10G以太网光口与Aurora接口回环实验

10G以太网光口与高速串行接口的使用越来越普遍，本文拟通过一个简单的回环实验，来说明在常见的接口调试中需要注意的事项。各种Xilinx FPGA接口学习的秘诀：Example Design。欢迎探讨。

一、实验目的

为实现大容量交换机与高速率通信设备之间的高效数据传输，高速接口的理解与使用愈发显现出其重要地位。本实验设计中计划使用四个GTH高速串行接口，分别采用了10G以太网接口协议以及Aurora64b66b接口协议，实现交换板到测试设备的连接并通过光纤实现高速数据片外回环，以达到快速理解接口协议并能够熟练使用该两种高速接口实现数据收发的目的。

二、接口简介

1、 GT接口简介

应用在高速串行接口的数据收发。在A7系列芯片中叫GTP、在K7系列叫GTX、V7系列叫GTH，对于不同速度等级的高速通信的物理接口，原理基本一致。

1.1、收发器结构

对于每一个串行高速收发器，其分为两个子层：PCS（物理编码子层）和 PMA（物理媒体连接子层）。PCS 层主要进行数据编解码以及多通道的处理；PMA 层主要进行串并、并串转换，预加重、去加重，串行数据的发送、数据时钟的提取。可以使用ibert IP核对接口进行回环测试，确定该接口是否可以正常使用。

图1 GTX/GTH收发器结构框图

GT接口发送端处理流程：首先用户逻辑数据经过8b/10b编码后，进入一个发送缓存区，该缓冲区主要是PMA子层和PCS子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速Serdes进行并串转换。接收端和发送端过程相反，具体实现可参考ug476_7Series_Transceivers进行学习。

1.2、GT时钟使用说明

7系列FPGA通常按照bank来分，对于GTX/GTH的bank，一般称为一个Quad，原因是Xilinx的7系列FPGA随着集成度的提高，其高速串行收发器不再独占一个单独的参考时钟，而是以Quad来对串行高速收发器进行分组，四个串行高速收发器和一个COMMON（QPLL）组成一个Quad，每一个串行高速收发器称为一个Channel，其内部结构如图2所示。

图2 GTX收发器在硬件上的配置

从底层角度看，由于CPLL是每个Channel独有的，所以CPLL的所有接口都在Channel这个底层模块中。而QPLL是另外使用了一个叫common的底层模块。GTX中QPLL和CPLL，除了数目（每个Quad有一个QPLL四个CPLL）和归属(QPLL属于common，CPLL属于Channel)不同之外，最大的不同在于支持的最高线速率频率不同。CPLL最高只有6.xG，而QPLL可以超过10G（具体数值要根据器件的速度等级来查询DataSheet）。

对于7系列的GTX来说，每个Quad有两个外部差分参考时钟源，每个外部参考时钟的输入必须经过IBUFDS_GTE2原语之后才能使用。7系列FPGA支持使用南北相邻Quad的参考时钟作为当前Quad的参考时钟，但是一个Quad的参考时钟源不能驱动超过3个Quad上的收发器（只能驱动当前Quad和南北方相邻两个Quad）。对于一个GTX Channel来说，可以独立选择该收发器的参考时钟，可以选择QPLL，也可以选择CPLL，需要注意的是，每一个Quad上只有一个QPLL资源，重复例化会导致布线报错。

1.3、GT的主从概念

在我们使用GT 接口IP核时（Aurora和10GEthernet也适用），常提到的主核与从核的说法并不准确，这实际上只是我们在配置IP核时的一个共享逻辑的选项，如图3所示：

图3 GT接口 IP核配置选项

该说明中很清楚的表明，两个选项分别表示了收发器的QPLL、时钟和复位逻辑等是包含在内核本身还是示例设计（example design）中，为简单起见，我们常把共享逻辑包含在内核本身的IP称为主核，内核中不包含共享逻辑的IP称为从核，其结构如下图4和图5所示。从核与主核的区别是：我们可以在Example Design中修改共享逻辑。在实际的设计中，可以使用主核也可以使用从核，但要注意的是，若设计中使用了一个主核后，则其内部便使用了该Quad上的QPLL资源，在使用该Quad上的其他GTX接口时，不能再使用主核，也无需再给从核添加共享逻辑。

图4 共享逻辑在内核里

图5 共享逻辑在Example Design里

2、 Aurora接口简介

2.1、 概述

Aurora 协议是由Xilinx公司提供的一个开放、免费的链路层协议，可以用来进行点到点的串行数据传输，具有实现高性能数据传输系统的高效率和简单易用的特点。本设计中使用的Aurora 64b66b协议是一个可扩展的、轻量级的链路层协议，可以用于单路或者多路串行数据通信，单路可以实现总线位宽为64bit的数据与串行差分数据信号之间的转换。

2.2、 信号的连接

上一节有提到对于高速串行收发器，每一个Quad里仅可以使用一个QPLL（GTE2_COMMON），在我们生成一个Aurora从核并打开其example design后，这部分共享逻辑就包含在其gt_common_support模块中，该模块会产生gt_qpllclk_quad2_out、gt_qpllrefclk_quad2_out等信号供IP核使用，当我们生成一个Aurora主核时，该部分逻辑则包含在IP核内部，QPLL会作为输出信号从IP核输出。而当设计中需要2个及以上的GTX接口时，则需要将这一共享逻辑产生的信号输出给所有需要使用的IP核。以主核+从核为例，下图说明了其部分信号的连接方式：

图6 Aurora64b66b主核与从核之间的连接关系

当使用两个从核时，上图连线的这些信号均在example design的共享逻辑中产生，需要人为将其输入到每一个接口IP中。

2.3、 时序逻辑

2.3.1、 链路建立

Aurora通道链路初始化完毕后会置位lane_up信号，表明接口可以接收数据；channel_up拉高时标志接口可以发送数据。一般判断这两个信号均置位时认为接口已完成初始化，可以开始进行数据传输。

2.3.2、 数据传输

Aurora接口内的数据传输格式如下图所示：

图7 发送端数据流格式

图7中，s_axi_tx_tready信号拉高时表示已准备好传输数据，该信号由链路内部的时钟补偿机制决定，不受人为控制，仅当s_axi_tx_tvalid和s_axi_tx_tready两个信号均被置为1时，才表明该时钟周期内总线数据被成功传输。

图8 接收端数据流格式

图8中，m_axi_rx_tvalid表示当前总线上的数据有效。

2.4、 接口硬件实现

SERDES是SERializer（串行器）/DESerializer（解串器）。它是一种主流的时分多路复用（TDM）、点对点（P2P）的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经传输媒介（连接器、铜线或光纤），最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，提升信号的传输速度，从而大大降低通信成本。

使用SERDES的好处除了可以最大程度上节省传输线的数量，还可以兼容板间传输和光纤传输。无论是通过何种方式连接，都需要使用XILINX的GTP/GTX高速串行传输接口。该接口的物理实现方式,是SERDERS，物理层的编码方式可以选择Aurora 8B10B或Aurora 64B66B，而应用层可以选择不同的协议，也可以不使用。

3、 10G以太网接口

可参考本公众号之前文章：10G 以太网接口的FPGA实现，你需要的都在这里了。

3.1、 概述

10G 以太网包括10GBASE-X、10GBASE-R 和 10GBASE-W。10GBASE-X 使用一种特紧凑包装，每一对发送器/接收器在 3.125Gbit/s 速度（数据流速度为 2.5Gbit/s）下工作。10GBASE-R 是一种使用 64B/66B 编码（不再使用千兆以太网中所用的 8B/10B）的串行接口，数据流为 10.000Gbit/s。10GBASE-W 是广域网接口，与 SONET OC-192 兼容，数据流为 9.585Gbit/s。本设计中使用的是Xilinx官方开源IP核10G Ethernet subsystem中10GBASE-R模式以太网光接口。

3.2、 时钟关系

对于FPGA内部的时钟布局主要分为以下4部分：

（a）输入的差分参考时钟经过一个参考钟专用缓存（IBUFDS_GTE2）变为单端时钟refclk，然后将refclk分为两路，一路接到QPLL（QuadraturephasePhase Locking Loop），另一路时钟经过一个BUFG后转变为全局时钟coreclk，继续将coreclk分为两路，一路作为10G MAC核XGMII接口的收发时钟（xgmii_rx_clk和xgmii_tx_clk），另一路用于驱动10G Ethernet PCS/PMA IP核内部用户侧的逻辑。

（b）对于QPLL输出的两路时钟qplloutclk和qplloutrefclk，主要是用于IP核内GTH收发器使用的高性能时钟，其中qplloutclk直接用于驱动GTH内发送端的串行信号，其频率为5.15625GHz。qplloutrefclk用于驱动GTH内部部分逻辑模块，频率为156.25MHz。

（c） txoutclk是由10G Ethernet PCS/PMA IP产生的一个322.26MHz的时钟，该时钟经过BUFG后分为两路，其中txusrclk用于驱动IP核内GTH的32bits总线数据，txusrclk2用于驱动IP核内PCS层部分模块。

（d）在实验室自研交换板（芯片型号xc7vx690tffg1761-2）上，25MHz的晶振产生系统时钟输入到FPGA内的PLL（Phase LockingLoop）模块，PLL模块以25MHz时钟为驱动时钟生成156.25MHz用户钟发送给10G MAC核用户侧。

3.3、 IP核配置

Vivado中10G以太网 IP核的配置界面如下图，该 IP 核符合 IEEE802.3-2008标准，包含 MDIO（PHY 管理接口），FCS 处理机制可配置，流量控制等功能。MAC 与 PHY 的接口使用标准 XGMII 接口，其收发数据位宽均为64bit，频率为 156.25MHz。MAC 核与用户的接口为 AXI4_STREAM，其数据位宽为64bits，工作频率也为156.25MHz。在shared logic选项卡中选择了将共享逻辑包含在example design中，也即从核模式。

