解读中国光电子器件产业技术发展路线图丨光通信器件篇

光通信器件篇包括以下内容：

第一部分：产业现状、存在问题与挑战、

第二部分：发展思路、结构调整目标、技术创新目标

第三部分：政策意见

第一部分：产业发展现状

1.产业现状

根据咨询机构Ovum数据，2015—2021年，全球光通信器件市场规模总体呈增长趋势。预计2020年收入规模将达到166亿美元。其中，电信市场和数据通信市场对光通信器件的需求保持稳定的增长，而接入网市场需求趋稳。与设备、光纤光缆市场相比，光通信器件领域还处在充分竞争时代，由于很多光通信器件企业都是在某一细分领域精耕细作，造成了厂商众多、集中度低的市场格局，市场份额也相对分散。

从产品技术看，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。国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端细分市场占有率较高，但在高端有源器件、光模块方面的提升空间还很大。此外，数据中心市场拓展成为众多光器件厂商的共同选择。

从盈利能力看，光通信器件行业本身在整个产业链中的盈利能力是最低的，再加上国内企业集中在中低端产品，盈利水平更是不乐观。这使得国内大部分厂家无法投入更多资金用于高端产品的技术研发，难以实现健康可持续发展。

我国光通信器件市场规模在近几年与全球保持相同的增长趋势，中国光通信器件市场约占全球25%～30%左右的市场份额。然而，尽管我国拥有全球最大的光通信市场、优质的系统设备商，但是我国光通信器件行业在全球所占份额与现有资源并不相匹配。

我国光通信器件厂商以民营中小企业为主，大多没有其他业务支撑，规模普遍较小，企业群体不够强壮，在自主技术研发和投入实力方面相对较弱，主要集中在中低端产品的研发、制造上，核心基础光通信器件研发生产能力薄弱。

从市场占比分析，中国企业实力偏弱，全球光通信器件市场占有率前十名企业中仅有一家中国企业。

根据咨询机构以及行业供给情况给出的光收发模块、光芯片、电芯片国产化率测算数据，10Gb/s速率的光芯片国产化率接近50%，25Gb/s及以上速率的国产化率远远低于10Gb/s速率的产品，国内供应商除了可以提供少量的25Gb/sPIN器件和APD器件外，25Gb/sDFB激光器芯片则刚刚完成研发。25Gb/s速率模块使用电芯片基本依赖进口。

从产品技术分析，当前全球光通信行业的高端器件产品几乎全部由美日厂商主导，且出现供不应求的局面，而国内基本属于空白，或处于研发阶段。

从核心芯片能力分析，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，整体水平与国际标杆企业还有较大差距，尤其是高端芯片能力比美日发达国家落后1～2代以上。而且，我国光电子芯片流片加工严重依赖美国、新加坡、加拿大、德国、荷兰等国家和我国台湾地区，使得关键技术大量流失。由于缺乏完整、稳定的光电子芯片、器件加工工艺平台以及工艺人才队伍，国内还难以形成完备的标准化光通信器件研发体系，导致芯片研发周期长、效率低。

2.存在问题与挑战

国内光通信器件供应商以中低端产品为主，同质化竞争严重，产业环境有待改善。通过近些年发展，国内厂家在封装技术上取得长足进步，但是国内光器件厂家多集中在技术成熟、进入门槛不高的中低端产品，以组装代工为主，产品附加值不高，同质化严重。即使目前国内厂家能够在中低端产品市场占据主导地位，产能满足国内市场需求并达到出口，但是低价薄利使大部分厂家更加注重企业的短期盈利，无法投入更多资金用于研发周期长、回报慢的高端产品技术研发。

高端芯片器件自给能力有限，已成为中国系统设备厂商的瓶颈，国内核心技术能力亟待突破。目前高端光通信芯片基本被国外厂商垄断，国外大厂占据了国内高端光芯片、电芯片领域市场的90%以上份额。以近年来网络中大规模进行部署的高端100G光通信系统为例，其中的可调窄线宽激光器、相干光发射/接收芯片、电跨阻放大芯片、高速模数/数模转化芯片、DSP芯片均依赖进口。光通信器件的核心是芯片，但芯片一直是整个中国制造的短板。目前，国内只有少数供应商涉足10Gb/s及以下速率的产品，25Gb/s产品还处在送样阶段。在高速模数/数模转化芯片、相关通信DSP芯片以及5G移动通信前传光模块需要的50Gb/s PAM-4芯片上，还没有国内厂家能够提供解决方案。

