国产卡脖子之光芯片行业，华为、中兴等通信巨头核心原材料

一、行业概览

光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传输介质，通过电光转换，以光信号进行传输信息的系统。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。

高速光芯片是现代高速通讯网络的核心之一。光芯片系实现光电信号转换的基础元件，其性能直接决定了光通信系统的传输效率。 光纤接入、4G/5G移动通信网络和数据中心等网络系统里，光芯片都是决定信息传输速度和网络可靠性的关键。光芯片可以进一步组装加工成光电子器件，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中应用位置如下：

二、产业链

光通信等应用领域中，激光器芯片和探测器芯片合称为光芯片。 从产业链角度看，光芯片与其他基础构件（电芯片、结构件、辅料等）构成光通信产业上游，产业中游为光器件，包括光组件与光模块，产业下游组装成系统设备，最终应用于电信市场，如光纤接入、4G/5G 移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等领域。光通信产业链示意图如下：

光通信产业链中，组件可分为光无源组件和光有源组件。光无源组件在系统中消耗一定能量，实现光信号的传导、分流、阻挡、过滤等“交通”功能，主要包括光隔离器、光分路器、光开关、光连接器、光背板等；光有源组件在系统中将光电信号相互转换，实现信号传输的功能，主要包括光发射组件、光接收组件、光调制器等

光芯片加工封装为光发射组件（TOSA）及光接收组件（ROSA），再将光收发组件、电芯片、结构件等进一步加工成光模块。光芯片的性能直接决定光模块的传输速率，是光通信产业链的核心之一。

三、光芯片的基本类型

(一)功能分类

光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片， 其中激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。

激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片 ，面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片，主要有 PIN 和APD 两类。具体情况如下：

（1）激光器芯片

激光器芯片主要有 VCSEL、FP、DFB 和 EML，具体特点如下：

产品类别

工作波长

产品特性

应用场景

VCSEL

800-900nm

线宽窄，功耗低，调制速率高，耦合效率高，传输

距离短，线性度差

500 米以内的短距离传输，如数据中心机柜内部传输、消费电

子领域（3D 感应面部识别）

FP

1310-1550nm

调制速率高，成本低，耦合效率低，线性度差

主要应用于中低速无线接入短距离市场，由于存在损耗大、传输距离短的问题，部分应用场景逐步被 DFB 激光器芯片取

代

DFB

1270-1610nm

谱线窄，调制速率高，波长稳定，耦合效率低

中长距离的传输，如 FTTx 接入网、传输网、无线基站、数据

中心内部互联等

EML

1270-1610nm

调制频率高，稳定性好，传输距离长，成本高

长距离传输，如高速率、远距离的电信骨干网、城域网和数

据中心互联

（2）探测器芯片

探测器芯片主要有 PIN 和APD，具体特点如下所示：

产品类别

工作波长

产品特性

应用场景

PIN

830-860/1100-1600nm

噪声小，工作电压低，成

本低，灵敏度低

中长距离传输

APD

1270-1610nm

灵敏度高，成本高

长距离单模光纤

(二)原材料分类

光芯片企业通常采用三五族化合物磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）作为芯片的衬底材料，相关材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合高频通信的特点，因而在光通信芯片领域得到重要应用。

其中，磷化铟（InP）衬底用于制作FP、DFB、EML边发射激光器芯片和PIN、APD探测器芯片，主要应用于电信、数据中心等中长距离传输；砷化镓（GaAs）衬底用于制作VCSEL面发射激光器芯片，主要应用于数据中心短距离传输、3D感测等领域。

(三)光芯片的发展概况

经过结构设计、组件集成和生产工艺的改进，目前 EML 激光器芯片大规模商用的最高速率已达到 100G ，DFB 和 VCSEL 激光器芯片大规模商用的最高速率已达到 50G。 在不断满足高带宽、高速率要求的同时，光芯片的应用逐渐从光通信拓展至包括医疗、消费电子和车载激光雷达等更广阔的应用领域。

四、光芯片行业现状

（一）光芯片行业国外起步较早技术领先，国内政策扶持推动产业发展

（1）欧美日国家光芯片行业起步较早、技术领先

海外光芯片公司普遍具有从光芯片、光收发组件、光模块全产业链覆盖能力。除了衬底需要对外采购， 海外领先光芯片企业可自行完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，可量产 25G 及以上速率光芯片。 此外，海外领先光芯片企业在高端通信激光器领域已经广泛布局，在可调谐激光器、超窄线宽激光器、大功率激光器等领域也已有深厚积累。

