD、MBE 两种。

GaAs 外延片生产，则有不同的商业模式：1）GaAs LED 市场主要是垂直整合，拥有成 熟的 IDM 厂商，如欧司朗（Osram）、三安光电（San’an）、晶元光电（Epistar）、乾照 光电（Changelight）等；2）GaAs 射频市场则采用外延生产外包模式，过往几年 GaAs 射频外延业务经历多次整合，如今产生了四大领导厂商：IQE、全新光电（VPEC）、住 友化学（包括住友化学先进技术和 SCIOCS）、英特磊（IntelliEPI）；3）GaAs 光电子市 场，外延业务仍然取决于应用：GaAs 数据通信市场主要是 IDM 模式，主要厂商有菲 尼萨（Finisar）、安华高（Avago）、贰陆（II-VI）等，而对于规模较大且成本敏感性高 的消费电子类需求，主要以 Foundry 模式为主，如苹果供应商 Lumentum 选择外延生 产外包，将 IQE 作为其 VCSEL 外延生产服务商。（报告来源：未来智库）

激光二极管在光模块内肩负着将电信号转化为光信号的重任，常用的激光二极管按发 光类型，分为面发射与边发射。其中，面发射型激光主要为垂直腔面发射激光器 （VCSEL）；边发射型激光种类较多，目前使用最为广泛的是法布里-珀罗激光器（FP） 激光器、分布反馈激光器（DFB）和电吸收调制激光器（EML）。

1）VCSEL ：属于面发射类型（垂直腔结构），VCSEL可以提供高质量的激光束，更高的 耦合效率和空腹反射率，相比 FP 激光器和 DFB 激光器，VCSEL 制造比较容易，这样就 能够生产低成本基于 VCSEL 的收发器。VCSEL 在功耗、温漂、成本、集成、散热等方 面具有一定优势，但由于目前投入实际应用的 VCSEL 主要集中在 850nm/980nm 波长范 围内，这种激光器更适合应用于短距离的数据中心内高速数据传输和接入网等领域。

2）FP 激光器（Fabry-perot 法布里-珀罗激光器）：FP 激光器 TO 全称“TO 封装多量子阱 FP 腔纵模激光器”，它是以 FP 腔为谐振腔，发出多纵模相干光的半导体发光器件，属 于边发射类型（水平腔结构）。FP 激光器结构和制作工艺简单，成本低，主要用于中 短距离传输，比如传输距离一般在 20 公里以内。

3）DFB（Distributed Feedback Laser）激光器：分布式反馈激光器属于边发射类型（水 平腔结构），是在 FP 激光器的基础上，将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中 （也就是增益介质中），在谐振腔内形成选模结构，实现单模工作（即使用光栅选频 以实现单模工作）。DFB 相较 VCSEL 波长更长（一般用 1310nm 和 1550nm 这 2 种波 长），在包括传输网、无线基站、数据中心内部互联等领域在内的中长距离传输被普 遍使用。

以上三中激光器都属于直接调制激光器（DML，Directly Modulated Laser），信号的 0/1 调制通过控制其电流使激光器输出强度改变来完成，但是由于调制电流的变化，激光 器会发生比较明显的频率啁啾，导致脉冲展宽、信号失真，因此 DML 型不适合高速 长距离传输。后来，集成了电吸收调制器（EAM）与 DFB 的电吸收调制激光器 （EML）应运而生：EML 工作时，给激光器的注入电流保持恒定，依靠外部调制器对 光信号进行调制，因此不易产生啁啾效应、信号传输质量较理想，适合高速率、远距 离的电信骨干网、城域网和数据中心互联类的应用；但是相对地，EML 在价格和功耗 层面优势不够明显，因为 EML 在使用时需要给调制器 EAM 额外提供一个负压偏置， 同时还要搭配半导体制冷器（TEC）进行精密的环境温度控制来保证高信号传输质 量。

光模块根据不同场景的选择和使用是完全不同的，其中最主要的就是根据传输速率、 传输距离、不同的波长来选择激光器类型和调制方式：在高速率 100G 光模块中，几 十米用 VCSEL 激光器，500 米到 10 公里用 DFB 激光器，40 公里用 EML 激光器；在 10G 光模块中，1310nm 波长属于零色散区域，在传输 20 公里可选用 DML 激光器，若是 1550nm 波长需要选用 EML 激光器。