产业链加速整合，国内厂商垂直整合能力较弱。光通信属于全球化竞争异常激烈的产业，光纤光缆和系统设备两个领域已进入寡头竞争阶段，光通信器件领域则还处在完全竞争时代，市场份额分散。巨大的成本压力以及充满挑战的市场环境使光通信器件行业的厂商加速重组整合，国外厂商通过收购与兼并等方式不断进行产业链拓展，成功地完成技术与业务转型，使其产品覆盖光器件、光模块领域的几乎所有环节，把握产业链条的每一个环节，牢牢占据产业链的高端。尽管近年来国內大型光模块企业也有不少并购动作，但更多的中小规模厂商仍然欠缺资本运营能力与人才引进力度，导致创新能力不足，在产品系列的完备和高端产品的开发能力等方面尤为欠缺。

标准、专利等软实力建设意识、能力不足，亟待提升原创能力与国际话语权。在光通信器件与模块的国际标准制定中，一直以来很少见到中国企业的身影。近两年国内企业也逐步意识到参与国际标准制定的重要性，逐渐能够在最新标准中见到国内企业的参与，这是一个很好的开端。但从参与者到制定者，还有很长的路要走。

光通信器件产业依赖的配套行业基础薄弱，需要国家支持。光通信器件产业发展严重依赖于先进测试仪表、制造装备等基础性行业能力。国内仪表装备厂商基本从事低端设备的开发，精度高、自动化程度高的设备大都严重依赖进口，光通信器件企业固定资产投资负担重。而且产业安全也存在问题。

第二部分：发展思路及目标

1.发展思路

改善企业生存环境，营造良性产业生态。目前，光通信器件产业在整个通信产业链中处于相对弱势地位，产业生态环境欠佳，影响企业自身造血能力，不利于前沿技术研究，不利于产业可持续发展。需要继续加强信息基础设施建设投入，并统筹产业布局，优化产品结构。

攻关高端芯片/器件，保障供应链安全。目前，高端光芯片、模块、器件严重依赖进口，发展受到制约。国内的产学研没有形成面对产业需求的创新合力，高校和研究所偏离产业的现实需求。应健全以企业为主体、市场为导向、政产学研用相结合的产业技术创新体系，着力突破重点领域共性关键技术，加速科技成果转化为现实生产力。

加强国际市场，推动产业向国际化发展。目前，光通信器件产业对国内市场的依赖较大，国际化空间有待拓展，而且面临贸易、安全、专利等多重挑战。需借助国家 “一带一路”倡议，积极培育亚洲、非洲的光通信市场，促使其加强网络建设投入，并且通过国外建厂实现国际化生产，通过国外建设研究中心实现国际化研发。

重视发展趋势，着眼长远发展，超前规划布局。遵循科技创新与市场发展规律，着眼长远发展，超前规划布局。重视基础研究，通过原创性、基础性、先导性技术的突破，加大投资保障力度。

2.结构调整目标

进行产业结构调整布局，加强对创新技术与产品的优化与引导，并适当引入国际化运营经验，增强行业的综合实力。

产品由低端走向高端——以市场为导向，优化产品结构。我国光通信器件企业在接入网领域无论是产业规模还是技术均处于世界领先地位，但是接入网产品属于中低端产品。在传输和数据通信领域，我国企业的产品技术水平仍处于较落后状态。依据未来市场发展趋势，我国光通信器件企业应重点加强100Gb/s光收发模块、ROADM产品、高端光纤连接器、10Gb/s与25Gb/s激光器、配套集成电路芯片的研发投入与市场突破，并争取尽快扩大产业规模、早日摆脱对国外供应商的依赖。并且在下一代400Gb/s光收发模块产品、硅光集成领域加大投入、加快研发进度，争取跟国际一流厂商处于并跑状态。