（2）国内光芯片以国产替代为目标，政策支持促进产业发展

国内的光芯片生产商普遍具有除晶圆外延环节之外的后端加工能力，而光芯片核心的外延技术并不成熟，高端的外延片需向国际外延厂进行采购，限制了高端光芯片的发展。 以激光器芯片为例，我国能够规模量产 10G 及以下中低速率激光器芯片，但 25G 激光器芯片仅少部分厂商实现批量发货，25G 以上速率激光器芯片大部分厂商仍在研发或小规模试产阶段。 整体来看高速率光芯片严重依赖进口，与国外产业领先水平存在一定差距。

（二）光芯片需求驱动因素分析

（1）信息应用

随着信息技术的快速发展，全球数据量需求持续增长，根据 Omdia 的统计，2017 年至 2020 年，全球固定网络和移动网络数据量从 92 万 PB 增长至 217万 PB，年均复合增长率为 33.1%，预计 2024 年将增长至 575 万 PB，年均复合增长率为 27.6%，2021 年 11 月，工信部发布《“十四五”信息通信行业发展规划》要求全面部署新一代通信网络基础设施，全面推进 5G 移动通信网络、千兆光纤网络、骨干网、IPv6、移动物联网、卫星通信网络等的建设或升级。根据 LightCounting 的数据，2016 年至 2020 年，全球光模块市场规模从58.6 亿美元增长到 66.7 亿美元，预测 2025 年全球光模块市场将达到 113 亿美元，为 2020 年的 1.7 倍。光芯片作为光模块核心元件有望持续受益。

（2）千兆光纤网络升级

FTTx （Fiber-to-the-X，光纤接入，其中 x 可以代表单个家庭、多户住宅或办公楼等；当 x 代表单个家庭，即为 FTTH光纤到户）光纤接入是全球光模块用量最多的场景之一，而我国是 FTTx 市场的主要推动者。 受制于电通信电子器件的带宽限制、损耗较大、功耗较高等，运营商逐步替换铜线网络为光纤网络 。

目前，全球运营商骨干网和城域网已实现光纤化，部分地区接入网已逐渐向全网光纤化演进。PON（无源光网络）技术是实现 FTTx 的最佳技术方案之一 ，PON 是指 OLT（光线路终端，用于数据下传）和 ONU（光网络单元，用于数据上传）之间的 ODN（光分配网络）全部采用无源设备的光接入网络，是点到多点结构的无源光网络。

PON 技术传输容量大，相对成本低，维护简单，有很好的可靠性、稳定性、保密性，已被证明是当前光纤接入中非常经济有效的方式，成为光纤接入技术主流。目前 PON 技术主要包括 APON/BPON、EPON 、GPON 和 10G-PON 几类，当前主流的 EPON/GPON 技术采用 1.25G/2.5G 光芯片，并向 10G 光芯片过渡。 10G-PON 技术支持数据上下传速率对称 10Gbps，能够更好地满足各类高速宽带业务应用的接入网络需求。

根据 LightCounting 的数据，2020 年 FTTx 全球光模块市场出货量约 6,289 万只，市场规模为 4.73 亿美元，随着新代际 PON 的应用逐渐推广，预计至 2025 年全球 FTTx 光模块市场出货量将达到 9,208 万只，年均复合增长率为 7.92%，市场规模达到 6.31 亿美元，年均复合增长率为 5.93%。

（3）5G 移动通信网络建设

全球正在加快5G建设进程，5G建设和商用化的开启，将拉动市场对光芯片的需求。5G移动通信网络可大致分为前传、中传、回传。

光模块也可按应用场景分为前传、中回传光模块，前传光模块速率需达到25G，中回传光模块速率则需达到50G/100G/200G/400G，带动25G 甚至更高速率光芯片的市场需求。

根据LightCounting的数据，全球电信侧光模块市场前传、（中）回传和核心波分市场需求将持续上升，2020年分别达到8.21亿美元、2.61亿美元和10.84亿美元，预计到2025年，将分别达到5.88亿美元、2.48亿美元和25.18亿美元。电信市场的持续发展，将带动电信侧光芯片应用需求的增加。

（4）云计算产业与数据中心数量发展

光通信技术在数据中心领域得到广泛的应用，极大程度提高了其计算能力和数据交换能力。光模块是数据中心内部互连和数据中心相互连接的核心部件，根据 LightCounting 的数据，2019 年全球数据中心光模块市场规模为 35.04 亿美元，预测至 2025 年，将增长至 73.33 亿美元，年均复合增长率为 13.09%。

我国云计算产业持续景气，云计算厂商建设大型及超大型数据中心不断加速。根据中国信通院《2021 云计算白皮书》，2020 年我国公有云市场规模达到 1,277 亿元， 同比增长 85.2%， 私有云市场规模达到 814 亿元， 同比增长26.1%。

