未來市場規模驚人的光晶片產業

在光器件中光晶片用於光電信號的轉換是核心元器件. 根據種類不同可分為主動光晶片和被動光晶片, 主動光晶片又分為發射端和接收端. 不同材料的亞穩態與基態能級差不同, 決定了雷射的發光波長不同, 結合光纖傳輸損耗窗口, 業界選擇 850nm/1310nm/1550nm 為主要發光波長.

光晶片遵循 Chip – OSA – Transceiver 的順序封裝; 雷射器晶片通過傳統的 TO (電晶體外型) 封裝 或新興的主要應用於短距離多模的 COB (晶體直接封裝) 封裝形式組成光模組 (Transceiver). 其中 TO 封裝需要先封裝成 TOSA (光發射次模組), ROSA (光接收次模組) 或 BOSA (單纖雙向次模組).

鑒於光晶片主要依附於雷射器, 可以根據不同類型的雷射對光晶片作如下分類, 按發光類型分為面發射與邊發射, 其中面發射型雷射主要為 VCSEL, 邊發射型雷射包括 FP,  DFB, EML 等. 按調制類型分為直接調制與外調制, 直接調制由電路直接控制雷射的開關, 其中最常見的是 DFB.

生產流程包括晶片設計, 基板制造, 磊晶成長, 晶粒制造四個環節;  晶片設計根據特定的晶片功能要求制作光電線路圖. GaAs/InP 材料經過精化處理制成基板. 基板和有機金屬氣體在MOCVD/MBE 設備裏長晶, 制成外延片.對外延片進行光刻等系列處理, 制成電路功能完整的可封裝晶粒.

在半導體行業發展中, 隨著矽基半導體產業和 GaAs 化合物半導體在射頻器件領域的大規模應用, 對應的 IC 產業分工開始逐漸細化, 晶片設計—磊晶成長—晶粒制作 (晶圓代工) 等專業廠商如雨後春筍般地出現,  如以台積電為代表的矽基晶圓代工大廠以及穩懋為代表的 GaAs 晶圓代工廠商.

IDM 廠商負責從晶片設計到經歷制作的全產業鏈制作, 目前超過五成的光晶片的磊晶和晶圓制作都由 Finisar, Lumentum 和 Avago 等把控. 隨著光晶片市場規模的拓展, IDM 廠商開始專注於晶片設計, 逐漸將磊晶制作和晶圓代工業務 交給第三方代工廠商, 如聯亞光電, IQE.

根據測算 5G 基站光晶片市場規模約為 4G 基站 2.8 倍左右. 與 4G 基站光模塊組場相比, 5G 基站的建設對光晶片的需求將持續提升.由於 5G 頻譜頻率上升, 信號穿透建築物的衰減較大, 建站密度與 4G 基站相比將更高. 從單基站光模組數看 5G 單個基站需要的光模組數有望達 8~10個, 也比 4G 基站多.

數據中心市場占整個光器件市場的近 1/3, 根據 LightCounting 2019 年數據中心光模組銷量有望超過 5000 萬個. 從應用場景看, 光晶片在數據中心主要可以分為兩類, 數據中心內部網路 (主要採用 VCSEL 晶片) 以及數據中心互聯網絡 (DCI, 主要採用 DFB/EML 晶片).

根據 IDC 預估安卓手機出貨量分別為約為蘋果手機的 5~6 倍. 繼 iPhone X 後安卓手機廠商陸續推出具備面部識別功能的智能手機, 有望成為提升 VCSEL 晶片需求的首要驅動力. 我們認為隨著面部識別功能在安卓手機中的滲透率逐漸提升, 市場對 VCSEL 晶片的需求量有望呈爆發式增長.

除了智能手機 3D 感應系統正向其多類消費電子產品逐漸滲透. 2018 年華立捷有望成為 AirPods 的獨家 VCSEL 供應商, 出貨 2600~2800 萬. 此外 iPad, Mac, AR 眼鏡等消費電子產品都有望用到 3D 感應系統. 隨著 VCSEL 在多種消費電子產品的滲透率逐步增大, VCSEL 晶片的市場規模有望進一步拓展.

矽光子技術的核心理念是以光代電, 將光學器件與電子元件整合到一個獨立的微晶片中, 利用雷射作為信息傳導介質, 提升晶片間的連接速度. 傳統 III-V 族半導體的光晶片將面臨並行傳輸, 成本高昂等問題. 在此背景下矽光子技術應運而生, 成為 III-V 族半導體之外的一大選擇.

IQE 公司在去年傳聞成為新 iPhone VCSEL 雷射器供應商後在短期內股價暴漲 400％! 據外資分析師分析 2019 年 IQE 的來自蘋果的營收就有望達到 5000萬美元. 目前公司仍是 iPhone 系列唯一已知的 VCSEL 外延片供應商. 據聞全新的 VCSEL 外延片已送樣有望成為 iPhone 第二家供應商.