技术由组装走向核心芯片——补齐上游短板，夯实产业基础。光收发模块的核心技术在于光电子芯片。我国大多数光通信器件和模块企业依靠中国较为低廉的人工成本和进入门槛较低的封装技术在市场上生存。随着中国人工费用的上升和国外智能制造技术的发展，若使国内光器件企业拥有长远发展能力，必须建立自己的光电子芯片研发和制造能力，包括激光器芯片、光探测器芯片、集成电路芯片、光子集成芯片。光电子芯片产业是整个信息产业的核心部件与基石，芯片行业进入壁垒高、投入大、研发周期长，难度大，尤其是芯片的材料生长、芯片设计、芯片工艺经验积累，迫切需要国家整合国内的产学研融资源，解决行业共性技术、关键技术瓶颈，确保在2022年中低端光电子芯片的国产化率超过60%，高端光电子芯片的国产化率突破20%。

市场从国内走向国际——发挥产业链下游优势，拓展新兴市场。充分利用低成本和集成能力，发挥我国在产业链下游系统设备、运营商环节已有的优势，积极向新兴市场拓展，持续扩大产业规模。积极培育亚洲、非洲的光通信市场，在“一带一路”倡议中更重视信息基础设施建设，促使其加强网络建设投入，带动光通信器件市场需求。与政府形成合力，冲破西方在贸易、安全、知识产权等多方面所设置的针对中国的竞争壁垒，促进国产系统设备进入发达国家市场。

培育龙头领军企业和新兴中小企业——壮大薄弱环节产业群体。培育龙头领军企业，在核心技术开发、标准制定等多方面带动产业做大做强。培育具有原创核心技术和自主知识产权的新兴中小企业。在政策、资金等资源上予以倾斜，强调比较优势和差异化竞争。强化全球资源整合能力，支持企业在供应链、战略方向与资源布局上合作，有效利用全球各地区的资源。争取2020年有2到3家企业进入全球光通信器件前十强，并且在核心技术能力上接近、部分领域超过行业标杆企业。2022年国内企业占据全球光通信器件市场份额的30%以上，有1家企业进入全球前3名。

推动上下游产业链互联互通——规范产业环境，构建产业生态。传统封闭的产业生态体系限制了创新，融合变革形势下，竞争日益需要综合性资源与能力，构建开放的产业生态系统。我国光通信器件产业更应加强上下游联动，一方面，推动国内系统设备厂家优先选用国产光器件，充分发挥国内市场、优质设备商的带动作用;另一方面，产业链上下游可以共同开展技术研发，建立测试平台，共同培育应用生态，参与国际标准制定，从而共同提升主导能力。

3.技术创新目标

搭建产业技术协作与创新平台，构建长效的创新发展机制。加快信息光电子国家制造业创新中心建设，发挥行业骨干企业主导作用，有效整合国内外各类创新资源，建立联合开发、优势互补、成果共享、风险共担的协同创新机制;开展产业前沿技术研究与共性关键技术研发，突破产业链关键技术与共性技术供给瓶颈;促进科技成果商业化应用，打造多层次人才队伍;支撑新一代信息技术产业发展，带动相关产业转型升级。

加强核心有源激光器、硅基光电子芯片及上游关键材料等设计、制造工艺平台建设与工艺人才培养。我国的半导体激光器产业化水平是光通信产业链中最薄弱的环节，高端激光器芯片(主要指25Gb/s以上)几乎全部依赖进口。25Gb/s激光器芯片、硅基100Gb/s和200Gb/s相关光收发芯片、WSS芯片以及配套的半导体集成电路研发所需要的，可工程化的Ⅲ-Ⅴ族材料工艺、硅基光电子工艺平台能力，是制约国内企业与研究机构在核心芯片上快速创新的瓶颈，也是制约国产芯片大规模应用的主要瓶颈。需要通过搭建共性技术研发平台、加大人才的储备、引进海外高端人才等方式加快补齐短板。

突破高密高速等集成封装与测试工艺，实现高端产品产业化。围绕宽带中国、中国制造2025以及5G移动通信项目，重点攻关高密、高速、可调等高端光电子器件产品的封装工艺技术，解决异质材料光波导间的阵列耦合设计与工艺技术、异质材料间的高速电信号匹配与高速封装工艺技术、Ⅲ-V族器件与硅基器件的高性能集成、光波导间低损耗、低回损耦合技术等封装技术问题。以优势企业为主体，尽快推出光传输网络用的100Gb/s和200Gb/s相干光收发模块和ROADM产品，数据中心用200Gb/s和400Gb/s光收发模块，以及5G移动通信用的工温25Gb/s光收发模块等，并形成规模化量产，支持国家重大工程的实施。