政策层面，我国政府将云计算作为产业转型的重要方向，积极推动云计算、数据中心的发展。根据工信部《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023 年）》，到 2021 年底，全国数据中心平均利用率提升到 55%以上，到 2023年底，全国数据中心机架规模年均增速保持在 20%，平均利用率提升到 60%以上，带动光芯片市场需求的持续增长。

（三）高速率光芯片市场的增长速度将远高于中低速率光芯片

当前光芯片主要应用场景包括光纤接入、4G/5G 移动通信网络、数据中心 等，都处于速率升级、代际更迭的关键窗口期。

电信市场方面，光纤接入市场，FTTx 普遍采用 PON 技术接入，当前 PON技术跨入以 10G-PON 技术为代表的双千兆时代。10G-PON 需求快速增长及未 来 25G/50G-PON 的出现将驱动 10G 以上高速光芯片用量需求大幅增加。

移动通信网络市场，随着 4G 向 5G 的过渡，无线前传光模块将从 10G 逐渐升级到 25G ，电信模块将进入高速率时代。中回传将更加广泛采用长距离 10km-80km 的 10G、25G、50G、100G、200G 光模块，该类高速率模块中将需要采用对应的 10G、25G、50G 等高速率和更长适用距离的光芯片 ，推动高端光芯片用量不断增加。

数据中心方面，随着数据流量的不断增多，交换机互联速率逐步由 100G向 400G 升级，且未来将逐渐出现 800G 需求。 根据 LightCounting 的统计，预计至 2025 年，400G 光模块市场规模将快速增长并达到 18.67 亿美元，带动 25G及以上速率光芯片需求。

在对高速传输需求不断提升背景下，25G 及以上高速率光芯片市场增长迅速。根据 Omdia 对数据中心和电信场景激光器芯片的预测，高速率光芯片增速较快，2019 年至 2025 年，25G 以上速率光模块所使用的光芯片占比逐渐扩大，整体市场空间将从 13.56 亿美元增长至 43.40 亿美元，年均复合增长率将达到21%。

（四）国内光模块厂商实力提升，光芯片行业将受益于国产化替代机遇

光芯片下游直接客户为光模块厂商，近年来，我国光模块厂商在技术、成本、市场、运营等方面的优势逐渐凸显，占全球光模块市场的份额逐步提升。根据 LightCounting 的统计，2020 年我国厂商中已有中际旭创、华为、海信宽带、光迅科技、新易盛、华工正源进入全球前十大光模块厂商，光通信产业链逐步向国内转移，同时中美贸易摩擦及芯片国产化趋势，将促进产业链上游国内光芯片的市场需求。

前十名光模块供应商排名情况

排名

2018年

2020年

1

Finisar

II-VI

2

Innolight（中际旭创）

Innolight（中际旭创）

3

Hisense（海信宽带）

Huawei（华为）

4

Accelink（光迅科技）

Hisense（海信宽带）

5

FOIT

Cisco

6

Lumentum

Broadcom

7

Acacia

Intel

8

Intel

Accelink（光迅科技）

9

AOI

Eoptolink（新易盛）

10

Sumitomo

HGG（华工正源）

注：Finisar 于 2019 年被II-VI 收购。

（五）我国光芯片厂商的全球份额将进一步提升

根据ICC预测，2019-2024年，中国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例将不断提升，中高速率光芯片增长更快，具体情况如下：

我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核心技术，根据 ICC预测，2021 年该速率国产光芯片占全球比重超过 90% ；10G 光芯片方面，2021年国产光芯片占全球比重约 60%，但不同光芯片的国产化情况存在一定差异，部分 10G 光芯片产品性能要求较高、难度较大，如 10G VCSEL/EML 激光器芯片等，国产化率不到 40%； 25G 及以上光芯片方面，随着 5G 建设推进，我国光芯片厂商在应用于 5G 基站前传光模块的 25G DFB 激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的 25G DFB 激光器芯片，2021 年 25G 光芯片的国产化率约 20%，但 25G 以上光芯片的国产化率仍较低约 5% ，目前仍以海外光芯片厂商为主。

五、 光芯片行业发展趋势

(一)模块厂商布局硅光方案，大功率、小发散角、宽工作温度 DFB激光器芯片将被广泛应用

随着电信骨干网络和数据中心流量快速增长，更高速率光模块的市场需求不断凸显。传统技术主要通过多通道方案实现 100G 以上光模块速度的提升 ，然而随着数据中心、核心骨干网等场景进入到 400G 及更高速率时代，单通道所需的激光器芯片速率要求将随之提高。以 400G QSFP-DD DR4 硅光模块为例，需要单通道激光器芯片速率达到 100G。在此背景下，利用 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代硅光技术成为一种趋势。

