光芯片，国产芯片“换道超车”的下一站？

光芯片是全球半导体行业的一个重要细分赛道，涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用VCSEL 等成熟应用，以及车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域，不过我国半导体激光芯片技术基础薄弱，在光通信芯片尤其是高功率光纤激光器市场替代率仍处于较低水平，好在这些年持续努力追赶下，从研发到终端制造，不断追赶，让光芯片成为有望“换道超车”的赛道。

2022年9月14日晚间，国际顶级学术期刊《自然》发表文章，宣布南京大学张勇、肖敏、祝世宁领衔的科研团队，发明了一种新型“非互易飞秒激光极化铁电畴”技术，将飞秒脉冲激光聚焦于材料“铌酸锂”的晶体内部，通过控制激光移动的方向，在晶体内部形成有效电场，实现三维结构的直写和擦除。

该技术突破了传统飞秒激光的光衍射极限，把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸，从传统的1微米量级首次缩小到纳米级，达到30纳米，大大提高了加工精度，也标志着我国科学家在下一代光电芯片制造领域实现重大突破。

相关报道强调，这一重大发明，未来或可开辟光电芯片制造新赛道，有望用于光电调制器、声学滤波器、非易失铁电存储器等关键光电器件芯片制备，在5G/6G通讯、光计算、人工智能等领域有广泛的应用前景。

立于时代风口的光芯片

根据Photonics21发布的《Market Data and Industry Report 2020》显示，自2015年以来，光子产业链全球市场规模以每年7%的速度增长。其中，2019年的全球市场规模达到6900亿欧元，预计2025年将进一步增至9000亿欧元。而在下游数字通信（数通）和电信领域双轮驱动下，光芯片拥有极大成长空间。

从行业层面来看，根据Lightcounting的统计，2020年和2021年由于新冠疫情，人们开始转向居家办公，因而对更快、更高可靠性的网络的需求更为强烈。因此虽然供应链短缺因素仍在持续，但是行业能够很大程度上克服这些问题，光芯片所在的光模块行业在2020年和2021年实现了17%和9%的增长，Lightcounting预测2022年有望再次实现17%的收入增长。

从市场上看，消费光子时代来临，集成电路将走向集成光路时代，将带来万亿美金市场。光电芯片成为消费光子时代的核心基础，苹果、华为、英特尔、思科、IBM等国际顶尖公司纷纷布局光电芯片。国内则涌现出了陕西源杰半导体、奇芯光电等一批芯片企业，面向新一代高速光通讯、光计算、光传感需求，聚焦光子材料与光子芯片研发制造，抢占新兴战略产业技术制高点。

从芯片制备角度，光芯片制备的工艺流程与集成电路芯片有一定相似性但侧 重点不同，光芯片最核心的是外延环节。光芯片的制备流程同样包含了外延、光刻、 刻蚀、芯片封测等环节。

但就侧重点而言，光刻是集成电路芯片最重要的工艺环节， 其直接决定了芯片的制程以及性能水平。与集成电路芯片不同，光芯片对制程要求 相对不高，外延设计及制造是核心，该环节技术门槛最高。以激光器芯片为例，其 决定了输出光特性以及光电转化效率。

然而，全球高端光芯片基本被国外厂商垄断。我国在高端芯片领域的自主技术研发和投入实力方面相对较弱，目前主要集中在中低端光芯片产品的研发、制造。全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品，并达到 100Gb/s 速率及以上的水平。

在中兴、华为等通信设备的强势助攻下，中国成为世界上最大的光器件消费大国，市场占比约为 35%。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场较强，然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术，还掌握在美日企业手中（美、日企业占据了全球高端光芯片超过 50%市场份额，占据我国高端光芯片 90%以上的市场份额），我国高速率光芯片国产化率仅 3%左右。

华为10G 单模单纤、10km光模块

国内企业目前只掌握了10Gb/s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片，以及 PLC/AWG 芯片的制造工艺以及配套IC的设计、封测能力，25Gb/s的工艺能力及产能配套都无法形成规模；单通道 25Gbps 光芯片大部分已可国产化，电芯片部分国产化，但绝大多数 25Gb/s 速率模块使用的光电芯片只能做到小批量供货，大部分还要依赖进口。50Gbps以上的光电芯片，只有很少部分器件可国产化。