图9 IP核配置界面

共享逻辑包含一个差分输入时钟缓冲器，该缓冲器连接到GT_COMMON块，该Quad上最多可以有四个10G以太网子系统内核共享此逻辑。

使用时钟缓冲器（BUFG_GT）从收发器差分参考时钟创建coreclk / coreclk_out。coreclk / coreclk_out的频率与差分时钟源的频率相同。共享逻辑中的最终BUFG_GT来自GT_CHANNEL的TXOUTCLK，然后又连接到GT_CHANNEL，以提供收发器TX用户时钟（TXUSRCLK和TXUSERCLK2）。使用64位数据路径时，此时钟的频率为156.25 MHz；使用32位数据路径时，此时钟的频率为312.5MHz。需要注意的是，与IP核直接相连的用户数据应与coreclk对齐，即使本地的用户时钟频率与coreclk频率相同均为156.25MHz时，也可能因为非同源而导致相位偏差，因此也应采用异步FIFO进行跨时钟域处理。

3.4、 信号连接

以1个主核+2个从核为例，下图说明了其部分信号的连接方式：

图10 10G以太网主核与从核的信号连接

当使用两个从核时，上图连线的这些信号均在example design的共享逻辑中产生，需要人为将其输入到每一个接口IP中。

3.5、 数据传输

3.5.1、 链路建立

10G以太网通道链路初始化完毕后会置位core_ready信号，表明接口接口已完成初始化，可以开始进行数据传输。

3.5.2、 数据格式

10G以太网接口用户侧采用的AXI-Stream总线数据格式如下图所示：

图11 AXI-Stream总线信号时序关系

3.6、 接口硬件实现

在远距离连接的场景中，铜导线已经不能满足如此长距离，大数据量的通信，因此必须要采用光纤通信的方案。实现该方案需要使用光模块。

光模块是进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为电信号。光模块按照封装形式分类，常见的有SFP，SFP+，XFP等。光模块的接口是完全兼容XILINX的GTP/GTX IO，接口电路如图所示：

图12 XILINX FPGA与光模块连接电路图

光模块的种类有很多，下面只针对项目中常见的三种光模块作介绍。

1）SFP光模块

SFP光模块是一种小型可插拔光模块，目前最高速率可达10.3G（市面上基本为1.25G），通常与LC跳线连接。SFP光模块主要由激光器构成。SFP分类可分为速率分类、波长分类、模式分类。SFP光模块又包含了百兆SFP、千兆SFP、BIDI SFP、CWDM SFP和DWDM SFP。

2）SFP+光模块

SFP+光模块的外形和SFP光模块是一样的，传输速率可以达到10G，常用于中短距离传输。SFP+光模块是一种可热插拔的，独立于通信协议的光学收发器。

3）XFP光模块

XFP光模块是一种可热插拔的，独立于通信协议的光学收发器。速率同样可以达到10G，但是体积比SFP/SFP+光模块要大。

通过比对分析，SFP+光模块具有比XFP更紧凑的外形尺寸，比SFP更高的速率，因此在远距离光纤传输中是一种较为优秀的方案。

本设计中10G以太网接口在硬件上采用SFP+光模块实现光电转换。

三、帧结构分析

1、 以太网帧结构

该部分内容也可参看本公众号之前文章：你见过物理层的以太网帧长什么样子吗？

目前主要有两种格式的以太网帧：Ethernet II（DIX 2.0）和IEEE 802.3。本设计使用Ethernet II帧结构，其帧格式如图13所示：

图13 以太网Ethernet II帧格式

各字段具体说明如下：

⑴ 前导码（Preamble）：由0、1间隔代码组成，用来通知目标站作好接收准备。

⑵ 目标地址和源地址（Destination Address & Source Address）：表示发送和接收帧的工作站的地址，各占据6个字节。其中，目标地址可以是单址，也可以是多点传送或广播地址。

⑶ 类型（Type）或长度（Length）：这两个字节在Ethernet II帧中表示类型（Type），指定接收数据的高层协议类型。

⑷ 数据（Data）：在经过物理层和逻辑链路层的处理之后，包含在帧中的数据将被传递给在类型段中指定的高层协议。该数据段的长度最小应当不低于46个字节，最大应不超过1500字节。如果数据段长度过小，那么将会在数据段后自动填充（Trailer）字符。相反，如果数据段长度过大，那么将会把数据段分段后传输。

⑸ 帧校验序列（FSC）：包含长度为4个字节的循环冗余校验值（CRC），由发送设备计算产生，在接收方被重新计算以确定帧在传送过程中是否被损坏。

2、Spirent Testcenter业务流格式

图14 Spirent Testcenter业务流格式

当使用Testcenter配置以太网数据帧时，Testcenter会在以太网帧的数据字段自动添加20个字节的开销，即上图中的Signature字段，该字段的各部分功能如下：

图15 Spirent Testcenter业务流Signature字段

该字段包含32bit（4个字节）的流ID，支持40亿个测试流。

该字段具有10纳秒的时间戳分辨率

当Spirent Testcenter在有效负载中插入PRBS23码型时，PRBS位置1

Last位会告诉接收方时间戳所在字节

该字段具有一个内置的UDP / TCP Checksum Cheater字段（用于在有效载荷中放置修饰符时使用）

由于该Signature字段是SpirentTestcenter业务流的唯一标识，Testcenter通过识别接收到的数据流的Signature字段来计算链路时延并判断是否有丢帧的情况，此外，该字段在Testcenter软件中不对用户可见，也即我们无法人为的去配置这个字段，因此建议在处理数据帧时，不要删改该字段信息。当然，也可以选择让Testcenter不添加这一字段，但是这样Testcenter在接收到以太网帧之后无法与已发送的数据帧进行比较。本设计选择的方案是默认在Testcenter业务流后自动添加Signature字段。

3、 自定义帧格式

本实验在标准以太网EthernetII帧格式的基础上重新定义了系统内部帧格式，如下图：

图16 自定义帧格式

上图中目的地址、源地址、帧类型和FCS字段均保留了EthernetII帧结构，而为了逻辑简单起见，将数据字段重新拆分成四个字段，其中预留字段仅起占位功能，Signature字段为Testcenter自动填充的开销字段。实验中真正使用的也就是载荷部分的84字节。

四、数据处理流程

1、 实现方案

1.1整体架构

10G以太网接口接收来自Testcenter测试设备发送过来的以太网帧，提取出关键字段将其拆分成并行的12路通道数据，与clk时钟同步，然后将这些数据进行组包，N个clk内的数据组合成一帧，使用aurora64B66B将数据一帧一帧地发送出去，接收机对收到的帧数据进行解析，并还原成与内部clk同步的12路通道数据，在将12路数据合并成以太网帧格式，通过10G以太网接口发送回Testcenter。实现框图如下：

图17 整体结构框图

1.2、数据流程

根据上述设计架构，本设计的数据流程如下图：

图18 数据处理流程

五、主要模块仿真RTL级验证

1、 10G以太网接口功能验证

在10G以太网接口1发送端写入64位固定帧，接口将其转换成差分信号输出，在差分端打环，使接口1发送出的差分信号进入接口2的接收端，将接收端恢复出的并行数据与数据源数据进行比较。仿真结果如下图：

图27 10G以太网接口仿真验证结果

在core_ready信号拉高后向接口1发送端pkt_tx_*写入数据，将接口1与接口2的差分端相连，监测接口2接收端pkt_rx_*恢复出的以太网帧。

2、 Aurora64B66B接口功能验证

在Aurora64B66B接口1发送端写入64位固定帧，接口将其转换成差分信号输出，在差分端打环，使接口1发送出的差分信号进入接口2的接收端，将接收端恢复出的并行数据与数据源数据进行比较。仿真结果如下图：

图28 Aurora64B66B接口仿真验证结果

六、板级验证

1、 验证环境

图31 板级验证环境

图32 与Testcenter连接

实验选取实验室自研交换板（芯片型号xc7vx690tffg1761-2）,该交换板具有6个GTH光口，本设计选取4个光口进行测试，左起1口、4口为10G以太网接口，通过光纤与Testcenter相连，如图32所示。2口、3口为Aurora64B66B接口，通过光纤实现外环连接。

2、 测试流配置

在Testcenter配套软件上配置业务流时，为直观的验证本设计功能，为以太网帧配置payload，即添加custom header，如图33所示：

图33 Testcenter以太网帧payload配置

3、 验证结果

图34 并行的12通道数据

图35 Testcenter软件对收发业务流进行统计比较

通过Xilinx ila抓取部分信号，从图34可以看到本设计可以成功的提取出以太网帧的载荷字段，并从中解析出并行的12路通道数据，前60字节与6.2中配置字段相同，本设计功能实现良好。图35中对Testcenter接收到的数据帧进行统计并与已发送的数据帧进行比较，表明本设计未出现丢帧、错帧情况。

七、附录

下面提供实现本设计的另一种思路：

在前几章提及GT Quad中QPLL资源的问题，即一个Quad上仅能够使用一个QPLL，因此本设计使用了四个GTH接口共同使用一个共享逻辑，其QPLL时钟信号需要驱动2个10G以太网接口和2个Aurora64B66B接口。对初学者来说，梳理清楚GT时钟并使用QPLL是具有一定困难的，最简单的方法是，将4个接口分别放置在两个Quad上，即每两个GT接口共享一个QPLL资源，这样可以直接使用Xilinx官方文档中的1主带1从的模式，尽可能的简化了代码并大大减少调试中的困难。