硅光方案中，激光器芯片仅作为外置光源，硅基芯片承担速率调制功能，因此需将激光器芯片发射的光源耦合至硅基材料中。

凭借高度集成的制程优势，硅基材料能够整合调制器和无源光路，从而实现调制功能与光路传导功能的集成。例如 400G 光模块中，硅光技术利用 70mW 大功率激光器芯片，将其发射的大功率光源分出 4 路光路，每一光路以硅基调制器与无源光路波导实现 100G 的调制速率，即可实现 400G 传输速率。硅光方案使用的大功率激光器芯片，要求同时具备大功率、高耦合效率、宽工作温度的性能指标，对激光器芯片要求更高。

(二)磷化铟（InP）集成光芯片方案是满足下一代高性能网络需求的重要发展方向

为满足电信中长距离传输市场对光器件高速率、高性能的需求，现阶段广泛应用基于磷化铟（InP）集成技术的EML 激光器芯片。随着光纤接入PON 市场逐步升级为 25G/50G-PON 方案，基于激光器芯片、半导体光放大器（SOA）的磷化铟集成方案，如 DFB+SOA 和 EML+SOA，将取代现有的分立 DFB 激光器芯片方案，提供更高的传输速率和更大的输出功率。

此外，下一代数据中心应用 400G/800G 传输速率方案，传统DFB 激光器芯片短期内无法同时满足高带宽性能、高良率的要求，需考虑采用EML 激光器芯片以实现单波长 100G 的高速传输特性。 同时，随着应用于数据中心间互联的波分相干技术普及，基于磷化铟（InP）集成技术的光芯片由于具备紧凑小型化、高密集成等特点，可应用于双密度四通道小型可插拔封装（QSFP-DD）等更小型端口光模块，其应用规模将进一步的提升。

六、行业竞争情况

(一)光芯片竞争格局

根据 LightCounting 并结合行业数据测算，2021 全球光通信用光芯片市场规模为 146.70 亿元，其中 2.5G、10G 及 25G 及以上光芯片市场规模分别为 11.67亿元、27.48 亿元、107.55 亿元。结合 ICC 数据测算，2021 年我国光芯片厂商的销售规模为 37.37 亿元。

我国光芯片厂商包括专业化光芯片企业、光芯片光模块一体化企业。其中，专业化光芯片企业专注于光芯片领域且产品种类齐全，而光芯片光模块一体化企业为确保光芯片供应安全，除直接对外采购光芯片外，会通过自研或收购光芯片业务开发部分型号光芯片产品，与专业化光芯片企业存在合作大于竞争的关系。

(二)不同速率光芯片竞争情况

经过多年的发展，我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 和 10G 光芯片的核心技术，但仍有部分型号产品性能要求高、难度大，实现批量供货的国内厂商数量较少。25G 及以上高速率光芯片方面，我国国产化率低，受到工艺稳定性、可靠性、供货能力及下游客户认证等因素影响，我国的光模块或光器件厂商仍然是优先采购海外的高速率光芯片，尤其在数据中心市场及高速 EML 激光器芯片等领域，仅少部分厂商实现批量发货。 不同速率光芯片的主要竞争格局及发行人市场地位情况如下：

（1）2.5G 光芯片

我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 光芯片的核心技术，2.5G 光芯片市场已基本实现国产化。 具体情况如下：

2.5G 光芯片主要应用于光纤接入市场，产品技术成熟， 如 PON（GPON）数据上传光模块使用的 2.5G 1310nm DFB 激光器芯片，国产化程度高，国外光芯片厂商由于成本竞争等因素，已基本退出相关市场；而部分产品可靠性要求高、难度大，如 PON（GPON）数据下传光模块使用的 2.5G 1490nm DFB 激光器芯片，国内可以批量供货的厂商较少 。

（2）10G 光芯片

我国光芯片企业已基本掌握 10G 光芯片的核心技术，但部分型号产品仍存在较高技术门槛，依赖进口。 具体情况如下：

10G 光芯片在光纤接入市场、移动通信网络市场和数据中心市场均有应用 ，具体情况如下：

① 光纤接入市场

10G 1270nm DFB激光器芯片主要用于10G-PON数据上传光模块，根据C&C统计。而10G 1577nm EML激光器芯片主要用于10G-PON 数据下传，相关芯片设计与工艺开发复杂，国产化率低，仅博通（ Broadco m ）、住友电工、三菱电机等国际少数头部厂商能够批量供货。目前国内光芯片厂商中，华为、海信宽带可以部分实现自产自用。