从产品路线来看，布局 DFB 激光器和 PIN 探测器的厂家更为集中，而 VCSEL 的厂商较多，但由于人脸识别等传感市场的空间更多，所以仅专注于数通市场的厂家则较少。

当前中国光芯片企业已经可以实现10G及以下的DFB 、APD等光芯片进口替代，中国10G速率及以下光芯片国产化率已于2020年实现完全替代，在接入网市场已经可以实现完全自给自足，但 1577nm EML 仍依赖进口，国产化仍在进一步验证中；不过在 25Gbps 以上，尤其是EML激光器芯片依然严重依赖进口，国产化芯片仍在验证提升的阶段，大规模供应仍有待进一步突破。但值得一提的是，受益于我国 5G 规模建设的提速、光芯片政策扶持以及全球化贸易摩擦，中国光芯片企业竞争力正在快速提升。

快速崛起的国产光芯片企业

相对于庞大的半导体生态，定位更精准的光芯片产业链更有利于攻关和集中资源突破，而经过十余年的发展，我国光芯片企业也取得了耀眼的成绩。

根据Lightcounting的统计，2010年仅一家国内厂商跻身前十之列，到了2021年，前十大之中国内厂商已占据半壁江山。从产品角度，10G及以下的中低端芯片国产替代持续深入，国产化程度已经较高。

国内厂商基本掌握了2.5G和10G产品的核心技术，除了部分型号产品（如10G EML激光器芯片）国产化率相对较低，大部分产品已基本能实现国产化替代。从应用领域的角度，国内厂商的产品当前主要集中在电信市场的光纤接入和无线接入领域，并开始尝试突破以高端产品需求为主导的数通市场。

目前我国光模块、光纤激光器、激光雷达等下游细分领域已具备较强竞争实力。光模块方面，根据Lightcounting 于2022 年5 月发布的统计数据，2021 年全球前十大光模块厂商，中国厂商占据六席，分别为旭创（与 II-VI 并列第一）、华为海思（第三）、海信宽带（第五）、光迅科技（第六）、华工正源（第八）及新易盛（第九）；相比于 2010 年全球前十大厂商主要为海外厂商，国内仅 WTD（武汉电信器件有限公司，2012 年与光迅科技合并）一家公司入围，体现出十年以来国产光模块厂商竞争实力及市场地位的快速提升

2021 年全球Top10 通信光模块国产厂商占六席（资料来源：Lightcounting，华泰研究）

光纤激光器方面，根据由中国科学院武汉文献情报中心牵头编写的《2022 中国激光产业发展报告》，国内市场前三大光纤激光器厂商中，IPG 市场份额由2018 年的49.0%下降至2021年的 28.1%，而锐科激光、创鑫激光市场份额由 2018 年的 17.3%/8.9%分别上升至 2021年的 27.3%/18.3%，此外杰普特、大族光子、热刺激光、凯普林等国产品牌市场份额也进入前列，国产替代步伐持续迈进。而激光雷达方面，国内完善的汽车上游零部件/光通信产业链为激光雷达产业快速发展奠定基础。

锐科激光出品的RFL-ABP光束模式可调激光器

事实上，在中下游的激光器及相关设备国产化进展持续推进背景下，光芯片作为上游核心元器件是我国光电子领域国产化下一阶段亟需突破的重点环节。从国产化进展来看，当前我国高功率激光芯片、部分高速率激光芯片（10G、25G 等）等已处于国产化加速突破阶段；而光探测芯片、25G 以上高速率激光芯片仍处于进口替代早期阶段，未来国产化提升空间广阔。

光芯片有望引领下一轮科技革命

光芯片的应用场景远不仅仅局限于通信领域，广义上的光芯片在工业、消费电子、汽车、军事等领域均有非常广泛的应用。当前光子已站上时代风口，有望引领后摩尔时代的科技革命。未来的时代或将是一个光子大规模替换电子的时代，光网络传输有望成为人类信息文明最重要的基础设施。而从技术竞争的角度来看，光芯片被认为是与国外研究进展差距最小的芯片技术，被寄予了中国“换道超车”的希望。

