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光芯片处于光通信产业链高点,技术壁垒高,突破需要时间积累

发布时间:2020-11-25  来源:立鼎产业研究网  点击量: 155 

光芯片是光模块中用于光电转换的核心部件,其作用是将接收到的光信号转化为电信号,然后再将经过处理后的电信号转化成为光信号输出。在发射端,其将电信号(0/1 二进制码)转换成光信号(0 对应于无光、1 对应于有光);在接收端,其将光信号还原为电信号,导入电子设备。光芯片的性能与传输速率直接决定了光纤通信系统的传输效率。

光芯片原理示意图


来源:公开资料

光芯片主要通过“Chip-OSA-Transceiver”的顺序进行封装,根据分装类型可以分为 TO分装或者多模 COB 分装,其中 TO 分装需要先封装成 TOSAROSA BOSA

光器件及光模块内部结构


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光芯片主要根据发光类型和调制类型可以主要分为 DFBEMLVCSEL 三种。

DFB:目前常用的直接调制激光器,是在 FP 的基础上通过内置布拉格光栅,使激光呈高度单色性,降低损耗,提升传输距离。

EMLEML 激光通过在 DFB 的基础上增加电吸收片(EAM)作为外调制器,啁啾与色散性能均优于 DFB,更适用于长距离传输。

VCSEL VCSEL 具有单纵模、圆形输出光斑、价格低廉和易于集成等特点,但发光传输距离较短,适用于 500m 内的短距离传输。

主要光芯片分类


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光模块迎来升级,光芯片成本占比快速提升。随着 400G 光模块逐渐部署,市场对于高速率光芯片的需求不断提升。从现有技术规格来看,400G 光模块主要分为 OSFP25GPAM4*8)、QSFP-DD50G NRZ*8)、CFP8 三种方案,其中采用 25G 光芯片的 OSFP 光模块制造难度较低,但是功耗较大。采用 50G 光芯片的 QSFP-DD 因其功耗较小,但由于其采用 50G 光芯片,制造难度和成本较高。

无论是哪一种模式,400G 对于高端、高速光芯片的需求都更加巨大,由于目前相关领域的光芯片基本由国外厂商把持,因此近年来,随着光模块的技术升级,光芯片的成本占比不降反升,从 10G 以下的低速光模块的 30%,上升至 25G 以上高速光模块的 60%以上。

光芯片占光模块成比重


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光芯片处于光通信产业链高点,技术壁垒高。从光器件产业链上看,主要可以分为晶圆,光芯片,光器件,光模块,光设备以及其它下游市场。其中,光芯片产业位于光通信产业链上游位置,且市场多为外国公司所占有。

光器件产业链


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光芯片制造流程复杂,工艺要求高。光芯片的制造过程可以分为芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造四个环节。其中,磊晶生成的外延片质量(Wafer)是决定光芯片性能的关键因素,且生成条件较为严苛,是光芯片制备的重要环节。磊晶生长主要有MOCVD MBE 两种方式。

MOCVD 方式主要以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和 V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种Ⅲ-V 族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

MBE MOCVD 相比更加先进,主要方法是在超高真空条件下,由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气,经小孔准直后形成的分子束或原子束,直接喷射到适当温度的单晶基片上,同时控制分子束对衬底扫描,从而生长出薄膜的技术方法,与 MOCVD 相比,MBE 可以加工原子级厚度的材料,但是技术难度更高。

光芯片技术瓶颈较高,突破需要时间积累。决定光芯片传输速率的是激光器开启与关闭的频率,频率越高,光芯片能够传输的速度越快。以高端的 25GB 光芯片举例,单个信号对应的时间仅为 0.04 纳秒。要达到如此高的开闭速度,光芯片厂商的技术水平面临巨大的考验。其中制约速率进步的因素主要有寄生效应和驰豫振荡。

寄生效应: 寄生效应:信号的传输本质上是电路中有/无电流的切换,当信号频率高,也就是电流切换速度快时,电感和电容引起的阻抗将使得电流无法快速切换,从而限制了信号转换的频率。当电流切换速度越快,寄生效应越发明显。

驰豫振荡:激光的输出是并不是一个平稳的过程,需要外部电流将输出的不平稳激光调制平稳,但是外部设备释放的调制电流越大,激光输出的不平稳性就越大。因此要在两者间达到平衡需要长时间的实验和技术积累。

分析认为,无论是光芯片上游的材料制备,外延生长,还是设计制造阶段所面临的寄生效应和驰豫振荡,都说明了光芯片传输速率的提升难度极大,需要较高的技术积累和足够的试错过程。因此,拥有高速光芯片成熟解决方案的企业竞争优势将进一步放大。因此,拥有高速光芯片成熟解决方案的企业竞争优势将进一步放大。

外企长期垄断高端光芯片,国产空间替代空间可期。近年来,我国光模块封装企业发展迅速,但是作为光模块核心器件的光芯片,却高度依赖国外企业。根据《中国光器件产业发展线路图(2018-2022)》显示,我国 10Gb/s 下的光芯片国产化率达到 80%10Gb/s速率的光芯片国产化率接近 50%,而 25Gb/s 及以上的速率的光芯片则高度依赖出口,国产化率仅 3%

光芯片国产率


资料来源:《中国光器件产业发展线路图(2018-2022)》

同时,国外主要光器件厂商都经历了重组与合并,行业集中度进一步提高的同时,在光芯片研制进度方面也进一步加速,随着 400G 光模块的进一步部署,国外顶尖厂商目前已经研发出了50G 甚至 60G 光芯片,并已经逐步投入商用。

 


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