完善技术标准、知识产权体系建设。建立完善的光通信系统及光通信器件标准体系，鼓励科研院所、企业积极参与提交国际和国内技术标准标准草案，深入参与国际标准化工作、加强行业协会的团体标准建设，推动自主知识产权成果转化为国际标准。加强光通信器件专利申报，确保专利申报数量与美日差距缩小，提升专利质量，建立国内专利池，在国际竞争中形成合力。

第三部分：政策建议

1.国家加大对光电子芯片共性关键技术的研发资金支持，迅速提高核心器件国产化率，培育具有国际竞争力大企业

制定并出台具体的支持政策，并加大中央财政投入力度;设立国家信息光电子产业创新中心与发展基金，扶持我国光通信器件领域的若干示范企业，推进拥有核心技术的初创企业产业化，促进企业尽快完成转型升级。

争取光电子企业享有与集成电路企业相同的产业政策、税收政策和人才政策。

推进企业整合，优化企业结构，提高企业集中度，形成3到5家符合国家战略的、重大技术工艺发展方向的行业龙头企业，以适应长期发展新形势和国际市场竞争的需要。推进政、银、企大力协同，调动、引导、挖掘相关资源，广泛建立银企金融合作的项目开发平台。

2.优化光电子产业生态，加强国际合作，迅速提升集成光通信器件能力

整合产业中分散化的研发力量，完善创新体系与产业生态环境。重点建立光电子芯片公益性加工平台，为高端光电子芯片研发和生产提供技术支撑和服务。建立光通信器件设计和制备技术标准化体系，增强产业群体国际话语权。

鼓励企业扩大国际合作，整合并购国际资源，设立海外研发中心，积极拓展国际市场。优化环境，大力吸引国外资金、技术和人才，承接国际高端产业转移，吸引外资企业在国内建设研发中心、生产中心和运营中心。鼓励在华研究机构加大研究投入力度和引进高端研发项目，推动外资研发机构和本地机构的合作。充分利用欧美国家在光子集成芯片等高端光通信器件方面的技术优势，实现我国光通信器件跨越发展。

3.加强产学研合作，构建长效的战略创新、产业发展与人才培养机制

充分发挥企业在市场需求引领、提炼技术问题、产业化推广、组织效率等方面的优势;充分发挥高校和研究所在前期科研积累、人才聚集、前沿探索等方面的优势，整体团队做到优势互补。力争探索出一条产学研协同创新的典范之路，不仅产生高水平的学术成果，同时也让成果落地、形成生产力，改变过去科研成果转化不力的局面。

完善科技创新激励机制，提高专业技术人才自主创新和参与科研成果产业化的积极性和主动性。建立和完善产学研合作的人才培养模式。提高企业教育和培训经费提取比例，完善继续教育和在制培训机制，优化教育学科配置，完善产业后备人才队伍建设。

研发10GHz雷达，实现亚厘米级分辨率，用于室内探测及医学监护

雨雪、雾霾等恶劣天气下，雷达可利用射频信号实现对目标探测、感知和成像，不仅可以避免环境感知和医疗探测等场景中的隐私泄露，还能够通过高空间分辨率准确分辨目标的尺寸和特征，因此在军事和民用等方面都有着十分广泛的应用。

近年来新兴的光学辅助雷达（Photonics-assisted Radars）更是通过光子技术和光学器件，极大地提升了空间分辨率、处理速度及系统灵活性，或将突破传统电子微波雷达的部分技术瓶颈。

然而，面对日益提高的距离分辨率（Range Resolution）需求，光学辅助雷达在电子器件速率上存在一定的瓶颈。要想实现厘米级别的分辨率，往往需依靠昂贵的高速宽带电学信号发生器或复杂的快速频率线性可调激光器，这些因素不利于光学辅助雷达，尤其是可移动手持及无人机载雷达等，从实验室走向广泛实际工业应用。

近日，来自澳大利亚悉尼大学物理系的校友刘阳博士、张紫千与柏林工业大学高频光子研究所毛里齐奥·伯拉（Maurizio Burla）教授（原就职于 ETH Zurich, SNSF Ambizione Fellow）合作，运用低速电子信号器件驱动信号带宽在 11GHz 以上的雷达系统，并使其达到了厘米乃至亚厘米级的距离探测和成像分辨率。