光通信芯片新势力！鹏瞰半导体首创两大技术，50G TS-PON即将到来

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）近年来，在市场需求的带动下光通信迎来快速发展，并且出现了应用范围越来越广的趋势。2019年，鹏瞰半导体（上海）有限公司（以下简称“鹏瞰半导体”）正式成立，致力于打造智能网络和边缘计算和控制的半导体解决方案，为智能制造和机器人、汽车和 F5G等产业的下一波技术革命提供动力。

作为产业链关键环节的光通信芯片，也是国产光通信行业中较为薄弱的环节，鹏瞰半导体加快产业布局，实现技术突破。鹏瞰半导体首创基于光传输技术的新型工业通信与控制网络，即TS-PON技术。在近期，电子发烧友网采访了鹏瞰半导体首席运营官张路博士，共同探讨了光通信芯片市场的发展现状以及公司未来的发展规划等话题。

图：鹏瞰半导体首席运营官张路博士

深挖光通信市场痛点，鹏瞰半导体推出两大业界首创

在进入光通信市场之前，鹏瞰创始团队就在寻找这个市场真正需要的是什么？“我们希望创建的公司还是要做一些创新的技术，而不是简单的（国产）替代。经过筹备后，我们发现光技术在很多应用场景都有很强的优势。”张路博士说到。

2018年，光传输技术的应用已经非常广泛，例如光纤到户，甚至在数据中心领域的应用发展也很快。而鹏瞰半导体发现了“市场缺口”：为了解决高带宽、低时延和线缆电磁干扰等问题，工业领域也出现采用光纤作为通信媒介的趋势。。当时还没有能很好匹配的光传输技术应用在这些领域。

“我们认为这是一个很好的契机，而且有很多边缘智能终端也对控制和传输提出了新的要求，特别是机器人、工业制造、车载等新兴应用场景。”张路博士提到。

原有的工业控制网络，最注重可靠性、低时延的性能，对数据传输带宽的要求较低。而大部分的数据网络，对数据传输的带宽要求非常高，但对于控制的应用没有要求，因为以前互联网应用主要是在做数据传输，对时延不敏感，但是一旦把数据传输技术应用在工业里，它就必须满足工业应用的要求，包括可靠性、低能耗、低时延等。

新兴应用场景对现有的数据网络提出了很大的挑战，鹏瞰半导体创始团队认为“光进铜退”的趋势，也必将在工业领域发生。

任何一家想要进入新兴领域的玩家，都需要精准找到市场痛点，并且还需要打造属于自己的技术竞争优势。

基于市场需求，鹏瞰半导体在传统PON（无源光网络）技术的基础上做了演进，创新性提出“TS-PON”（时间敏感无源光网络）的概念。随后在FTTx的应用需求下，于今年又正式推出业界第一款FTTR Mini-OLT ASIC。

在9月的CIOE光博展期间，鹏瞰半导体向业界展示了公司的主营产品，基于TS-PON（时间敏感PON技术）的VN1810和VN1110系列SoC芯片，以及基于标准XGS/XG/GPON协议的VN180x和VN110x系列SoC芯片。

图：鹏瞰半导体标准PON与TS-PON高集成芯片产品

首创TS-PON技术，人形机器人将更加灵活

什么是TS-PON技术？根据介绍，鹏瞰半导体将TSN（时间敏感网络）特点和PON技术结合，带宽提升至10G甚至更高，并且将通信时延降至10μs，极大程度解决了工业通信对时延、带宽的问题。

在鹏瞰半导体的产品中，VN1810和VN1110分别是TS-PON Root SoC芯片、TS-PON Node SoC芯片。VN1810通常内置在工业主站的控制器里，VN1110内置在从站传感器、执行器单元里， Root和Node之间采用光纤连接，通过P2MP（点到多点）方式实现信息上传和下发与控制处理。

图：TS -PON的技术原理图

TS -PON技术的目标替代市场指向控制总线和工业以太网。要知道，在工业通信方式中，尽管工业无线网络的需求正在提升，但工业以太网和控制总线等有线方式依旧占据主导地位，合计占据超过八成的市场份额。工业以太网传输技术是点到点的传输技术，不管是采用电缆还是光纤进行传输，都是需要大量的线缆。另外，以太网的协议是为“尽力而为”的数据传输设计的，为了弥补这个缺陷，当前工业以太网或其他TSN技术都还只是做了“改良”工作。从上面TS-PON的技术原理图上可以看出，它是采用了“革命性”的方式优化了传输方式：包括点到多点的技术可以减少大幅减少线缆数量，而且也大幅减少了主站的设备端口及设备数量，降低了投资成本。并且TS-PON从协议根基上保证了工业网络需要的确定性，低时延等需求。