② 移动通信网络市场

10G 1310 光芯片主要应用于 4G 移动通信网络，5G 移动通信网络主要使用25G 光芯片，出于成本等因素考虑，2021 年存在 5G 基站使用升级的 10G 光芯片方案。 由于 4G 移动通信网络已相对成熟，10G 光芯片供应商格局稳定，主要为三菱电机、朗美通（Lumentum）、海信宽带、光迅科技等。

③ 数据中心市场

海外互联网公司主要使用 100G 及以上速率光模块，国内互联网公司目前主要使用 40G/100G 光模块并开始向更高速率模块过渡，其中 40G 光模块使用4颗 10G DFB 激光器芯片的方案。 国内源杰科技、武汉敏芯等部分光芯片厂商已具备相关产品出货能力，但下游光模块厂商综合考虑替换成本、可靠性、批量出货能力等因素，国产化占比提升仍需要一个过程。

④ 25G 及以上光芯片

25G 及以上光芯片包括 25G、50G、100G 激光器及探测器芯片。 随着 5G建设推进，我国光芯片厂商在应用于 5G 基站前传光模块的 25G DFB 激光器芯片有所突破，数据中心市场光模块企业开始逐步使用国产厂商的 25G DFB 激光器芯片 ，根据 ICC 统计，25G 光芯片的国产化率约 20%，但 25G 以上光芯片的国产化率仍较低约 5%。

25G 及以上光芯片主要应用于移动通信网络市场和数据中心市场，具体情况如下：

a) 移动通信网络市场

5G 移动通信网络包括前传、中传和回传等领域，25G 光芯片主要应用于5G 前传光模块市场。2020 年运营商主要采用 25G 光芯片方案 ，而 5G 中回传光模块所使用的 25G EML 激光器芯片 ，主要为三菱电机、住友电工、朗美通（Lumentum）等海外企业供应。

b) 数据中心市场

海外互联网公司前期主要使用 100G 光模块，并从 2020 年开始大规模向200G/400G 光模块过渡。而国内互联网公司主要使用 40G/100G 光模块，从2022 年开始推进 200G/400G 光模块批量部署。

100G 光模块需求量占比超过数据中心用光模块市场的 60%，主要使用 4 颗 25G DFB 激光器芯片方案或 1 颗 50G EML（通过 PAM4 技术调制为 100G） 激光器芯片方案；200G 及以上速率光模块主要使用 EML 激光器芯片方案。 数据中心光模块市场需要的 25G 激光器芯片以海外供应商为主。数据中心用 EML激光器芯片设计与工艺开发复杂，国产化率低，仅海外光芯片厂商拥有批量供货的能力。

七、行业内主要企业

光芯片是光通信产业链的核心元件，需封装成光收发组件，并进一步加工成光模块才能实现最终功能。全球范围内，从事光芯片研发、生产的厂商中，欧美日领先企业能够覆盖光芯片至光模块全产业链，实现光芯片产业链的垂直一体化；我国光芯片行业参与厂商主要包括晶圆片企业、专业光芯片企业及大型模块厂商。除发行人外，行业内主要企业的具体情况如下：

（一）境外企业

（1）住友电工（5802.T）

住友电气工业株式会社成立于 1897 年，总部位于日本大阪，是一家电子零件制造商，经营范围涵盖汽车、信息通信、电子、环境能源、产业原材料相关行业等。光通信产品包括用于光收发器的半导体激光、光电二极管以及实现主干系统相干光通信设备的可变波长激光、光接收器等各种发光受光器件产品群，支撑光通信系统的基础。

（2）三菱电机（MEL.L）

三菱电机株式会社成立于 1921 年，总部位于日本东京，产品范围广泛，包含面向个人消费者的显示产品、手机等和面向商业消费者的电子、半导体等。光通信产品涵盖 DFB-LD 半导体激光器、FTTH 用 LD/PD、10G 传送用 CAN 型 EML 器件等。

（3）博通（Broadcom）（AVGO.O）

Avago Technologies Ltd.成立于 1961 年，总部设在美国加州，是全球领先的有线和无线通信半导体公司，聚焦于 III-V 族复合半导体设计和工艺技术。光通信产品涵盖光纤到户、移动宽带接入、数据中心、城域和长途数据通信市场等。2016 年，安华高（Avago）收购博通（Broadcom），并以博通（Broadcom）命名。

（4）贰陆（II-VI）（IIVI.O）

Finisar Corporation 成立于 1988 年，总部设立在美国硅谷，是全球知名的光通讯器件供应商，产品主要用于网络设备制造商、数据中心、电信服务、消费电子和汽车领域。2019 年菲尼萨（Finisar）被贰陆（II-VI）收购。

