通信行业深度研究：硅光深度报告，光通信仅土壤，消费需求才是未来.pdf

行业 报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 1 通信 证券 研究报告 2018 年 09 月 15 日 投资 评级 行业 评级 强于大市 (维持 评级 ) 上次评级 强于大市 作者 唐海清 分析师 SAC 执业证书编号： S1110517030002 tanghaiqingtfzq 姜佳汛 联系人 jiangjiaxuntfzq 资料 来源： 贝格数据 相关报告 1 通信 -行业研究周报 :中兴经营恢复运营商集采快速落地，长期看好通信 5G大趋势 2018-09-09 2 通信 -行业研究周报 :中报完毕光通信等龙头业绩亮眼，长期看好 5G 大趋势 2018-09-02 3 通信 -行业研究周报 :5G 频段 9 月落地，各地配套政策出台，长期看好通信板块 2018-08-26 行业走势图 硅光 深度报告 ，光通信 仅 土壤 ，消费 需求才是未来 硅光技术经过多年发展，已经进入产业化阶段， 在电信和数据中心市场实现 小批量的 应用。 硅光技术基于波导理论等基础理论，随着材料科技和设计工艺的持续突破，产业链已进入产业化阶段，在数据中心短距离 100G 光模块、电信长距离相干光模块等领域实现 小批量 应用。产业链形成类似半导体的格局，有设计 -生产 -封测一体化的 IDM 模式（代表性厂商为 Intel），也有 Fabless 模式（设计和封测厂商有 Luxtera、 Acacia、 SiPhotonics、光迅科技等；代工厂商有Global Foundries、意法半导体、台积电等）。 硅光技术理论上具备成本优势，但由于 工艺成熟度 和 良率仍 待提升 ，实际成本 优势并未体现 ，传统工艺成本也在持续优化 ，形成 硅光 与传统分立光模块同场竞技格局。 硅光技术在 PSM4 模块能够节省较多芯片成本，其他产品上只是集成度有所优化，成本优势有限。同时，硅光技术在封装环节仍有技术难点需要突破，产品良率不及传统模块厂商，进一步影响成本优势。目前硅光模块相对传统分立光模块并未体现 明显成本 优势， 下游客户仍需较长认证和认可周期，传统分立光模块份额优势明显， 成本持续优化， 未来仍将保持可观市场空间。 光通信传统应用领域稳步增长，硅光技术在其中有望分享部分份额，成为硅光产业链发展的基础。 目前光模块 主要应用领域为电信和数据中心信息传输。受益流量持续高速增长，以及 5G 密集组网等新需求的显现，光通信领域对光模块的需求量稳步增长，同时光模块处于 10G 向 100G、 100G 向 400G 升级的迭代周期，高速产品价值量 不断提升，推动整体光模块市场规模持续增长。硅光技术作为逐步成熟的高集成度技术方案，在光通信市场逐渐获得一定市场份额，光通信市场为硅光产业链发展壮大提供了良好的基础。 但为实现 CMOS 工艺的规模效应，消费电子、智能驾驶、量子通信等消费类需求将是硅光长期重要发展空间。 相比半导体千亿美元的市场，光通信 100 亿美元的市场空间和 10 亿美元级别的芯片市场空间远远不能体现硅光 CMOS 工艺的成本优势。但硅光的高集成度非常契合消费类应用场景，在结构光面部识别、车载激光雷达、量子通信等领域有广阔应用空间，相关技术和产品方案已经逐步推出，期待消费类需求最终落地。 投资建议 ： 国内 数通 硅光发展迅猛 ： 光纤光缆龙头亨通光电子公司亨通洛克利 100G 硅光芯片落地，光模块 18 年底有望量产 ； 传统数通厂商中长距离仍有显著优势： 数通龙头中际旭创聚焦 2KM 中长距离产品，受硅光竞争较小，坚定看好公司长期发展前景。 电信长距离 核心 技术 突破 ： 光模块龙头光迅科技推出 100G 相干硅光芯片，产业化进程迅速推进；波分龙头博创科技子公司上海圭博承担“上海硅光市级重大项目”产业化建设，同时布局硅光产品研发 。 