光通信：光器件、光芯片及电芯片

清晰记得，大学激光原理实验课上，做光纤熔接的时候，授课老师恐吓我们，小心别把光纤掰断了，特别是要小心别扎到手指里，光纤很细，很容易随着毛细血管流入到心脏，因为又是透明的，所以医院CT机也检测不出来……

这个阴影笼罩在我记忆里，直到现在都没搞明白，是真的还是老师在吓唬人，懂行的朋友可以评论一下。

留下的后遗症就是，前些日子家里终于把歌华有线的同轴电缆上网，换成了联通的光纤入户。业务员小哥上门拉光纤的时候，现场做光纤焊接，还特别小心的提醒了一句……

结果小哥搬出光纤熔接机，三下五除二就搞定了，比起当年我们眯着眼睛颤颤巍巍去对接光纤头，熟练度多了，这是一门技术活儿。

废话不多说，我们今天聊聊光通信，光器件，以及剥掉光器件外壳，里面的各种光芯片、电芯片……

我们都知道，5G时代已经来临，基站也在紧锣密鼓地投资建设中，5G制式手机已经成了标配。但这都属于无线层面，5G网络建设不仅仅包含无线接入网络建设，eMBB增强移动宽带的通信需求，对承载网、骨干传输网的建设也同样提出了要求。

而承载网、骨干传输网的主角，就是光通信网络了。

一句话概括光通信原理：所有信息通信信号，初始状态都是电信号（模拟/数字），否则我们的IC芯片无法处理。要实现光纤通信，信号发射端，需要将电信号转换为光信号，通过光纤传输到远端。信号接收端，光探测器接收到光信号，并转化成可处理的电信号。

光通信除了传输光纤，还需要光通信设备，而光通信设备的核心为光模块；光模块的核心为光有源器件和电芯片；光有源器件的核心为光芯片；光芯片包括激光器芯片、探测器芯片；电芯片包括TIA、 LD Driver、 CDR芯片等。

目前光模块中，除去相应的组件（外壳、PCB、气密、温控等），芯片成本占70%，其中，光芯片成本占40%，电芯片成本占30%左右。但也需要区分中低端不同水平的光模块，速率越高，对信号处理能力要求越高，电芯片成本占比越高。

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图》，光电产业从产业链角度看，包括光辐射（激光器）、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成以及光转换（光伏）等多个领域。光通信器件按照其物理形态的不同，可分为芯片、光有源器件、光无源器件、光模块与子系统四大类。

在整个网络架构中，各个模块位置，可以参考一下：

——术语解析——

光器件，助力我国光通信由大转强

高清视频、移动互联网等新型业务的迅速发展带来数据流量的急剧上升，光通信网络作为信息通信基础设施之一，对上层业务及应用的发展起到重要的承载支撑作用。我国光通信产业经过几十年的发展，产业规模和产品种类不断扩大，竞争力持续提升，尤其系统设备环节已成为全球中坚力量。然而我国光通信产业却“大”而不“强”，位于产业链源头的光器件与领先国家存在较大差距，近期美国对中兴的制裁事件再一次敲响我国在该领域核心技术缺失的警钟。

一、数据中心、5G对光器件提出新型需求，技术方案有待收敛

广义的光器件技术范畴包含由小到大的光芯片、光器件和光模块，更高速率、更低成本、更宽温度范围和集成化是整体发展趋势。从产品维度来看，由于以太网等业务速率的发展速度远超过光器件带宽能力，多根光纤或多路波长等多通道的实现方式、以及高阶调制成为实现高速率光模块的重要技术方案。25GBaud光电芯片平台目前已成为主流，可支持单通道25Gb/s 非归零（NRZ）信号、单通道50Gb/s 四电平脉冲幅度调制（PAM4）信号、以及单通道100Gb/s 双偏振正交相移键控（DP-QPSK）等信号。通道数量决定封装、功耗和成本，产业链将始终瞄准最少通道的技术方向，业界已开始布局基于50GBaud光电平台的单通道100Gb/s PAM4和4通道400Gb/s PAM4 光模块。同时，5G即将步入商用进程，对光模块提出巨大需求的同时也对光芯片提出了新型挑战。例如在前传方面，AAU侧光模块涉及室外应用，需要工业级（-40~85℃）的激光器芯片，目前25GBaud激光器芯片在宽温实现方面尚存在较大挑战。目前，在数据中心、5G等领域基于不同需求和技术方案的光模块种类过多，一定程度上带来研发方多头投入的负担，有待求同存异进行收敛。

