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5G光通信芯片產業報告

發表日期:2019年3月19日   人氣:76   錄入:admin

5G市場伴隨著華為與歐美世界的安全爭論中逐漸到來,各地試點工作在2018年業已完成,華為折疊屏5G手機的發布再次驚艷全球,軟硬件產業鏈結合的5G市場將再次引領多個行業的發展。其中,光器件位于光通信行業的上游,通過核心光電元件實現光信號的發射、接收、波分復用和解復用等功能,是光通信系統的核心。作為源頭產業更是成為業界關注的重點。

一、5G光通信芯片技術簡介

21世紀初,由光纖之父-高錕起源的光纖通訊引領了世界范圍內的通訊熱潮。雖然光纖的發明是高速網絡發展的拐點,但是光器件在之后卻成為了光通信系統的核心。

圖表1 光電信號轉換示意圖


光芯片是光器件核心 元器件。在光器件中,光芯片用于光電信號的轉換,是核心元器件。根據種類不同,可分為有源光芯片和無源光芯片,有源光芯片又分為激光器芯片(發射端)和探測器芯片(接收端)。在發射端,光發射模塊將電信號(0/1二進制碼)轉換成光信號(0對應于無光、1對應于有光);在接收端,將光信號還原為電信號,導入電子設備。因此,光芯片的性能與傳輸速率直接決定了光纖通信系統的傳輸效率。其中,激光器芯片價值占比大,技術壁壘高,是光芯片中的“明珠”。根據基板(襯底)材料的不同,可將激光器芯片分為磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)、硅基(Si)等種類(見圖表)。

圖表2 光芯片的材料與種類


核心光芯片主要應用于光通信系統的發射端。鑒于光芯片主要依附于激光器,可以根據不同類型的激光器對光芯片作如下分類:

1)按發光類型,分為面發射與邊發射。其中,面發射型激光主要為VCSEL(垂直腔面發射激光器);邊發射型激光種類較多,包括 FPFabry–Pérot,法布里-珀羅激光器)、DFBDistributed Feedback Laser, 分布反饋式激光器)以及EMLElectroabsorption Modulated Laser,電吸收調制激光器)等。

2)按調制類型,分為直接調制與外調制。其中,直接調制(DMLDirectly ModulatedLaser)由電路直接控制激光的開關,其中最常見的是DFB。外調制則由外電路控制激光的開與關,其中較為常見的是在DFB激光器上添加電吸收調制器 EAM,形成EML

圖表3 面發射與邊發射激光器


隨著傳統的 FP 激光器芯片(損耗較大,傳輸距離短)在光通信領域的應用逐漸收窄,核心激光芯片主要有三種:DFBEMLVCSEL

1DFB是最常用的直接調制激光器,是在FP的基礎上通過內置布拉格光柵,使激光呈高度單色性,降低損耗,提升傳輸距離。目前,DFB激光主要應用于中長距離傳輸,主要應用場景包括:FTTx  接入網、傳輸網、無線基站、數據中心內部互聯等。

2EML激光通過在DFB的基礎上增加電吸收片(EAM)作為外調制器,啁啾與色散性能均優于 DFB,更適用于長距離傳輸。EML的主要應用場景主要有:高速率、遠距離的電信骨干網、城域網和數據中心互聯(DCI網絡)。

3VCSEL具有單縱模、圓形輸出光斑、價格低廉和易于集成等特點,但發光傳輸距離較短,適用于500m內的短距離傳輸。主要應用場景有:數據中心內部、消費電子領域(3D )。

二、產業現狀

(一)供應鏈現狀

在光模塊產業鏈中,光芯片處于核心地位,具有高技術壁壘,成本占比接近50%且有提升趨勢。相較于電芯片,目前光芯片市場規模較小,分工程度有限,垂直一體化的IDM廠商市場份額超過50%。但伴隨VCSEL芯片的消費電子市場打開,芯片市場規模加速擴展,分工程度有望提升,第三方代工模式逐漸興起。

從光器件產業鏈看,主要環節為光芯片、光器件、光模塊、光設備,最終應用于電信市場、數據中心市場及消費電子市場。其中,光芯片處于產業鏈的核心位置,具有高技術壁壘,占據了產業鏈的價值制高點。

圖表4 光通信產業鏈

在半導體行業發展中,隨著硅基半導體產業和GaAs化合物半導體在射頻器件領域的大規模應用,相應的IC產業分工開始逐漸細化,芯片設計—磊晶成長—晶粒制作(晶圓代工)等專業廠商如雨后春筍般地出現,如以臺積電為代表的硅基晶圓代工大廠以及穩懋為代表的 GaAs 晶圓代工廠商。光器件行業的發展也遵循類似的規律,目前主要有兩類光芯片制備廠商:垂直一體化的IDM廠商以及第三方代工廠商。

圖表5 光芯片產業鏈分工及主要供應商

光芯片屬于技術密集型行業,具有極高的技術壁壘和復雜的工藝流程。因此,光芯片在光器件/光模塊中成本占比較大。此外,隨著芯片速率的提升,制備難度增大,成本占比或進一步提升。一般情況下,對于低速率光模塊/光器件(轉換速率小于10Gbps),光芯片的成本占比約為30%左右;而對于高速光模塊/光器件(調制速率大于 25Gbps),芯片的成本占比約為60%左右。例如,全球數通光模塊龍頭中際旭創(公司主力產品為100GQSFP28,采用25G光芯片),整體光芯片及組件成本占比在50%左右。