本实验选择的交换板上带有标准FMC扩展口，其上具有丰富的GT资源，下图展示了FMC扩展板与交换板的连接，以及通过同轴电缆将扩展板上的差分端口相连实现外环。

图36 FMC扩展板正反面

图37 同轴电缆

图38 交换板上的FMC扩展口

图39 用同轴电缆实现外环

图40 扩展板与交换板相连

全文完。

光芯片行业专题报告：从II~VI和Lumentum看光芯片国产化

（报告出品方/作者：东吴证券，张良卫、卞学清）

1. 光芯片：光进铜退，光子领域核心元器件

1.1. 原理：三五族化合物主导，实现光电信号转换

1.1.1. 光芯片为激光器、探测器核心组成

激光应用广泛，其工作有赖于激光器与探测器。得益于方向性好、单色性好、能量 密度高，激光不仅在光纤通信、工业制造等传统领域应用广泛，更在 3D 传感、车载激 光雷达等新型领域日益普及。激光的输出有赖于激光器，根据增益介质的不同，激光器 可分为气体激光器、液体激光器与固态激光器，而半导体激光器是固态激光器的典型形 态；激光的接收则有赖于探测器，其又被称为光敏二极管。 激光器、探测器的核心构成部分为光芯片，光芯片核心功能为光电信号转换。光芯 片主要包括激光器芯片与探测器芯片：激光器芯片应用于半导体激光器中，实现电信号 向光信号的转换，将电信号蕴含的信息通过激光输出；探测器芯片则在探测器中不可或 缺，实现光信号向电信号的转换。

1.1.2. 激光器芯片

1）工作原理：电激励为泵浦源，半导体为增益介质，输出激光

激光的发出有赖于泵浦源、增益介质、谐振腔三大部件。激光的输出需要外界提供 能量，泵浦源（又称激励源）即负责向增益介质中的粒子提供能量，常见的泵浦方式有 电泵浦、光学泵浦、核能泵浦等；增益介质用来提供向高能级跃迁的粒子，常用材料有 氖气、有机染料、红宝石、半导体、光纤等；谐振腔指使光波在其中来回反射从而提供 光能反馈的空腔，其作用是使腔内的光子具有一致的频率、相位和运行方向，使激光具 有良好的方向和相干性，同时还能放大受激辐射的强度。 激光器芯片将电激励作为泵浦源，以半导体材料为增益介质，通过谐振腔选模放大， 进而输出激光，完成光电转换。

2）激光器芯片分类：谐振腔制造工艺差异，适用不同场景

按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发 射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL 在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，光子经谐振腔选 模放大后，将沿平行于衬底表面的方向形成激光；VCSEL 在芯片上下两面镀光学膜形 成谐振腔，由于谐振腔与衬底垂直，光子经选模放大后将垂直于芯片表面形成激光。EEL 与 VCSEL 各具优势，EEL 的输出功率、电光转化效率更高，而 VCSEL 具有阈值电流 低、单波长工作稳定、可高效调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、制造成本低等优点。

EEL 进一步分为 FP/DFB/EML 三类，应用场景相异。FP、DFB 为独立器件，通过 控制电流的有无来调制信息输出激光，故被称为直接调制激光器芯片（DML）。在 DML 中，FP 激光器诞生较早，主要用于低速率短距离传输；DFB 在 FP 激光器的基础上发展 而来，采用光栅滤光器件实现单纵模输出，主要用于高速中长距离传输。DML 通过调 制注入电流来实现信号调制，然而注入电流的大小会改变激光器有源区的折射率，造成 波长漂移（啁啾）从而产生色散，限制了传输距离；同时，DML 带宽有限，调制电流大 时激光器容易饱和，难以实现较高的消光比。 电吸收调制激光器芯片（EML）较好地缓解了啁啾色散问题，它由 EAM 电吸收调制器与 DFB 激光器集成而来，信号传输质量高，易实现高速率长距离的传输，不过价 格与能耗相对较高。

3）激光器芯片材料：三五族化合物为主流，光学特性较硅更优

三五族化合物泛指由元素周期表的三族与五族元素构成的合金化合物，种类丰富， 如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、砷化铟镓（InGaAs），根据所含元素种类数又可分为 二元化合物如 InP，三元化合物如 1−，四元及更高化合物等。硅是目前工业中 最主要的半导体材料，广泛用于集成电路，但在光电器件领域，三五族化合物却因具有 更好的光学特性而更为重要。 三五族化合物具有直接带隙，进而电子在高低能级间跃迁时效率更高，进而使芯片 输出激光的效率更高。带隙是电子从低能级（价带）跃迁高能级（导带）所需吸收的最 小能量，对应的是价带顶部与能带底部的能量差距。直接带隙是指在能量-波矢图中，元素电子的价带底与导带顶对应的波矢相同，反之，若二者波矢有异，则称为间接带隙。

对于直接带隙结构，电子在价带与导带间的跃迁只需满足能量守恒；对于间接带隙 结构，由于价带顶与导带底的波矢不同，需在水平方向施加动量方可使电子完成跃迁， 也即：电子跃迁过程涉及声子的吸收与发射——一方面，由低向高能级的跃迁必须要有 声子参与，这导致跃迁发生的概率降低，间接带隙结构发生电子跃迁的概率约为直接间 隙结构的 1/1000；另一方面，跃迁释放的大部分能量会转换为声子而非光子。此二因素 决定了直接间隙结构中电子在高低能级间的跃迁效率更高。 如前所述，对于激光器芯片而言，输出激光的关键在于“半导体中的电子吸收能量， 由低能级向高能级跃迁—电子由不稳定的高能级回落至低能级，在这一过程中以光子形 式释放能量”，可见，电子跃迁的效率是激光输出效率的本源，故直接带隙结构的半导 体更适用于制作激光器芯片。三五族化合物大都为直接间隙半导体材料，如 GaAs、GaN、 InP 等，少部分三五族化合物如 GaP 及 Ge、Si 则属于间接带隙结构，这是 GaAs、InP 等三五族化合物在激光器芯片制备中应用普遍的基础。

三五族化合物可形成三元及以上化合物作为外延材料，通过调整各组分元素的比例, 可获得期望的激光输出波长，满足多样化的场景需求。激光器芯片输出的激光源于从导 带层回落至价带层时释放的光子，故激光的波长主要由释放光子的波长决定，而光子的 波长与光子的频率进而光子的能量成反比，故输出激光的波长将主要由“电子由导带底 回落至价带顶释放的能量大小”决定，即半导体材料的带隙。对于 Si、Ge 而言，除电 子跃迁效率较低外，它们为单一材料，带隙固定，故只能发出单一波长的光；对三五族 化合物而言，单个化合物的带隙同样固定，但它们可按照不同比例进行混合，形成不同 的三元及以上化合物，由此可得多种带隙。需指出，光芯片的衬底通常还是二元化合物， 三元及以上化合物一般作为从衬底上生长出的外延材料。

三五族化合物中，InP 与 GaAs 两类材料在激光器光芯片衬底中居于主流。GaAs 是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料，具有电子迁移率高、禁带宽度 大等优点，适合于制造高频、高速的器件与电路；InP 则具有高电光转换效率与高电子 迁移率、抗辐射等品质，二者各具优势。前述 VCSEL 面发射激光器芯片主要以 GaAs 材 料为衬底，而 FP、DFB、EML 三类边发射激光器芯片主要以 InP 材料为衬底。

1.1.3. 探测器芯片

1）工作原理：依托光电效应将光信号转为电信号

探测器芯片又称光电二极管(PD)，通过光电效应识别光信号，转化为电信号。光电 效应是指在光照下，材料中的电子吸收光子的能量，若吸收的能量超过材料的逸出功， 电子将逸出材料形成光电子，同时产生一个带正电的空穴。光电二极管工作时，在其双 极加上反向电压——无光照射时，由于二极管反向高电阻的特性，电路中只存在很小的 反向电流；有光照射时，由光电效应产生的空穴将前往外接电压的负极，光电子前往外 接电压的正极，从而增大二极管中的反向电流，由此实现对光信号的探测。

2）典型探测器芯片：PIN、APD、SPAD 应用最广泛，灵敏度渐增

PIN 光电二极管（PIN-PD）、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管） 的使用最为广泛，三者灵敏度逐次提升。传统的 PN-PD 二极管的基础部件是 PN 结，P 层由 P 型材料构成，空穴居多（带正电），N 层由 N 型材料构成，电子居多（带负电）， 当 PN 结受到光照时即可产生光电效应。PIN-PD 则是在 P 层与 N 层间引入了 I 层——I 层为掺杂有极少量 P 型材料或 N 型材料的纯净本征半导体构成。相较传统的 PN-PD， 当施加反向电压时，I 层将为 PIN-PD 提供更宽的耗尽区，从而提高光电转化的效率。

APD 在 PIN 基础上增添了高掺杂的 P+与 N+层，该结构容易发生雪崩倍增效应。 APD 在较高的反向电压下工作，吸收了光子形成的自由电子与空穴能被加速，进而能获 得更多能量，与晶格碰撞产生一对新的电子-空穴对，连锁反应，使光电流陡增——此即 雪崩倍增效应，从而带来电流增益，提高了光电二极管的响应度与信噪比，主要运用在 长距离或光功率受其他限制而较小的光纤通信系统。

SPAD 在高于击穿电压的反向电压下工作，这一状态高度不稳定，单个光子即可引 发大量的电子-空穴对雪崩进而产生电流，理论上可实现单光子探测。由于结构上的特 点，当给 SPAD 施加高于击穿态的偏置电压时，二极管将处于亚稳态，信号放大作用很 大，甚至只探测到单光子也会引起雪崩效应进而出现电流脉冲。

3）探测器芯片衬底：Si/Ge/InGaAs 占主流

探测器光芯片材料的选择以材料光谱响应特性为基础，Si/Ge/InGaAs 占据主流。光 谱响应特性是指保持入射光强度不变的情况下，不同波长的光照射材料产生的光电流与 入射光波长之间的关系，可以用响应度刻画一种光芯片材料面对各种波长入射光时的工 作效率——响应度越高，材料对该种波长的检测就越灵敏。当前激光器芯片工作波长以 800nm-1600nm 居多，Si、Ge、InGaAs 材料在探测器中占据主流，且由三种材料的光谱 响应曲线来看，Si 材料适用于 800-1000nm 波长的光探测，Ge、InGaAs 适用于对 1000- 1600nm 波长的光探测中。