风险 提示 ： 技术研发风险、贸易战超预期、运营商资本开支低于预期 重点标的推荐 股票 股票 收盘价 投资 EPS(元 ) P/E 代码 名称 2018-09-14 评级 2017A 2018E 2019E 2020E 2017A 2018E 2019E 2020E 600487.SH 亨通光电 23.31 买入 1.11 1.73 2.30 2.85 21.00 13.47 10.13 8.18 300308.SZ 中际旭创 42.94 买入 0.34 1.53 2.52 3.25 126.29 28.07 17.04 13.21 002281.SZ 光迅科技 26.14 增持 0.52 0.46 0.65 0.85 50.27 56.83 40.22 30.75 300548.SZ 博创科技 32.00 增持 0.97 0.75 1.19 1.69 32.99 42.67 26.89 18.93 资料来源： 天风证券研究所，注： PE=收盘价 /EPS -32%-25%-18%-11%-4%3%10%2017-09 2018-01 2018-05通信 沪深 300 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 内容目录 1. 硅光技术逐步成熟，芯片工艺瓶颈突破，封装仍待提升 . 4 1.1. 硅光技术进入商用阶段，产业链逐步成熟 . 4 1.2. 硅 光技术除激光器外，能够实现光模块中各类器件的集成制造 . 5 1.3. 基于硅光芯片的封装仍有难度，工艺和良率仍待提升 . 9 2. 传统光通信市场是硅光发展的基础，新应用领域潜力巨大 . 10 2.1. 光模块已经形成成熟的应用领域，电信 +数通需求稳步增长 . 10 2.2. 硅光产业链相比半导体产业链，行业空间差距较大，成本优势有限 . 11 2.3. 硅光下游有更大应用空间，期待消费类需求显现，打开更广阔市场 . 15 3. 硅光产业链主要企业投资逻辑 . 17 3.1. 亨通光电： Rockley 100G 硅光芯片落地，光模块产品逐步批量出货 . 17 3.2. 中际旭创：传统光模块龙头，聚焦中长距离，硅光的竞争较小 . 18 3.3. 光迅科技： 100G 硅光芯片实现突破，产业化迅速推进 . 18 3.4. 博创科技：硅光技术团队储备完善，承接上海硅光产线产业化建设 . 19 图表目录 图 1：硅光产业链发展历程 . 4 图 2：硅光产业链主要环节和代表性厂商 . 4 图 3：传统分立式器件光模块内部结构 . 4 图 4：基于硅光芯片制作的光模块内部结构 . 5 图 5：硅和 III-V 族材料带隙结构对比 . 5 图 6：光迅科技硅光模块内部芯片结构 . 5 图 7：硅光技术 CMOS 工艺能够加工的结构 . 6 图 8：硅波导结构简图 . 6 图 9：以硅波导为基础制作的 . 6 图 10：硅波导与单模光纤纤芯耦合比例 . 7 图 11：硅波导与光纤 耦合主要方式 . 7 图 12：硅光工艺制备的 MZ 调制器简图 . 7 图 13：不同材料吸收系数比较 . 8 图 14：硅和锗晶体结构比较 . 8 图 15： Intel 硅锗光接收芯片结构简图 . 8 图 16： Intel 磷化铟贴合工艺生产的激光器 . 9 图 17：光迅分立激光器贴装的硅光模块 . 9 图 18：采用硅光芯片的光模块结构 . 9 图 19：相干通信系统结构原理 . 10 图 20：采用硅光芯片的相干光模块芯片内部结构 . 10 图 21： 目前光模块主要应用场景 . 10 图 22：目前光模块主要应用场景 . 11 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 3 图 23：全球光模块 /器件市场规模（单位：百万美元） . 11 图 24：全球光模块市场规模拆分（单位：百万美元） . 11 图 25：光模块成本结构 . 12 图 26：硅光光模块产业进展和市场 规模（单位： 10 亿美元） . 12 图 27：典型半导体厂商 IPG 的芯片出货量和平均成本关系 . 13 图 28：硅光 100G PSM4 方案与传统方案比较 . 13 图 29： 100G CWDM4 光模块结构 . 14 图 30： Acacia 硅光相干光模块结构 . 