相关论文以《基于 MHz 电信号驱动的 11GHz 带宽光子辅助雷达》（11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics）为题发表在 Laser & Photonics Reviews上。

图 | 相关论文（来源：Laser & Photonics Reviews）

据了解，该团队主要采用声-光频移调制的方法，在一个光纤环路里面完成高速的、高时-频线性度的且连续的步进频率调制，最终只用 80MHz 电学信号就驱动该雷达系统实现 10GHz 以上的信号带宽。

这种雷达系统既消除了对高速、昂贵电学信号产生设备的依赖，又极大降低了硬件复杂度和成本，有望促进光学辅助雷达在室内探测和医学监护等应用场景中的发展。

该团队介绍道，“研究中用到的步进频率调制环路是一个结构简单的经典光学结构，被广泛用于光信号调制和产生等场景中，其部分关键结构的光子芯片集成化最近有了一些报道，例如片上声光调制器、低损耗光时延波导和波导光放大器等。”由此可知，该雷达系统也具有相应的集成化潜力。

图 | 基于声光步进频率调制的超宽带光子辅助雷达（来源：Laser & Photonics Reviews）

当前，研究人员最近已在该雷达系统的样机中实现超过 30GHz 带宽的微波雷达信号，相当于大约 5 毫米的雷达距离分辨率。距离分辨率是指雷达能够区分两个物体间的最小距离，提高雷达的信号带宽可以直接扩大其距离分辨率，从而在探测和成像时获得更加“清晰”的雷达图像。

通过产生的大宽带微波信号，该雷达可以区分两个平面反射体之间厘米级别甚者毫米级别的直线距离，可应用于需求日益增长的无人机监控和感知等高空间分辨率应用场景中。

此外，相比于传统线性调频雷达的长距离探测能力，该雷达更适合作为一种近距离和中距离的高分辨率和高效目标探测和感知手段。

据悉，研究人员自 2019 年年初起开始研究简单的电子微波雷达系统，随后逐步加入光学器件和技术以提高系统功能的复杂度和系统性能。2019 年底，他们完成了样机研制，并于 2020 年初证明了其在无人机探测成像等场景中的应用潜力。

此次，该团队尝试在这些工作的基础上将非线性声光效应与微波光子系统结合起来，不仅解决一些现有光学辅助雷达技术中存在的问题，而且为未来微波光子雷达系统提供了一种新的补充性技术方案。

研究人员称，最初他们并没有特定的项目支撑和要求，而是把该研究当作一个课余兴趣探索课题。过程中，他们从简单的射频天线到复杂的雷达系统，逐步实现了微波光子雷达系统的构建、控制和目标探测。

目前，该团队把工作集中于第二代小型化样机的研制、新型应用探索及公司孵化。他们表示，这种雷达系统在非接触式测量与多目标追踪医学场景下的应用比较有前景，其可以基于微波信号避免传统佩戴设备所带来的不舒适感，并完全消除医护人员与患者之间的接触，减轻可传播疾病感染的风险，还能够在克服一人一机局限性的同时避免隐私问题。

下一步，该团队将专注于该雷达的小型化研究，并尝试实现部分核心光子器件和功能的芯片集成化。

图 | 刘阳（左）和张紫千（右）（来源：刘阳、张紫千）

据了解，刘阳本科毕业于华中科技大学光电子科学与工程学院。2015 年，他从华中科技大学武汉光电研究中心获得硕士学位，之后在悉尼大学物理系攻读博士，并于 2020 年 12 月得到欧盟“玛丽·居里学者”项目资助，加入瑞士洛桑联邦理工学院物理系 LPQM 团队从事博士后研究工作。

张紫千（共同第一作者）本科期间是在哈尔滨工程大学度过，毕业后去往悉尼大学获得研究型工学硕士学位。2020 年，他继续在悉尼大学攻读物理学博士学位。

值得一提的是，这两位青年学者在博士期间跟随同一位导师本杰明·J·艾格尔顿（Benjamin J. Eggleton）教授（澳大利亚科学院院士，技术科学与工程院院士），未来也都有回国发展的计划。

-End-

参考：1.Yang Liu*,†, Ziqian Zhang*, Maurizio Burla and Benjamin J. Eggleton. 11-GHz-Bandwidth Photonic Radar using MHz Electronics. Laser & Photonics Reviews (2022) https://doi.org/10.1002/lpor.202100549

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