1.2. 产业链：衬底价值量大，外延为核心

1.2.1. 光芯片制造：工艺复杂，外延为核心，IDM 模式为主流

相较逻辑芯片，光芯片生产各工艺综合性更强，龙头厂商多采用 IDM 经营模式。对于逻辑芯片厂商，新进入的企业多采用 Fabless 模式，以此减少大规模资本投入，从 而将更多资源集中投入电路优化、版图设计等研发环节。对于光芯片行业，厂商多采用 IDM 模式，主要因为光电子器件遵循特色工艺，器件价值提升不完全依靠尺寸的缩小， 而有赖于功能的增加。而特色工艺所需能力更加综合，包括工艺、产品、服务、平台等 多个维度。IDM 模式使各环节相互配合，综合提升芯片性能，更灵敏回应客户需求。 光芯片制造工艺流程繁多，晶体外延环节最关键。光芯片的工艺流程可分为外延结 构设计、晶圆制造（晶圆外延结构生长、光栅制作、波导光刻与金属化制程）、芯片加工 和测试（解理镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证）三大部分。

外延为光芯片生产最主要和技术门槛最高环节，难点源自工艺壁垒及时间投入壁垒。 就外延工艺上而言，通过 MOCVD 进行精准的半导体材料精准堆叠控制时，尤其是在有 源区中，常要求多层堆叠的结构每层厚度在 10 纳米以下级别，做到对这一厚度水平的 均匀精准控制是一大壁垒。从基础性时间投入而言，外延开发需厂商投入大量时间调试 机台条件参数，国内企业在这一领域大都仍处于基本工积累阶段。 外延工艺海外公司较为成熟，国内外差距较大，国产加速追赶。海外领先光芯片公 司可自行完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，能量产 25G 及以上速率光芯片。国内厂 商普遍具有除晶圆外延环节外的后端加工能力，而在外延这一核心技术领域并不成熟， 需向国际厂商采购高端外延片。我国 25G 激光器芯片仅少部分厂商实现批量供货，25G 以上速率激光器芯片大部分厂商尚处研发或小规模试产阶段。

1.2.2. 光芯片上游：衬底为核心原材料，海外厂商仍为主导

衬底为光芯片核心原材料，成本占比最高、对芯片品质影响力最大。光芯片所需原 材料包括衬底、金靶与特殊气体等。从成本看，根据源杰科技招股书，衬底在光芯片原 材料成本中的占比往往高于 30%，其供需将在较大程度影响光芯片制造厂商的生产成本。 从对芯片品质影响力来看，衬底材料一方面决定了激光器芯片发射光的波长，另一方面决定探测器芯片对入射光的响应度，且核心工艺——外延生长将在衬底材料上完成，故 衬底材料的品质将在很大程度上影响光芯片的参数与可靠性。

衬底供应以海外厂商为主，国内厂商替代率逐步提升。由于衬底对光芯片品质影响 较大，光芯片厂商倾向于向海外厂商采购衬底，如住友电工。与此同时，海外领先的衬 底公司也提供外延生长等业务，故而受到国内厂商青睐。但近年国内衬底厂商逐步提升 衬底品质，优化衬底制造技术，凭借其性价比优势受到越来越多国内光芯片制造企业的 青睐。根据源杰科技招股书，2018-2020 年其采购衬底的单价从 785.69 元/片持续下降至 2020 年的 754.57 元/片，一大重要原因即是增大了国内厂商在衬底采购中的占比。

1.2.3. 光芯片下游：光模块应用广泛

光芯片经加工封装后得到光器件/光模块，集成程度提升，单位价值量升高。光芯片 经加工后形成激光器、探测器产品，同时可与其余电子器件、无源器件结合，封装形成 光发射组件（TOSA）与光接收组件（ROSA），进一步加工形成光模块。封装为光模块 后，一个光模块具备多个通道，进而可搭载多个光芯片，由此使一个光模块的信息传递 速率将为光芯片信息传输速率的若干倍，更贴合下游客户的需求。

得益于优良特性，光芯片下游应用广泛。由于信号传输速率快、损耗小且稳定性高， 光纤通信在电信与数据中心基础设施的建设中已不可或缺，而其基础正是光芯片。与此 同时，得益于激光波长集中、能量高的特点，光芯片被广泛地应用于工业制造、医疗、消费、汽车电子等领域。当前，光通信与消费电子是光芯片主要的应用下游，而随着智 能驾驶的普及，以激光雷达为主要产品的汽车电子将迎来需求的迅猛增长。

1.3. 产业趋势：光子替代电子大势所趋

1）光通信领域：“光进铜退”趋势延续

“光进铜退”主要是指实现以“窄带+铜缆”为主网络向以“宽带+光纤”的网络转 变的模式，本质是光纤宽带设备端口不断下移、不断靠近用户的建设思想。对比铜缆， 光纤具有明显的优势：频带宽，信息容载量更大；最大传输距离更远；原材料（石英,SiO2） 资源丰富；光缆纤芯直径比铜缆更小；损耗低，中继距离远；光纤为非金属材料，不受 电磁及频道干扰；传输保密性能更好。“光进铜退”成为网络升级下的大势所趋。

随着国内网络基础设施的不断升级，“光进铜退”成为重要的战略发展方向： （1）2000-2010 年以来，国内上网以铜线为主，ADSL 是当时主流的上网方式，在 该时期还短暂出现过 VDSL 技术，网速已经达到 10Mbps。提高基础网络覆盖率是这一 时期的重点，到 2009 年，我国网民人数已有 3.84 亿，宽带普及率达 98.3%。 （2）2011-2015 年，FTTH 开始渗透，2013 年 8 月，国务院发布《“宽带中国”战 略及实施方案》，首次在国家层面明确宽带网络的战略性公共基础设施地位。受益于“宽 带中国”战略，该时期是“光进铜退”发展最快的阶段，光纤光缆渗透率在这一时期得 到明显提升。2015 年底，国内 FTTH 用户数达 1.2 亿户，FTTH/O 渗透率达 59.3%。 （3）2016 年以来，“光进铜退”趋势依然在不断演进，光纤接入已步入成熟阶段， FTTH/O 对 xDSL 的替代已基本完成。2021 年底，我国互联网宽带接入端口达 10.2 亿 个，FTTH/O 用户达 5.06 亿户，渗透率为 94.3%。

2）光传感领域：硅光芯片+FMCW 技术路线赋能车规市场

硅光的高度集成性和超高兼容性非常契合激光雷达的制造需求，硅材料的价格优势 和集成工艺有助于降低激光雷达成本。全球范围内，Aeva、Mobileye 以及 Aurora（收购Blackmore）是三家硅光芯片+FMCW 技术路线的激光雷达代表企业，Mobileye 在 2021 年宣布将自主研发硅光 FMCW 技术路线，Aeva 已于今年年初发布首款汽车级 4D 激光 雷达传感器。而在中国市场，洛微科技已经进入产品化和验证阶段，2021 年初，洛微科 技发布了第二代 FMCW SoC 芯片，为实现硅光 FMCW 4D 激光雷达产品提供了核心技 术。随着相关技术的不断成熟，硅光芯片有望持续赋能汽车自动驾驶，带动激光雷达产 品的性能提升和成本优化。 此外，光能够照射到组织和血管上以监测、检测和量化生物标记，因此光子学还能 够赋能无创医疗监测解决方案，用于小尺寸医疗设备和消费电子市场的可穿戴设备。

3）光计算领域：看好硅光计算长期替代

在计算领域，据 OpenAI 统计，自 2012 年起，每 3-4 个月人工智能算力需求就会翻 倍，电子芯片的发展已日趋逼近摩尔定律极限，难以满足高性能计算不断增长的数据吞 吐需求。而硅光芯片用光子替代电子进行传输，可以承载更多信息、传输更远距离，同 时光子彼此间干扰少，能够提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度和低两个数量 级的能耗，能够作为突破传统微电子计算极限的解决方案。因而，从趋势上看，以硅光 芯片为基础的光计算有望持续取代电子芯片在部分计算场景中的应用。

目前，光计算的相关研究仍然处于初期阶段，解决方案和系统架构仍然在探索中。 如何将光计算融合到现有的通用计算中，并且更好地将光计算芯片化、集成化，是未来 的研究方向，实现成熟的光计算技术和产业链仍需时日。当前，Intel、IBM 等巨头以及 MIT、UCSB 等机构都在积极开发大规模光子集成芯片，国内也涌现出曦智科技、光子 算数等行业领先企业。随着硅基光子学技术的不断成熟，光计算的优势将逐步彰显。

2. 市场空间：数通领域复苏，激光雷达支撑远期成长

2.1. 概览：激光雷达市场接力数据中心需求

电信、数据中心、消费电子、车载激光雷达是光芯片最主要的应用领域。电信领域技术已较为成熟，国内市场相关产品覆盖率较高，未来增量空间主要来自速率升级需求； 数据中心市场方兴未艾，云计算厂商加大投资的步伐未减，市场中短期将维持较快增速； 消费电子领域当前市场参与者主要为苹果，安卓厂商应用 3D 传感仍有空间；车载激光 雷达领域潜力较大，随着智能驾驶技术成熟、激光雷达成本下降，激光雷达装车量有望 大幅提升，远期需求星辰大海。

2.2. 电信领域：光纤入户、5G 基站建设、现有基站升级三大驱动力

电信领域光芯片发挥的主要作用为光电信号转换。激光器芯片将电信号调制为光信 号，探测器芯片的功能则相反，通过光电转换，信息可经由光纤实现高速稳定的传递。 光纤通信在不同层级通信网络中均不可或缺，为光芯片创造广阔应用需求。由于传 输距离较长，骨干网、城域网中的汇聚层一般采用光纤通信。对于有线接入网，其可分 为铜缆接入、光纤同轴混合接入、光纤接入，由于光纤具有信息损耗小、带宽高的特性， “光进铜退”亦已成为有线接入网的发展趋势。对于无线接入网，基站内部有源天线单 元（AAU）与分布单元（DU）的连接同样需要使用光纤，这一连接被称为前传网络。