（5）朗美通（Lumentum）（LITE.O）

Oclaro, InC. 成立于 2009 年，由两大光通讯元器件供应商 Bookham 和 Avanex 合并而成，总部位于美国加州，主要为全球光通信市场设计、制造和销售光学组件、模块和子系统。2018 年奥兰若（Oclaro）被朗美通（Lumentum）收购。

（6）马科姆（MACOM）（MTSI.O）

Macom Technology Solutions Holdings, Inc.成立于 2009 年，总部设在美国马萨诸塞州，拥有包括硅（Si）、砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）的制造、加工和测试经验，产品主要应用于电信、工业和国防及数据中心领域。

（7）全新光电（2455.TW）

全新光电科技股份有限公司成立于 1996 年， 位于中国台湾， 主要以MOCVD 外延成长法为核心技术的 III-V 族化合物半导体专业晶圆片厂。

（8）联亚光电（3081.TW）

联亚光电工业股份有限公司成立于 1997 年，位于中国台湾，主要从事生产以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为衬底的 III-V 族材料化合物之晶圆片。

（二）国内公司

（1）云岭光电

武汉云岭光电有限公司成立于 2018 年，位于武汉市，主要产品为光通信用激光器和探测器芯片，包括 2.5G/10G/25G 全系列光通信芯片及封装类产品。

（2）武汉敏芯

武汉敏芯半导体股份有限公司成立于 2017 年，位于武汉市，主营业务为半导体光电芯片研发、制造和销售，主要产品包括 2.5G/10G/25G 全系列激光器和探测器光芯片及封装类产品。

（3）中科光芯

福建中科光芯光电科技有限公司成立于 2011 年，位于泉州市，主要产品包括外延片、芯片、TO 器件、蝶形器件、PON 器件、光模块等。

（4）光安伦

武汉光安伦光电技术有限公司成立于 2015 年，位于武汉市，从事光电产品、机电产品、通信设备、半导体芯片以及半导体元器件的生产、研发、销售以及技术咨询等。

（5）仕佳光子（688313.SH）

河南仕佳光子科技股份有限公司成立于 2010 年，位于鹤壁市，主营业务覆盖光芯片及器件、室内光缆、线缆材料三大板块，主要产品包括 PLC 分路器芯片系列产品、AWG 芯片系列产品、DFB 激光器芯片系列产品、光纤连接器、室内光缆、线缆材料等。仕佳光子于 2020 年 8 月在上海证券交易所科创板上市。

（6）长光华芯（688048.SH）

苏州长光华芯光电技术股份有限公司成立于 2012 年，位于苏州市，主营业务为半导体激光芯片的研发、设计及制造，主要产品包括高功率单管系列产品、高功率巴条系列产品、高效率 VCSEL 系列产品及光通信芯片系列产品等。长光华芯于 2022 年 4 月在上海证券交易所科创板上市。

（7）海信宽带

青岛海信宽带多媒体技术有限公司成立于 2003 年，位于青岛市，是海信集团旗下专业从事高性能光通信产品和家庭多媒体产品研发、生产、销售及服务的公司，主要产品包括应用于接入网、数据中心、传输网、无线网等领域的光模块或设备，具备一定的光芯片制造能力，已开发包括 25G DFB、25G FP、 56G EML 等高端激光器芯片产品，光芯片产品主要为自用，但也有部分对外销售。

（8）光迅科技（002281.SZ）

武汉光迅科技股份有限公司成立于 2001 年，总部位于武汉，主要从事光通信领域内光电子器件的开发及制造，主营产品包括光通信行业的无源芯片及器件、有源芯片及器件、模块以及子系统的研发、生产和销售，实现了 10G 及以下速率光芯片批量供货，25G 光芯片部分规模出货。光迅科技于 2009 年 8 月在深圳证券交易所中小板上市。

（三）技术实力对比

中科大团队构筑“三电极”光电二极管，大幅缩小光通信系统体积

“我们首次提出并实现了基于场效应调制的光电二极管，并展示了其在光通信和光逻辑运算中的巨大潜力。” 中国科学技术大学孙海定教授表示。

图 | 孙海定（来源：孙海定）

近日，他和团队的这篇论文发在 Nature Electronics 的当期封面。

其表示：“目前在 Nature Electronics 发表的所有封面论文中，我们发现中国大陆平均 1 年多、甚至有时 2 年左右才会有 1 篇论文被选为封面论文。”