圖表6 光芯片在光器件中的成本占比

(二)市場端現狀

從細分市場看,光芯片主要應用于電信市場、數據中心市場、以及消費電子市場。其中,電信市場主要應用于傳輸網、接入網以及無線基站,市場份額占比約60%左右;數據中心市場主要應用于數據中心內部互聯、連接數據中心間的 DCI 網絡,市場份額占比約30%左右;消費電子市場主要包括手機3D感應系統(內含VCSEL芯片),市場份額占比約10%左右。

圖表7 國內光芯片市場規模

   在不考慮消費電子 VCSEL 激光市場規模的情況下,2015年中國光器件市場規模為16.2億美元,到2020 有望達到26.8億美元,增長65.4%。若考慮消費電子VCSEL激光器,國內光芯片市場從2018年開始將加速拓展。我們預計光芯片在光器件的成本占比為50%2015—2020年間國內光芯片市場規模有望從2015年的8.1億美元增長到2020年的21.4億美元,年均復合增長率高達21.4%

從電信市場看:有線方面,傳輸網擴容愈加緊迫,城域網100G逐漸下沉;接入網由GPON/EPON10GPON升級。無線基站方面,目前正處于4G建設后期,需求相對疲軟。隨著5G基站大規模建設逐漸開啟,有望迎來5G高增長機遇。

2015年起,4G基站建設整體進入中后期,近兩年需求有所下滑。2020年,5G規模商用開啟,有望再次拉動對光模塊的需求,市場空間超45億美元,按照芯片成本占比50%估算,市場空間超20億美元。根據測算,5G基站光芯片市場規模約為4G基站2.8倍左右。與4G基站光模塊市場相比,5G基站的建設對光芯片的需求將持續提升:(1)從基站數量看:由于5G頻譜頻率上升,信號穿透建筑物的衰減較大,建站密度與4G基站相比將更高。

圖表8 光芯片應用于 4G 5G 基站的對比

2017年全球數據中心數量達到840萬座,其中美國占據全球近一半的數據中心,成為過去幾年數據中心市場增長的主要驅動力。2012—2017年,全球IDC市場規模的復合增長率為15.94%;同期,中國IDC市場規模的復合增長率高達35.02%,高于全球增速19.08 個百分點。2017年,中國IDC市場規模達946.1億元。

圖表9 全球數據中心市場規模和中國數據中心市場規模

從消費電子市場看:消費電子市場規模有望極大拓展,VCSEL成為3D感應核心組件。3D感應技術是面部識別的核心,其目的是創建一種非接觸、非破壞性方式來數字化捕捉對象的技術,從而精確記錄被捕捉對象的形狀、距離等參數。VCSEL激光憑借其線寬窄、功耗低等特點,成為3D感應系統的首選紅外光源,VCSEL芯片也成為3D感應系統的核心組件。

預計,20203D感應功能在蘋果手機的前置攝像頭滲透率有望達到95%以上,VCSEL芯片的需求量有望達到2.45億只;后置攝像頭的 3D 感應滲透率有望達到 50%VCSEL芯片的需求量為1.29億只。經綜合計算,2020年蘋果手機對VCSEL芯片的需求量有望達到3.74 億個。

預計,到2020VCSEL在安卓手機的前置攝像頭滲透率有望達到50%,后置攝像頭的滲透率有望達到30%。經綜合計算,安卓手機對VCSEL芯片的總需求量有望達到11.54億個。VCSEL芯片的市場規模有望從2017年的0.58億美元增長到2020年的22.92億美元,年均復合增長率高達241.6%

圖表10  VCSEL芯片在消費電子市場規模

三、產業趨勢

國內高速光芯片國產化率較低,已成為我國光器件的“阿喀琉斯之踵”。目前,高速光芯片核心技術主要掌握在美日廠商手中。2018 1月,工信部頒布《光器件產業發展路線圖》,將光芯片國產化上升為國家戰略。而中美貿易摩擦與中興禁售事件或將促使我國加大力度扶持高速光芯片,國產化進程有望進一步提速。

圖表11  芯片國產化情況

   2016年,在全球光器件市場份額排名前10的廠商中,美日公司占據9個席位。以FinisarLumentumAvagoOclaro 等為首的北美企業與日本企業在高速光芯片方面占據了技術制高點。國內,目前僅光迅科技具備高速光芯片批量生產能力。其 10GDFB/VCSEL已批量出貨,且25GDFB/EM等有望年底出貨。

光芯片與光器件產品種類多且升級更新快,在市場規模既定的情況下單個產品的市場空間有限。與此同時,不同產品的細分使廠商不斷尋求差異化競爭,在某一細分領域精耕細作,這也是市場集中度難以提升的一大因素。

四、總結

光通信芯片獨立于通信標準制定。從硬件出發,不需要通過國際通信組織的投票決議審核其制造標準,性能優秀的光通信芯片可以完全成為行業龍頭產品,避免成為華為通信標準領頭失敗的另一案例。在5G通信浪潮到來的時候,光通信芯片將成為隱藏的熱點,無論產品利潤還是科創企業,都可能從中受益巨大。
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