2.2.1. 下游趋势：国内光纤入户、5G 基站高渗透，全球仍具发展潜力

光纤入户国内普及率已处高位，存量市场速率升级。光纤接入可分为 FTTB（光纤 到楼）、FTTC（光纤到路边）、FTTH（光纤入户）等，统称为 FTTx，其中光纤入户 FTTH 是用户接入光纤的最直接方式，被用以衡量光纤接入的成熟程度。我国光纤入户普及率 已处高位——截至 2022 年 9 月底，我国光纤接入（FTTH/O）端口在所有宽带接入端口 中的占比已达 95.5%，且根据 Omida 发布的光纤发展指数报告，中国已连续两年排行 全球第四。光纤入户安装保持着 10%的同比增速，但随着普及率逐步攀高，需求的增量 空间较小。从存量升级看，我国正实施“双千兆”发展战略，截至 2022 年 9 月底，千 兆光纤宽带用户数为 7603 万，在所有固定宽带用户中占比 13.1%，仍存较大发展空间。 光纤入户速率升级将是短期内的需求推动力。

全球市场光纤入户占比相对不高，光纤网络发展空间较大。截至 2021 年 9 月底， 德国有 95%的固定宽带用户仍采用电缆接入，法国、英国的光纤接入用户占有线接入的 比例分别为 34%、56%，美国光纤接入用户占比则为 14%。光纤入户能大幅提升通信速 率与安全性、稳定性，是有线接入的必然发展趋势，各国政府、企业也均拟定时间表完 善光纤入户布局，譬如欧盟计划在 2030 年使千兆光纤网络覆盖所有家庭，美国预计在 2027 年使光纤入户覆盖家庭数由当下的 4400 万户增长至 8200 万户。由此来看，欧洲及 美国两大主要市场的光纤网络还具有较大扩张空间。

5G 基站建设领域，国内整体渗透率已处较高水平，但各个城市内的覆盖率尚存提 升空间，小基站建设推动城市内覆盖率提升，也使 5G 基站新增数目维持高速增长。2020 年我国新增 5G 基站超 60 万站，21 年净新增超 65 万站、2022 年前三季度已净新增 79.5 万站，基站数目的高速增长为光芯片创造了广阔需求。 2020 年我国已宣布所有地级以上城市实现 5G 全覆盖，2021 年时实现 5G 覆盖超过 98%的县城城区与 80%的乡镇街区，基站建设正由宏基站向小基站过渡，实现区域内部 更深度的 5G 覆盖。

2.2.2. 应用种类：光纤入户 2.5G 占主流，移动通信10G/25G 占主流

以工艺划分，电信领域激光器主要采用 VCSEL、DFB、EML 三种光芯片，VCSEL 主要用于 500 米以内的短距离传输，DFB 主要用于中长距离传输，如 FTTx 接入网、无 线基站等，EML 主要用于长距离传输，如高速率远距离的骨干网与城域网等。目前 EML 激光器芯片大规模商用的最高速率已达到 100G，DFB、VCSEL 激光器芯片大规模商用 的最高速率为 50G。以速率划分，光纤接入主要应用 2.5G 光芯片，移动通信领域主要 应用 10G、25G 光芯片。从市场规模看，2021 年全球移动通信领域光模块的应用情况 为：10G 及以下速率光模块占比 33.3%，25G 及以上速率光模块占比 66.7%，这一占比 与移动通信领域 10G/25G 光芯片的分布大体一致。 2021 年国内 5G 建设为 10G 光芯片创造的需求最多，但展望未来，25G 光芯片创 造的需求或将回暖。2020 年 5G 基站建设伊始，对 25G 光芯片的需求提升；但由于电信 运营商基站建设目标的调整，2021 年 5G 基站建设所需的光芯片逐渐从以 25G 高速率 为主变成以 10G 为主，对 25G 光芯片的采购减少。

各运营商逐步在小基站领域展开建设布局。小基站旨在中短距离下提供较高带宽， 从而为医院、酒店、大型商场等场所提供信号辅助。其对覆盖范围要求较低，对所需带 宽则提出更高标准，25G 光芯片或与小基站建设的需求更为契合。

2.2.3. 电信领域光芯片市场规模

基于 Lightcounting 对 FTTx（光纤接入）、移动通信光模块市场规模的计算，以及源 杰科技、中际旭创等公司披露的成本资料，电信领域光芯片市场规模测算如下，我们预 计 2025 年电信领域光芯片市场规模将达 13.96 亿美元，2021-2025CAGR 达 8.1% 。

2.3. 数据中心：光模块速率持续提升，资本开支驱动增长

数据中心是一种拥有许多存储并处理大量信息的计算机的设施，基于数据中心云计 算商可为客户提供云服务，例如使用户无需购买、拥有和维护数据中心及服务器即可获 得计算能力、存储、数据库等技术服务。云计算厂商会努力在全球各地布置基础设施， 例如在全球各地设立可用区，于其中布置边缘站点与区域性缓存站点，而客户可以在位 于当地的数据中心上运营服务，从而取得更快的响应速度，同时确保运营数据能保留在 国内。在这一领域，光芯片主要用于实现数据在大型数据中心内部、数据中心间的传输， 这与光芯片在电信领域实现的功能十分相近。

2.3.1. 下游趋势：云计算厂商营收与 CAPEX 高速增长

受益于经济回暖、数字化趋势、更多产业逐渐上云，云计算巨头营收规模增长迅猛。 2016-2021 年 ， Amazon/Google/Microsoft/ 阿 里 云 的 营 收 规 模 CAGR 分 别 为 38.5%/47.5%/21.2%/69.7%。一方面，数字化正成为越来越多的产业的发展趋势，云可以 使各种公司轻松调用已有技术，更快地进行创新，还能根据实际需求预置资源，将公司 原本用于数据中心和物理服务器等设备的固定支出转变为按实际用量付费的可变支出， 优化公司的成本；另一方面，各公司力求在后疫情时代扩大规模并提高灵活度，故加紧 行动，比原来更积极地使用云基础设施与云服务产品。

云计算巨头 CAPEX 维持较高增速，且各厂商大量投资数据中心的态度坚定，这将 为光芯片创造出大量需求。2015-2021 年，Amazon/Google/Microsoft/阿里云 CAPEX 的 CAGR 分别为 52.6%/19.3%/20.4%/39.4%，数据中心领域，光芯片增长的驱动力主要有： 第一，新建可用区、增添基站带来的数据中心数目增量；第二，数据中心升级改造，服 务器与交换机速率提升创造的增量。而各巨头大多认为当前云计算尚处产业早期，表示 会继续加大投资，进而将为光芯片带来稳定的需求增量。

2.3.2. 应用种类：VCSEL 与 EEL 互补，速率需达到 50G 及以上

从衬底与工艺看，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，它们适用于中长距离的数据中心间传输。GaAs 用于制作 VCSEL 芯 片，主要用于数据中心之内的传输。 从速率看，数据中心对光芯片的要求在通信领域排名最高。当前数据中心所需光芯 片以 25G、50G、100G 的速率为多。随着数据中心流量快速增长，更高速率光模块的市 场需求将不断凸显，而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， 而若数据中心进入 400G 及更高速率的平台，每一通道所需的激光器芯片速率也将随之 提升至 100G。传统的 DFB 激光器芯片短期内无法同时满足高带宽、高良率的要求，故 需考虑采用 EML 激光器芯片，从而实现单波长 100G 的高速传播。 当前国内云计算公司与国外公司使用的光模块速率尚存差距，进而影响该领域国内 外下游市场对光芯片的需求。海外互联网公司前期主要使用 100G 及光模块，2020 年起 开始大规模向 200G/400G 光模块过渡。国内互联网公司目前主要使用 40G/100G 光模块， 并从 2022 年开始推进 200G/400G 光模块批量部署。

2.3.3. 数通领域光芯片市场规模

受益于数据中心增量需求与存量升级改造的需求，我们预测光模块总销售额在 2021-2027 间或实现 CAGR=14%。光模块需求维持较快增长的驱动力，一是厂商服务地 域扩大，可用区、数据中心数目增多；二是数据中心升级改造，迭代为更高速率光模块。

我们预测2021-2027年云计算公司为光芯片创造的需求将稳步增长，CAGR=16%， 2027 年市场规模达 22.2 亿美元。这一计算包含两类假设：①随着 25G 及以上高速率光 模块国产化率提升，其价格下降，毛利率有所下降；②直接材料占光模块成本比例、光 芯片及组件占光模块材料成本比例、光芯片占光芯片及组件的成本比例变化较小。

2.4. 消费电子：苹果主导，940 nm VCSEL 为主流

相较普通摄像头，3D 传感（包含双目立体测距、结构光、TOF）可探测环境的深 度特征，广泛应用于消费电子领域。3D 传感通常由多个摄像头与深度传感器组成，通 过投射特殊波段的主动式光源、计算光线发射和反射时间差等方式，获取物体的深度信 息。3D 传感摄像头可实现人脸识别、手势识别、三维建模等多项功能，可适用于移动设 备、机器人、安防监控等多种终端，人脸识别为当前 3D 传感摄像头最主流的功能。

光芯片用于发射激光作为测距基础，在结构光方案、TOF 方案中均不可或缺。对于结构光传感器，其主要由激光投影模组、光学成像模组、图像处理芯片组成，其中激光 投影模组用于向待测物体投射光斑，包含激光发射器、透镜、衍射光学元件等部件，光 芯片即用于构成激光发射器。对于 TOF 方案，激光器芯片主要用于发射激光脉冲，同 时 SPAD 等探测器光芯片也有应用。

2.4.1. 下游趋势：苹果主导，安卓阵营中渗透率有望提升

苹果产品为 3D 传感消费电子市场增长主要驱动力。2016、2017 年前后，苹果与安 卓阵营的华为、联想引入 3D 传感摄像头，后不同的安卓厂商也作此尝试，但只有苹果 坚持迭代发展至今。苹果在手机前后均采用 3D 摄像头，并使旗下产品具有超高精度 3D 面部识别的功能。2021 年，苹果销量大涨，推动 3D 传感消费电子领域的销售达 36 亿 元/3.26 亿台，安卓则未有明显推进。