从产业链维度来看，光器件材料多样化，每种材料的特性及匹配器件各不相同，光芯片的工艺流程又与材料、功能和结构设计息息相关，制作工艺不统一；同时，光芯片制造和器件封装精度高、出货量小、规格变化快，导致其生产自动化程度较低，成本的降低需全面考量产能、良率和性能等多方面因素。与集成电路类似，光器件也可以实现多个功能元件的集成，称之为光子集成（PIC）技术，目前中小规模PIC已经成熟并取得广泛商用，大规模PIC集成度达到数百个元器件。硅光技术是PIC的重要分支，基于硅或与硅兼容的材料利用CMOS工艺进行光器件的开发与集成，具有低成本规模生产的巨大潜力。近年来硅光产业链不断构建，但由于异质光源集成、标准CMOS工艺兼容性、封装成本高等限制，硅光技术在100Gb/s光模块领域尚未实现规模商用，未来有望在400Gb/s和1Tb/s等更高速率发挥优势。

二、光器件产业链长、形态多样化，近年来并购重组不断整合加剧

光器件产业链较长，由于器件和材料种类的不同，在产业链各环节有不同厂商参与，且数量较多，具备集成制造（IDM）和专注于设计的Fabless等不同形态。龙头光器件商以IDM为主，拥有芯片设计、制造、封测、以及模块组装全套能力。然而与系统设备、光纤光缆等光通信产业链其他环节相比，光器件环节的市场份额仍比较分散、集中度低。

近年来，光器件领域资本运作频繁并购重组不断，主导者多为美国厂商，集中度和竞争力进一步提升，也不乏光迅、海信、华为等我国厂商的身影。并购重组原因主要有几大类：第一类以器件商之间合并为代表的“横向整合”，光器件产品种类和涉及技术多，单类型产品市场规模有限，通过并购进行技术、产品及客户协同，实现规模效应；第二类是以器件模块商向上游芯片、外延等领域扩展、以及设备商向上游模块芯片领域扩展为代表的“纵向上游整合”，上游芯片研发周期长、投入大，不同类型的光芯片基于不同工艺平台，内生式发展难度大，通过并购实现垂直整合可有效降低成本，同时提升货源稳定性和产品融合性；第三类是以高端器件商剥离下游封装业务为代表的“纵向下游剥离”，产业链下游竞争日益激烈，器件商剥离光模块组装等下游业务，聚焦高端芯片。

从盈利能力来看，与光通信全产业链其他公司相比，光器件商的平均纯利润率最低，研发同类产品的厂商过多，价格战竞争激烈。随着近期两起重大并购事件的发生，2018年3月第二大光器件商Lumentum收购排名紧随其后的Oclaro、2018年11月II-VI收购第一大光器件商Finisar，光器件行业整合加剧，开始由市场份额分散、集中度低的完全竞争阶段向集中化阶段迈进。未来几年，市场竞争格局将持续演化，有效整合有利于促进行业规范发展。

三、我国光器件产业链发展不均衡，技术、环境和资金是重要掣肘

我国光器件产业在政策驱动、市场牵引及新兴应用的促进下，整体产业规模稳步增长、产业实力不断提升，约占全球20~25%左右的市场份额，在无源及有源光器件芯片中低端产品领域以及光模块等产业链下游领域紧跟领先水平或与领先水平保持同步，然而高端产品研发能力薄弱，面临产品结构不合理、产业链发展不均衡的严峻挑战。核心光电芯片国产化率低，根据工信部电子司指导发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》，10Gb/s光芯片国产化率接近50%，25Gb/s及以上光芯片国产化率仅为3%，此外，高速驱动、PAM4和DSP等电芯片国产化率极低，依赖以美日为主的进口。

技术能力、产业环境和资金投入等方面的不足是我国光器件行业发展的重要掣肘。首先，技术能力的巨大差距是竞争力不强的根本原因，国外领先企业占据先发优势把控产业链高端，我国设计工具、基础工艺、仪表装备等产业基础配套能力弱，企业固定资产投资负担重，价格竞争激烈利润率低，难以维系巨型研发投入，行业发展以跟随为主，创新能力不足以支撑在新一代技术中实现超越。第二，产业环境方面，我国企业规模普遍较小、群体不够强壮，在融资、技术开发、标准引领等方面存在不足。我国虽拥有优质系统设备商，但上下游企业间的研发合作有限，市场化竞争中国产芯片较难通过上下游间的迭代验证来突破可靠性、量产等关键问题。第三，光器件芯片研发周期长、资金投入大，我国国家及地方政府的产业扶持资金和市场资本投入均存在不足，限制了高端产品研发能力的提升、以及创新创业氛围和成果的快速转化落地。

综上，光器件芯片具有技术含量高、研发投入大、回报周期长和产业群体性强等特征，其发展需要良好的整体规划、产业基础和平台做支撑。我国应基于产业自身特点和发展现状，围绕核心优势，补齐短板差距，突破关键技术，优化产品结构，强化产业基础与底层技术创新，推动各方形成合力共同促进产业健康发展。

作者简介

吴冰冰，博士，中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师，主要从事传送网、光器件模块和量子信息技术研究。

联系方式：wubingbing@ritt.cn

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