因此，此次封面论文的发布，让整个课题组倍感荣幸和激励。

图 | 封面图片（来源：Nature Electronics）

研究中，课题组通过单片集成的方法，在氮化镓基紫外发光二极管的 p 型导电层上，造出一个由“金属-氧化物绝缘体-半导体”构成的电容器结构。

通过此，他们构筑了一个具有三个端口的发光二极管，并为其配以新器件的符号。

图 ｜三电极发光和探测二极管的结构示意图和对应的新器件符号（来源：Nature Electronics）

在原有发光二极管上施加偏压的同时，当在第三端口上配置特定的工作电压，这款三端二光电极管就能展示出独特的工作模式和状态，从而能够充当可调谐型光发射器或多功能光电探测器。

图 | 将单片集成三电极二极管用于光通信中（来源：Nature Electronics）

当三电极二极管作为光发射器工作时，由于第三端口实现了集成“偏置器”的功能，即输出光功率可以受到第三电极的偏置电压调控。

因此，当它被接入光通信系统之中时，可以与已连接外部偏置器的常规发光二极管实现相同的功能。

与采用外部偏置器的系统相比，三电极二极管由于能够减小寄生电容，因此具有更高频带带宽，提升幅度达到 60%，在同尺寸器件中达到国际最高水平。

孙海定表示，这种三端二极管的面世，不仅减少了光通信系统对于外部偏置器电路的需求，也实现了体积更小、带宽更宽的光通信系统。

图 | 单片集成三电极二极管用于光控逻辑器件（来源：Nature Electronics）

有趣的是，当三电极二极管切换为光电二极管模式工作时，会受到第三端口施加的电压与入射光的同时控制，从而能够实现可重构的高速光电逻辑门，例如“NAND”和“NOR”等。

而且，在切换不同的逻辑门时，无需对器件本身的结构进行任何改变。

基于通用逻辑门 NOR 和 NAND，可以生成任何逻辑布尔表达式，这时只需利用同种器件就能形成完整的逻辑电路。

研究中，他们不仅实现了性能提升，而且基于单片集成技术将传统光通信系统中的“偏置器”集成于器件第三电极，在实现器件通信带宽性能提升的同时，也大幅缩小了光通信系统的体积和面积。

这有利于进一步地推动下一代高速、体积小、多功能光电集成芯片和系统的发展。

由于这款器件的结构和制作工艺十分简单，因此本次提出的新型场效应调控光电二极管架构，可被广泛用于由各种半导体材料制成的有源光电子集成芯片和器件平台上，推动下一代高速、多功能光电集成芯片的发展。

突破现有电子系统技术瓶颈与极限

据了解，随着人工智能时代的到来和数字化转型的深入发展，人们对于高数据传输速度和高数据计算性能的半导体芯片需求正在不断增长。

在数据高速传输和处理需求的驱动下，集成电路芯片技术呈现出高集成度和多元化的发展态势。

其中，以光子作为信息载体的光电子集成芯片及其相关技术的潜力，正不断被挖掘和开发。

光电子芯片，是由光电子器件和微电子器件等多种基础元件组合而成的新型芯片架构。

它能将电、光等多种形式的信号进行相互转换、传输和处理，有望与传统集成电路器件相互交融和互补，克服摩尔定律带来的器件物理尺寸极限的限制和瓶颈。

其中，作为光电集成芯片中的必需元件，光电二极管已被广泛用于发光单元和探测单元。

然而，现有的光电二极管，均需配置相应的外部驱动电路，只有这样才能实现电信号和光信号之间的转换。

这一架构极大地限制了整个光电系统的信号传输速度和带宽，也不可避免地会增大系统的体积和复杂度，以至于限制了光电技术的集成与发展。

因此，如何打破传统模式，突破现有电子系统技术瓶颈与极限，已经成为光电集成领域的研究焦点。

巴基斯坦留学生几年未回祖国，国内同学临过年才走

多年来，孙海定一直深耕氮化镓材料和器件领域，并努力研究它们在固态照明、显示成像和探测等领域的应用。

同时，他和课题组也非常关注该类技术在新兴光电集成及光通信、光计算等领域的拓展。

而当研究基于紫外微型发光二极管的日盲光通信系统时候，在搭建和测试过程中他们发现光信号发射模块中的偏置器（bias-tee），对于信号的有效传输至关重要。

为了满足系统搭建的需求，该团队尝试了市面上所有型号的偏置器。

但是，庞大的系统搭建起来总是非常麻烦，而且对于整个系统的调制带宽性能来说，它很容易受到偏置器这一模块质量好坏的影响。

有一天，他们坐在一起讨论如何简化和优化日盲光通信系统。

这时，孙海定和学生余华斌、以及来自巴基斯坦的留学生穆罕默德·胡纳因·梅门（Muhammad Hunain Memon）突然脑洞大开：考虑到偏置器本身就是一个“元件或电路模块”，能否通过单片集成技术将偏置器直接集成到发光二极管光源上？