当前 3D 传感器在安卓产品中渗透率不高，但消费者习惯将逐渐养成，渗透率将逐 渐提升。根据 Yole 分析，安卓当前未广泛采用 3D 传感的原因主要是 1）对特定的功能， 如生物识别，屏下指纹比 3D 传感对应的人脸识别性价比更高；2）后置摄像头上的 3D 传感器暂无足够优秀的应用与之匹配，当前只有少量 AR 游戏和功能不常用的 APP。未 来随着消费者认同感增强，安卓阵营 3D 传感有提升空间。我们预计受苹果销量增加及 3D 传感渗透率上升驱动，消费电子 3D 传感市场规模将稳步增长。

2.4.2. 应用种类：940nm VCSEL 芯片在消费电子领域占主流

从工艺看，结构光方案中多用 EEL、VCSEL 光芯片。EEL 产品一般体积较大，用 于较大测量范围的应用场景；VCSEL 体积小，用于较小测量范围应用场景。TOF 方案 也多以 VCSEL 芯片充当激光器，SPAD 芯片作探测器。从波长看，应用于消费电子领 域光芯片以 940 nm 的 VCSEL 光芯片为主流；但未来若更多移动设备厂商发展屏下摄 像头，13xx/14xx nm 波长将成为主流，这一波长的 VCSEL 芯片将以 InP 作为衬底。

2.4.3. 消费电子光芯片市场规模

基于对安卓、苹果产品未来 3D 传感渗透率的分析及 2020-2022 苹果的销量数据， 对消费电子领域光芯片的市场规模可做出测算。我们预计 2025 年消费电子领域光芯片 将有 13.70 亿美元的市场规模，2021-2025 年 CAGR=14.6%。

2.5. 车载激光雷达：光芯片的新蓝海

光芯片为激光雷达提供激光脉冲发射与接收。激光雷达是一种综合的光探测与测量 系统——激光器激励源驱动激光器向目标发射激光脉冲，扫描系统以稳定的转速旋转， 实现对平面的扫描，而光电探测器接收目标反射回的激光，接收信号经处理系统放大处 理、转换、计算后得到目标物体表面形态、物理属性等特征。激光雷达主要包括激光发 射、扫描系统、激光接收和信息处理四大系统，相辅相成，其中激光发射系统主要包括 半导体激光器、激光器激励源、激光调制器，是激光雷达的核心系统。而半导体激光器 作为激光发射系统的核心器件，为整个激光雷达提供激光脉冲。

2.5.1. 下游趋势：车载雷达为光芯片最快增速支点

受益于高级辅助驾驶/自动驾驶技术逐渐成熟，激光雷达前景广阔，大势所趋。高级 辅助驾驶/自动驾驶的实现方案中，当前存在“纯视觉”与“多传感器融合”两种方案， 其中特斯拉采用前者,其余车企大都采用后者。首先，随着高级辅助驾驶/自动驾驶技术 逐渐成熟，搭载自动驾驶功能的汽车将不断放量，从总量上为激光雷达创造大量需求。 其次，纯视觉方案需要极强的数据与算法积累，故除特斯拉外，其余车企较难选择这一 方案，再加上多传感器融合方式将为汽车增添安全冗余——少许传感器的故障能由互补 传感器弥补，故“多传感器方案”或将成为未来车企主流。当前囿于成本，搭载高精度 激光雷达的产品不多，但随着激光雷达成本下降，高品质激光雷达渗透率将进一步提升。

2.5.2. 应用种类：EEL/VCSEL 应用广泛，905/1550 或将共存

按工艺划分，EEL、VCSEL 激光雷达光芯片中应用最为广泛。EEL 采用纳米堆叠技术（P-N 结相互堆叠），主要优点是在小区域/小尺寸内提供高功率激光输出，这使其 成为远程激光雷达的首选技术。从供应厂商来看，欧司朗的 EEL 光芯片在汽车电子中获 主流应用，Lumentum 的 EEL 芯片则主要用于消费级别。VCSEL 芯片也具备激光雷达 所需的优良性质，同时制造工艺与 EEL 相兼容，大规模制造的成本较低。由于欧司朗掌 握着 EEL 光芯片的重要专利技术，其余光芯片厂商主要从 VCSEL 芯片寻求突破， Lumentum、Finisar、II-VI、长光华芯等国内外巨头在这一领域均有布局。 按波长划分，905nm 为激光雷达光芯片首选波长。905nm 激光器可搭配硅基光电探 测器来接收激光，因为根据前述光谱响应曲线，硅能在 905nm 波长处吸收光子；而 1550nm 激光器则需 InGaAs 探测器，后者的成熟度较低且成本更高。此外，由于当前 VCSEL 光芯片下游领域中消费电子占主体，故其制造厂商的产能以 940nm 居多。在车 载激光雷达尚未放量之际，为节约成本，部分厂商也将 940nm 的 VCSEL 激光器用于激 光雷达，其可在短距雷达中发挥效力。

在半导体激光器之外，1550nm 光纤激光器亦得到关注。上述 EEL、VCSEL 光芯片 均属于半导体激光器，以半导体材料为泵浦源；光纤激光器则是另一种固体激光器，以 光作为泵浦源，换言之，半导体激光器除了直接发光外，还可作为其泵浦源。由于 1550nm 远离人眼吸收的可将光波长，相较于 905nm，同等功率的 1550nm 能使对人眼的安全性 提升40倍，故可用更大的功率来提升穿透能力。此外，1550nm配合调频连续波（FMCW） 技术不仅可检测距离，还可利用多普勒频移来测量物体速度。但相较于主流的 905nm 激 光雷达，1550nm 的激光器与探测器的成本更高、体积更大、供应链成熟度较低，这些 为其广泛应用增添了成本。我们预计 1550nm 未来将与 905nm 激光器共存，其主要用于 以安全性为核心卖点、价位和品牌定位较为高档的车辆，或是用于重卡等有特殊定位的 车辆。根据 Yole 统计，2021 年 905nm/1550nm 所占市场份额分别为 69%/14%。

2.5.3. 激光雷达光芯片市场规模

基于对乘用车激光雷达市场规模的测算、不同扫描方式激光雷达市场占比、不同激 光雷达中光芯片+探测器光芯片成本占比数据的搜集，2022-2025 年车载激光雷达领域光芯片的市场规模得以测算，我们预计 2025 年全球激光雷达市场创造的光芯片市场规模 为 12.31 亿美元（包含激光器与探测器）。这一测算包含两个假设：①扫描方式的演进： 机械式激光雷达的份额将逐渐减小，半固态式、固态式份额上升；②激光反射、探测单 元在激光雷达中的成本占比变化幅度较小。

3. II-VI、lumentum 复盘：光芯片和器件龙头的成长之路

3.1. Lumentum：消费电子 VCSEL 龙头，车规彰显实力

Lumentum 是一家专业的激光器厂商，拥有全球领先的 VCSEL 技术、EEL 技术和 光通信激光器技术。其发展历史可追溯至 1979 年成立的光传输产品供应商 Uinphase。 1999 年，Uniphase 与另一家成立于 1981 年的光纤网络产品供应商 JDS Fitel Inc.合并为 JDSU，成为全球光网络领域的领导者。2015 年，Lumentum 从 JDSU 中分离出来，成为 一家独立的上市公司，并继承商业光学业务。Lumentum 主要分为光通信和激光器两大 业务部门，主要产品类型包括光芯片、光器件、光模块、商用激光器等，产品应用领域 涵盖电信、数通、消费和工业等板块，客户包括苹果、Cisco、Amazon 等国际龙头企业。

Lumentum营业收入近年来整体呈现增长趋势，FY16-FY22营收CAGR为11.3%。 FY2022 公司营收同比-0.02%为 17.1 亿美元，其中营收比重较高的光通信业务同比-6.3% 至 15.2 亿美元，主要系电信产品材料和部件短缺所致，光通信业务的收入下降也导致公 司 FY22 营收的下降，激光器业务同比+59.0%至 1.9 亿美元，主要系复工复产后客户对 千瓦级光纤激光器的需求恢复。

除 FY2019 收购 Oclaro 带来净利润的短期承压外，公司利润水平近年来呈现出稳 中向好的发展趋势。FY2022，公司实现归母净利润 4.2 亿美元。毛利率处于较高水平， 并已实现连续4年增长，FY2022达到46.05%，净利率则由于研发费用的增长而在FY2022 出现一定下滑。公司注重技术创新，研发费用率长期维持在较高水平。FY2022，公司研 发费用率为 15.5%，同比+3.2pct。 公司前瞻布局 VCSEL 产品及 3D 传感，在 VCSEL 产品市场形成领先优势。2005 年和 2007 年，JDSU 分别收购了 Agility Communication,Inc 和 Picolight,Inc，为公司带来 了面向企业、数据中心和 3D 传感等领域 VCSEL 产品的重要技术，也拓展了 Lumentum 光通信和激光器业务的深度和广度。早在 2010 年，Lumentum 就开始布局 3D 传感市场， 截至 2020 年，已累计发货超过 8.5 亿颗 3D 激光器芯片，其中 EEL 5000 万颗，VCSEL 超 8 亿颗。2017-2021 年，Lumentum 在 VCSEL 市场的份额均在 40%以上，VCSEL 产品也为公司带来大量营收。根据 Yole 提供的数据计算，2018 年 VCSEL 产品的收入 增速超过 100%，主要系 Lumentum 开始向苹果提供 VCSEL 芯片所致；2021 年，公司 的 VCSEL 产品市场规模达到 5.2 亿美元。

智能手机人脸识别功能改写 3D 传感行业格局，为 Lumentum 的 VCSEL 产品带来 广阔市场。2017 年之前，3D 传感主要应用于工业传感、激光打印、光学鼠标等。2017 年 11 月，苹果公司发布的 iPhone X 产品放弃了触摸式指纹解锁（Touch ID），开创性地 采用 3D 人脸识别（Face ID），并通过搭载 VCSEL 实现人脸识别功能，iPhone X 因此成 为全球首款大规模使用 3D 传感功能的消费电子终端。在此之后，整个产业生态快速成 熟，3D 传感在人脸支付、虚拟现实（VR）、安防监控和机器人等市场领域陆续得到应用， VCSEL 户外使用波长稳定的特性也为使其成为移动 3D 传感的热门选择。