目前，鹏瞰半导体已掌握10G光通信芯片的核心技术，开始向50G等下一代PON技术布局。

“从光网的建设，到光网的维护，它的递升性都非常强，生命空间也非常大。”张路博士表示，基于光纤的特点，鹏瞰半导体可以快速推进TS-PON技术的演进。鹏瞰半导体已经将单芯光纤通信速率50G的产品系列列入产品规划路标，包括50G TS-PON和50G ITU PON。

那么，TS-PON技术的应用能够带来哪些应用升级呢？

当前，鹏瞰半导体推出了工业4.0、机器人、智能汽车的光平台解决方案。关于在机器人上的应用，张路博士提到，机器的沟通分为两部分，一部分是机器内部的沟通，依靠的是有线传输技术把机器人的每一个关节点全都连接起来；另一部分机器跟机器之间的沟通，依靠的是无线传输技术让机器可以完成跟外部物体的互动。两部分传输统筹不同载体之间的连接。而TS-PON技术侧重于有线传输。

现阶段的人形机器人可以完成很多动作，但这些动作的完成都很慢，因为需要考虑数据传输、控制，以及如何在保证安全时又能灵活完成动作等问题。TS-PON技术能够用一根光纤支撑起高达128个节点，具备高带宽、μ秒级低时延，超高性能MCU等优势。后续能够升级为50G TS-PON，，能够让机器人承载更多的摄像头和传感器，可以完成更复杂更灵活的工作。

同样，TS-PON技术的优势在智能汽车、工业4.0领域也能得到充分的发挥。鹏瞰半导体也已经与多家头部企业达成深度合作，未来随着技术的成熟与迭代，将逐步提升市场占有率。

完成0到1的突破，发布首款FTTR Mini-OTL ASIC

在通信领域，FTTR是今年绕不开的热点话题，随着光纤到房间的推进，光通信在智慧家庭的应用也得到进一步的开拓。

针对家庭应用场景，鹏瞰半导体推出了业界第一款FTTR Mini-OTL ASIC——VN180x和VN110x系列SoC芯片。顾名思义，这款产品的特别之处就在于采用了ASIC方案。

相对于FPGA方案，ASIC方案在速率、安全性、功耗等各个方案都有明显的优势，VN180x的功耗可以低至1W，而业界的FPGA方案的功耗约为3W，在家庭应用场景中，功耗将是一个非常明显的优势。此外，VN180x还内置PLL，无需另加高精度时钟芯片。

当前，在家庭应用中，即使连接了 WiFi 6、WiFi 7，但是用户很难感受传输速率很快，这是因为周围有几十个WiFi热点在工作，所以每一个热点的传输数据都很低。而FTTR光网络能还需要进一步优化它，把每个房间的WiFi热点全部连接起来，让它们做更好地协同，提升传输速率。

面向未来的TS-PON SoC，必将引发一场工业领域的大变革

基于AIGC的特性，FTTR的使用场景也从家庭应用领域，拓展至政企等领域。传统FTTH光纤到户对通信传输距离的要求是10公里甚至20公里，但工业应用场景或许只需要100米、200米，房间与房间之间是需要10米或者20米。张路博士表示，这里面光通信有很大的优化空间，包括有线和无线之间怎么样更好地融合，这就是我们下一代要去解决的一个问题。

面对AI等技术带来的海量数据、传输挑战，张路博士认为，如果将车载、机器人、工业应用场景看成一个个边缘智能体，我们需要进一步思考的是：在各种各样的边缘智能应用里，它会对数据传输和实时性提出什么样的要求，我们怎么样把智能的应用和对数据的使用能够做得更好，这是我们要做的。

鹏瞰半导体作为光通信芯片研发商，扮演的角色犹如修桥铺路的基础设施建设，在光通信行业的发展过程中发挥中流砥柱的作用。鹏瞰半导体认为，光技术代表了网络通信的未来，因为它可以覆盖从广域网一直到局域网到工厂到机器人和车身，不管是从公司的发展，还是产品的研发，鹏瞰半导体将开发出更新的技术、更新的产品，引领产业的发展，同时满足业界对新技术无尽的需求。

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