然而，直接在氮化镓晶圆上实现偏置器功能的电容和电感电路似乎并不高明，因为这种方案会让芯片制备工艺变得复杂，而且电容和电感的性能也无法保证，同时也会严重影响光通信质量。

突然，余华斌随口说道：“为什么要那么复杂？为什么不利用半导体器件中经典的场效应来实现信号调制功能呢？”

此时，孙海定脑海中浮现出将发光二极管结构与一个“新功能电极”（即论文中的“第三个电极”）组合起来的架构。

从传统意义上来说，基于金属-氧化物-半导体（MOS，metal-oxide-semiconductor）这一经典结构的场效应晶体管，本身就能通过有效地控制施加在 MOS 上的电压，实现对于晶体管沟道的开启和关断。

于是他们想到：如果将类似结构与发光二极管结合起来，也许能起到相似的调制作用。

只不过这里是对发光二极管的发光特性进行调控，而这将会产生新的调控机制和现象。

随后，他们立即定下器件结构和制备工艺。很快，课题组造出第一个三电极二极管样品，并验证了样品中第三个电极的调控效果。

尽管这一过程仅仅耗时一个月，然而他们也面临着诸多疑问：这个场效应真的存在吗？调制效果是否是由第三电极漏电导致的？这种调制效果的机理是什么？这个结构真的有应用前景吗？

在本次项目的三年间，他们反复质问自己，并通过实验和测试去回答这些问题。

图 | 本项工作的核心成员 Hunain、余华斌、罗远旻同学（来源：孙海定）

期间，Muhammad Hunain Memon 同学为了测试，没能回过自己的祖国巴基斯坦，余华斌同学总是最后一个过年回家，而在过年期间余华斌则把测试接力棒交给 Muhammad Hunain Memon。

最终，他们研制了多达十几轮的器件工艺，在各种波段的发光二极管结构基础上，不断进行基于第三电极的设计和尝试。

经过大量实验和反复确认，证明第三个电极确实对于发光二极管具有调制效应。

并发现这种具备第三电极的二极管结构，能够利用场效应来调控光生电流。当将其用于光电逻辑门电路之时，还有望为实现光计算提供更好的原型基础逻辑单元。

孙海定补充称：“实验中，我的导师刘胜院士针对一些关键技术细节包括器件电极如何构造、材料生长过程、以及器件的单片集成封装等予以指导，并引导我们进行产业化布局包括专利申请等。”

图 | 刘胜院士（左）指导孙海定（来源：孙海定）

最终，相关论文以《三端发光及检测二极管》（A three-terminal light emitting and detecting diode）为题发在 Nature Electronics[1]。

Muhammad Hunain Memon 和余华斌是共同一作，武汉大学刘胜院士和中国科学技术大学孙海定教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

另据悉，孙海定将自己的实验室起名为“iGaN Laboratory”，也和课题组的初衷和使命紧密相关。

GaN 是氮化镓的化学方程式，孙海定个人认为氮化镓是除了硅以外最完美的半导体材料之一。

而“i”代表的是 imagination 想象力，innovation 创新力，importance 重要性。“这就是我们的 iGaN。YES，We CAN！”孙海定表示。

图 | iGaN 团队，Play Hard，Work Hard！（来源：孙海定）

另据悉，光电芯片及集成作为传统电子集成系统的补充，是孙海定实验室一直以来的深耕方向。

他认为氮化镓是宽禁带半导体领域的“硅材料”，它具备很多硅所不具备的特性比如发光性能，而且可以发从紫外到红外的光。

所以，无论是在光电子领域、还是在传统功率电子领域，氮化镓均能发挥强大的能量。

在光电子领域，氮化镓基蓝光发光二极管的发明改变了人类的照明习惯（替换了传统白炽灯），相关科学家也获得了 2013 年的诺贝尔物理学奖。

但这只是氮化镓光电子产业“发光发热”的开始，未来氮化镓及其相关器件的前景十分明媚。

目前，课题组与氮化镓光电子国内的领军企业也已经展开了相关合作，本次课题也获得了国家级项目的支持（包括国家重点研发计划和国家基金委项目等）。

眼下，他们正在跟业界开展沟通和合作，希望尽快将本次器件和技术加以产业化。

孙海定表示：“我们也希望这项研究能推动下一代高速和多功能光电集成芯片的发展，为光电子、光通讯和光计算等领域带来新的技术解决方案。”

参考资料：

1.Memon, M.H., Yu, H., Luo, Y. et al. A three-terminal light emitting and detecting diode. Nat Electron 7, 279–287 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01142-y

运营/排版：何晨龙

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