自 2018 年向 iPhone 提供 VCSEL 芯片以来，苹果就成为 Lumentum 的第一大客 户，来自于苹果的收入份额稳定在 20%以上。2020 年，苹果发布的新款 iPad 和 iPhone 首次搭载了基于 dToF 的激光雷达，其中可寻址 VCSEL 阵列由 Lumentum 提供。根据 计算，FY18-FY22，Lumentum 来自苹果的收入分别为 3.7/3.3/4.4/5.3/4.9 亿美元。 Lumentum 常采用合作的方式拓展 VCSEL 市场，与其他领域的头部企业共同开发 具有市场前景的产品。从应用场景看，侧重于 3D 传感和汽车激光雷达。此外，Lumentum 也长期采用并购和产品开发提高在光芯片市场的核心竞争力。

Lumentum 股价整体呈上升趋势，下游市场景气度、收购信号的发布以及产品供 应形势的变化是 Lumentum 股票价格影响的主要因素。

3.2. II-VI：光芯片+碳化硅，持续收购注入增长动能

II-VI 公司成立于 1971 年，并于 1987 年在纳斯达克上市，是工程材料和光电元件 的全球领导者。2022年7月，II-VI完成对Coherent的收购，合并后的公司更名为Coherent， 并重新划分了材料部门、网络部门和激光部门，我们将重点分析收购 Coherent 前的业务 情况。II-VI 产品体系健全，下游市场广阔。2019 年 II-VI 收购 Finisar 后，公司将激光 解决方案、光子学和性能产品重新整合，形成光子学解决方案和化合物半导体两大部门。

主要产品包括收发器、ROADM、工程材料、先进光学设备、激光设备和系统，等 等。公司生产的工程材料、光电元件和器件在通信、工业、汽车、半导体资本设备、生 命科学、航空航天及国防、消费电子等领域得到广泛应用，各事业部均积累了大量的优 质客户资源。截至 2022 年，II-VI 已在全球 24 个国家的 130 个地区建址，全球员工数量 超过 28000 名。 持续增长的营收规模是 II-VI 的一大亮点。从 II-VI 长期营收数据看，从 1995 年至 今的 28 年以来，除 FY2002 和 FY2009 外，公司营收规模持续增加，FY2001 突破 1 亿 美元，FY2018 突破 10 亿美元，FY2022 实现 33.2 亿美元营收。FY1995-2008 营收 CAGR 为 20.5%，FY2009-2022 CAGR 为 20.6%。II-VI 能在近 30 年时间持续稳定增长，重要 原因在于长期外延并购，并以此获取关键产品和技术，抓住市场机遇，实现竞争优势。

II-VI 公司成长的重要阶段始终伴随关键并购的发生。自 1995 年起，公司就开始了 “外延并购”的历程，并将并购视作实现公司长期发展的重要战略： （1）II-VI 在 20 世纪末完成两项收购（Virgo Optics、Lightning Optical），帮助公 司拓展了微型光学器件市场，两项收购也帮助 II-VI 在 1997 年实现 5270 万美元的收入， 几乎是 3 年前收入总额的三倍； （2）2001 年，II-VI 收购了一家生产用于工业和军事二氧化碳激光器的公司 Laser Power，该公司近一半的销售额都来自与军方的合同。通过对 Laser Power 收购，II-VI 顺 利开拓了国防军事领域市场，使公司在 2001 财年的收入增加了 66%； （3）2004 年 12 月，II-VI 签署了对 Marlow 公司的收购协议，巩固了公司在光学 和光电元件方面的领先地位，并带来未来数年营收的持续增长； （4）2009 年 12 月，II-VI 收购了中国激光机光学产品生产商 Photop（高意），该 公司在光电产品与系统模块、消费电子等业务上具有全球领先地位。此次收购开启了 IIVI 进军光通信市场的帷幕，帮助公司走出全球性的金融危机并在 FY2010 迅速扭转营收颓势，并带动 FY2011 收入增加 46%，此举也开拓了公司在中国的市场；（5）2014 年，II-VI 收购了 Laser Enterprise 和 Network Solutions 公司，加之受 益于全球光通信市场的需求扩张，FY2014 公司营收实现快速增长； （6）2019 年 9 月，II-VI 收购了全球光通信领域巨头 Finisar，有效拓展了化合物 半导体和光子学解决方案平台。Finisar 拥有适用于 3D 传感和激光雷达的领先 GaAs 平 台，在收购时已具备 25G、100G、400G 数据中心收发模块、940nm DFB 激光器、VCSEL 阵列等产品的生产能力。在完成对 Finisar 收购后，II-VI 营收曲线陡升，收入体量得到 显著扩大，FY2020 营收规模达 23.8 亿美元，增速为 75%，开创历史新高； （7）2022 年 7 月，II-VI 完成对 Coherent 的收购，II-VI 在材料方面的技术知识与 Coherent 在激光系统方面的规模形成互补，增添了公司业务类型的多样性，并很大程度 拓展了公司的经营规模，进而实现公司在材料、网络和激光领域的全球领导地位。

收购信号的释放是 II-VI 公司的股价变动的一个重要因素。从 II-VI 长期的股价表 现来看，当宣布进行收购时，通常能够带来公司股价短期的回升。此外，下游行业（如 数通市场、3D 传感等）的市场景气度也会对公司股价产生较为显著的影响。近年来公 司完成了多项大型收购，股价波动较为明显。

II-VI 公司的毛利率、净利率长期保持稳定。公司毛利率长期保持在 35%以上的较 高水平，除 FY2020 由于收购 Finisar 产生收购费用造成净利润为负外，公司净利率长期 保持在 7%左右。FY2022，公司毛/净利率分别为 38.1%、7.1%。从研发费用率曲线的走 势来看，公司对产品和技术开发的重视程度在不断提高。FY2020，公司加大了对 5G 技 术、3D 传感、磷化铟、激光雷达等新兴市场产品的开发力度，研发费用率达 14.3%，为 历史最高水平，FY2022 研发费用率为 11.4%。根据公司公告，截至 2022 年 7 月，II-VI 工程和技术员工超过 4400 名，专利数量超过 3000 份。

3.3. 商业模式探讨：需求变化快、盈利不稳定，把握上行周期

光通信行业的需求端存在明显的“脉冲式”特征，各阶段光芯片的需求重心不一致， 相关企业的盈利情况受市场刚性需求的影响较大。以源杰科技为例，2020 年我国 5G 基 站大幅建设并积极采用 25G 光芯片，公司抓住了发展机遇，2020 营收同比增长高达 187%， 而当 2021 年 5G 基站调整为 10G 光芯片方案后，同年公司收入出现下滑。2017 年底苹 果采用 VCSEL 芯片实现人脸识别功能后，苹果占 Lumentum 营收份额迅速飙升至 30%， 也能在一定程度上体现光芯片行业的需求脉冲性。 在 4G 基站大规模建设、5G 基站大规模建设、数据中心大规模建设三个明显的阶段 中，II-VI、Lumentum 股价也随市场需求重心变化呈现出“脉冲式”特征，在三个阶段 的初期，股票价格都会迎来上升期，随着市场成熟，竞争加剧，股票价格会出现一定程 度的波动和下降。

另一方面，当前下游光模块的市场驱动力已从骨干网络建设、光纤入户转变为数据 中心的建设需求。具体来看，数据中心市场也存在需求迭代，目前正处于需求升级的关 键时期。国内外互联网公司对光模块的速率要求从 100G 升级至 200G/400G，相应地， 数通领域的光芯片速率正从 25G 向 50G 迭代，50G 及以上高速率光芯片正处于上行期，相关产品需求预计将呈现迅猛增长。

光芯片和光通信器件毛利率通常呈现出先升高后降低的趋势。在新产品刚研制完成 时，由于工艺水平尚不成熟，加之产品良率较低，毛利率也相对不高；随着技术水平的 提升和产能的提升，毛利率迎来增长期；此后相关产品的市场竞争日趋饱和，毛利率将 出现回落。因此，为实现长期良好的利润水平，光芯片公司需要持续开发契合市场需求 的产品，把握利润水平的上行期。 产品开发需要投入一定成本，市场开拓和客户关系的确立也需要花费一定时间，若 在市场释放新的需求信号后再开发新产品，可能会错过上行期，即当产品最终投入市场 时，产品的利润水平可能已处于回落阶段。因此，具备一定资金实力的企业会选择通过 并购的方式快速获得技术、产品和客户资源，以此赶上上行期。由此，光芯片厂商欲实 现长期成长，可通过持续的并购和技术研发开启良性的成长循环，注重“战略适配性” 以更好地迎合市场需求。II-VI 和 Lumentum 均采用了该发展逻辑，通过持续的战略收购 和产品开发应对光通信行业的“脉冲性”特征，实现了行业内领先的成长能力。

产品体系健全度和产业链整合能力也是影响光通信企业增长稳定性的重要因素。 II-VI、Lumentum 以及国内领先光芯片厂商源杰科技纷纷采用 IDM 设计生产模式， 在该模式下，芯片设计、制造、封装到测试都由制造商负责，进而可实现对整个产业链的覆盖。我们认为，光芯片厂商采用 IDM 模式，能够（1）有效发挥核心材料供应链运 营联动，弱化供应商原材料供应对生产经营的约束，同时占据供应链多生态位也削弱了 “牛鞭效应”对公司产能规划和库存管理的影响，保障公司增长的稳健性；（2）设计、 制造、封装全环节协同优化，保证产品从设计到制造环节的一体性，降低产品良率下滑 对公司业绩的影响；（3）IDM 厂商产品速率更快，增强了企业抵御市场波动和需求变化 的能力，保障企业增长的稳定性。 II-VI 和 Lumentum 都拥有丰富的产品体系和广阔的下游市场。从方式上看，两家 公司都采用了收购来拓宽产品体系。II-VI 近期收购了 Coherent，Lumentum 则收购了 NeoPhotonics，尽管在收购完成后 II-VI 的业务结构更加分散，而 Lumentum 则更加集中， 但收购行为无疑都拓宽了公司的产品和市场。我们认为，提升产品体系丰富度，能够： （1）通过多样化的产品种类布局满足客户差异化需求，拓展了公司的下游市场，多元化 的收入来源平衡了光通信行业需求“脉冲性”造成的收入及利润变动，提升公司的运营 稳健型；（2）丰富的产品结构也提高了公司为客户提供系统解决方案的能力和对客户需 求变化的响应能力，为公司带来潜在的发展和增长机遇。

4. 国产化展望：远期趋势确定，立足光通信，切入车规

4.1. 政策扶持，光芯片国产化稳步推进

国内光芯片企业正加速研发进度，光芯片国产化趋势保持乐观。光芯片的国产替代 呈现出“从下游向上游传导，从低端向高端过渡，政策手段有效扶持”的特征。

（1）从下游向上游传导： 在光通信产业链中，下游国内头部光模块厂商已具备较强实力和较大规模。据 Lightcounting 统计，2010 年全球十大光模块厂商中国内厂商仅有 1 家，2021 年有 5 家 国内光模块厂商跻身 TOP10，其中旭创科技与 II-VI 并列第一位。我国光模块龙头企业 的全球市场竞争力突飞猛进，海外厂商逐渐趋于劣势地位，光模块国产替代已基本完成。

2021 年跻身全球十大光模块厂商的 5 家国内企业都着力布局光芯片，产业链纵向 布局。①中际旭创全资子公司苏州旭创 2021 年开始“激光器芯片技术”研发，包括 DFB、 EML、VCSEL 芯片技术、50G PAM5 技术等；②华为早在 2013 年便通过收购比利时硅 光子公司 Caliopa 进入光芯片市场；③海信宽带旗下芯片事业部具备业内领先的从外延 生长到激光器芯片整个链条的制造工艺能力，2021 年芯片的展品包括 10G/25G DFB、 25G LAN-WDM/ MWDM/ CWDM DFB Chips、56Gbaud PAM4 EML、10G/25G Tunable、 High Power 等激光器芯片；④新易盛完成了对 Alpine Optoelectronics 的收购，并借此深 入硅光子芯片技术的市场竞争。⑤光迅科技已实现 10G 及以下光芯片批量供货，25G 光 芯片规模出货，目前正加大研发力度，稳步提升 25G 光芯片产品工艺。 我们认为，随着国内光模块厂商全球份额持续提升、光芯片技术不断成熟及光模块 应用领域拓宽，国内光芯片产业链有望进一步优化整合，随之迎来国产替代机遇。

（2）从低端向高端过渡：中低速率光芯片（10G 及以下）：国内厂商占有较高市场份额，由于成本竞争等因 素，相关市场已基本被我国光芯片产品厂商替代，国内光芯片厂商具备较强竞争力。根 据《光通信用光芯片市场调查报告 2020》，10G 及以下速率光芯片已基本实现替代，用 于接入网 PON 模块的 10G 及以下速率的光芯片已实现几乎 100%的自主供应，10G DFB激光器芯片、PIN PD 探测器芯片、VCSEL 芯片均已实现完全国产化替代。源杰科技公 司公告中也指出，我国光芯片企业已基本掌握 2.5G、10G 光芯片核心技术，除少数技术 门槛较高的产品型号对进口存在一定依赖外，已基本实现国产化。国内已涌现出源杰科 技、中科光芯、仕佳光子、武汉敏芯、云岭光电等企业，在部分中低速率光芯片产品的 市场中占据了较高份额。 高速率光芯片（25G 及以上）：国产化率仍处于较低水平，国内头部厂商已先后开 展研发生产，市场参与度有待进一步提高。根据 ICC 统计，2020 年 25G 光芯片国产化 率约为 20%，25G 以上光芯片国产化率则低至 5%。随着数通市场的持续繁荣，目前国 内厂商正加速 25G 及以上光芯片的开发节奏。近年来，国内头部厂商的高速率芯片进展 态势乐观，源杰科技、光迅科技、仕佳光子、云岭光电、武汉敏芯等企业已具备 25G 及 以上部分光芯片产品生产能力。

（3）政策手段有效扶持： 国家对光电子技术产业给予了高度重视，政策措施持续聚焦光芯片及其下游应用领 域的发展。“东数西算”战略的逐步落地，“5G 建设”的持续投入，有效推动了国内数通 和电信市场的发展，从产业链下游为国内光芯片市场注入了强大动能，对光芯片开发的 直接推动政策和相关要求也持续发布，我国光芯片厂商正逐步缩小与海外厂商的差距。 与此同时，工信部于 2022 年 6 月启动了《中国光电子器件产业技术发展路线图（2023- 2027 年）》的编制，预计未来国家政策将持续高度重视光电子技术产业，光芯片产业生 态圈有望进一步拓宽。

4.2. 相关公司梳理

4.2.1. 长光华芯：平台型激光芯片龙头，VCSEL 布局领先

长光华芯专注半导体激光芯片、器件及模块等激光行业核心元器件的研发、生产与 销售，是半导体激光行业全球少数具备高功率激光芯片量产能力的企业之一。公司于 2018 年成立 VCSEL 事业部，依托 IDM 模式在国内率先建立 VCSEL 芯片 6 吋线，并于 2020 年推出 VCSEL 光芯片，建立了针对 VCSEL 及光通信芯片的完整工艺线，为客户 提供 VCSEL 芯片的技术开发服务。当前，公司的 VCSEL 芯片产品包含 PS、TOF、SL 系列、波长涵盖 808nm、850nm、940nm，电光转换效率最高可达 60%以上。 公司营收长期维持高速增长，18-21 年 CAGR 达到 66.9%，主要受益于半导体激光 芯片赛道需求快速增长。VCSEL 产品营收体量尚小，2021 上半年为 189 万元，占比 1.89%。

公司综合毛利率稳定在 50%左右，其中 VCSEL 芯片毛利率维持在 60%以上。随着 公司在 VCSEL 芯片市场的进一步拓展及份额的提高，公司综合毛利率有望进一步提升。

4.2.2. 光迅科技：光电器件及模块巨头，产业链布局构建核心竞争力

光迅科技成立于 2001 年，2009 年在深交所上市，成为国内首家上市的光电子器件 公司。公司于 2013 年收购丹麦光芯片公司 IPX，于 2016 年收购法国 Almae，通过持续 的并购整合和技术积累，形成了面向电信市场和数通市场的从芯片、器件、模块到子系 统等垂直集成能力。根据《证券日报》援引公司领导的说法，光迅科技目前实现了 10G 及以下速率光芯片批量供货、25G 光芯片规模出货，其中 25G VCSEL 基本可以自供， 25G DFB 约 60%可以自供。 打通“芯片-器件-模块”产业链，光迅科技营收和利润保持了长达 10 余年的稳定成 长。公司在光芯片产业链各个环节都有投入和参与，营收体量一直保持增长态势，近年 来增速维持在 10%左右，2021 年营收规模达 64.9 亿元；另一方面，公司的毛利率 10 余 年来一直保持在 20%-25%范围内，净利率则稳定在 7%左右。公司已成为光通信行业的 全球龙头，根据 Omida 统计，截至 2021 年三季度，公司的全球市场占有率为 7.8%，排 名位居全球第四。

4.2.3. 源杰科技：聚焦光芯片开发，把握数通市场上行期实现快速增长

源杰科技成立于 2013 年，主营业务为光芯片的研发、设计、生产与销售，已建立 了包含芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试的 IDM 全流程业务体系。 公司持续推出激光器芯片产品：①2013 年，推出 2.5G 1310nm DFB 作为第一款产 品；②2016 年，首次推出 10G DFB 激光器；③2019 年，推出无线和数据中心 25G DFBCWDM/LWDM 产品；④2020 年，推出硅光大功率 CW 激光器产品；⑤2021 年，完成 开发 50G DFB 产品。当前，公司的主要产品包括 2.5G、10G 和 25G 及更高速率激光器 芯片系列产品等，产品体系涵盖 2.5G 到 50G 磷化铟激光器芯片，主要应用于光通信行 业，主要包括光纤接入、4G/5G 移动通信、数据中心三大下游领域，其中，25G 及以上 光芯片主要应用于数据中心。

在中低速率及 25G 光芯片市场中，公司已形成一定的规模，在国产光芯片厂商中 具备领先优势：（1）根据 ICC 统计，2021 年公司 2.5G 及以下 DFB/FP 激光器芯片、10G DFB 激光器芯片发货量在全球市场份额的占比分别为 7%、20%（全球第一）；（2）根据 C&C 统计，2020 年在磷化铟半导体激光器芯片产品对外销售的国产厂商中，公司收入 排名第一，其中 10G、25G激光器芯片系列产品出货量在国内同行业公司中均排名第一。

除 2020 年外，源杰科技数据中心收入与 25G 光芯片收入高度接近，结合数据中心 对光芯片的速率要求，可知当前公司 25G 光芯片最终应用场景为 100G 数通光模块。 数通市场上行期，公司业绩有望增厚。200G/400G 光模块前景广阔，公司 50G PAM 4 波段 DFB 激光器芯片已进入设计验证测试阶段，该产品可应用于 200G/400G 数据中 心，预计该产品的成功研发和商用推进将为公司带来新一轮的高增长。100G 光模块市 场较为成熟，短期无法完全被更高速率光模块替代，未来短期内公司仍有望通过 100G数通光模块市场获得可观收入。

4.2.4. 仕佳光子：从“无源+有源”走向光电集成

仕佳光子聚焦光通信领域，采用 IDM 模式布局芯片开发，具备有源和无源两大工艺 平台，主要光芯片产品包括 PLC 分路器芯片系列、AWG 芯片系列、DFB 激光器芯片系 列产品。2022 年前三季度，公司实现营收 6.85 亿元，同比增长 21.2%；归母净利润 0.67 亿元，同比增长 148.1%。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。「链接」

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