14 图 31：硅光光模 块市场份额测算 . 15 图 32： VIVO X23“ 水滴屏 ” . 15 图 33：全固态 LiDAR 技术分类及代表企业 . 16 图 34：北大团队的硅光量子通信芯片设计结构 . 16 图 35：网络流量持续 40%以上年复合增速 . 17 图 36：光模块出 货量（单位：只）持续提升，速率不断升级演进 . 17 图 39： OFC 2018 上 Rockley 展示的硅光混合集成产品 . 17 图 40：旭创 100G 光模块以 2KM 中长距离为主 . 18 图 37：国家信息光电子创新中心股权结构 . 18 图 38：光迅科技 100G 硅光芯片产业化进度 . 19 图 41： “ 硅光子市级重大专项 ” 由上海微技术工业研究院研发转化而来 . 19 表 1：全球半导体市场规模（单位：亿美元） . 12 行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 4 1. 硅光技术逐步成熟， 芯片工艺瓶颈突破，封装仍待提升 硅光技术已经进入产业化阶段， Intel、 Luxtera、 Acacia、光迅、 Rockley 等企业先后推出芯片级、模块级产品，并逐步实现 小批量商用 出货。芯片技术需要长时间的迭代试错，随着 产业链多年的研发，硅光 技术积累 达到质变的水平，硅光技术站上规模商 用 起跑线。 1.1. 硅光技术 进入商用阶段 ，产业链 逐步成熟 硅光技术基于 1985 年左右提出的波导理论， 2005-2006 年前后开始逐步从理论向产业化发展， Luxtera、 Kotura 等先行者不断推动技术和产业链的发展，形成了 硅光芯片代工厂（ Global Foundries、意法半导体、 AIM 等）、激光芯片代工厂（联亚电子等）、芯片设计和封装（ Luxtera、 Kotura 等）较为成熟的 Fabless 产业链模式 ， 也有 Intel 为代表的 IDM模式 ，除激光芯片外，设计、硅基芯片加工、封测均自己完成） 。 图 1： 硅光产业链发展历程 图 2： 硅光产业链主要环节和代表性厂商 资料来源： Lightcounting 深圳光博会材料， 天风证券研究所 资料来源： Lightcounting 深圳光博会材料， 天风证券研究所 传统 光模块采用分立式结构，光芯片通过一系列 无源 耦合器件，与光纤实现对准耦合 ，完成光路封装。整个 封装环节需要较多材料和人工成本，同时封装和测试工序较为复杂， 封装过程自动化率较低，测试中 需要手工 将光模块一个个 进行 对准 耦合测试，时间 成本 和人工成本均较高。 图 3： 传统分立式器件光模块内部结构 资料来源： OFWeeks， 天风证券研究所 随着波导理论的成熟，以及一系列新器件被设计生产出来，产业界提出 基于 CMOS 制造工艺 的硅光技术 。硅光利用传统半导体产业非常成熟的硅晶圆加工工艺，在硅基底上利用蚀刻工艺可以快速加工大规模波导器件，利用外延生长等加工工艺，能够制备调制器、接 LD ：激光 驱动芯片 LA ：限幅放大芯片 MCU ：主控芯片发送器接收器接头壳体陶瓷插芯、套管光隔离器C W D M 4 1 0 0 G 光模块需要W D M 波分复用器件PO N 光模块需要环形器行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 5 收器等关键器件 ， 最终实现 将调制器 、接收器以及 无源光学器件等高度集成 。 相比传统分立式器件， 传统工艺 需要依次封装电芯片、光芯片、透镜 、对准组件 、光纤端面 等器件 ，硅光 体积大幅减小， 材料成本、 芯片成本、 封装 成本均有望进一步优化 ，同时，硅光技术可以通过晶圆测试等方法进行批量测试，测试效率显著提升 。 图 4： 基于硅光芯片制作的光模块内部结构 资料来源： 意法半导体 深圳光博会演示 材料 ， 天风证券研究所 1.2. 硅光技术除激光器外， 能够 实现 光模块中各类器件的集成制造 前述硅光技术生产的器件，涵盖了光模块内部大部分组件，但不包含激光芯片。 由于硅是间接带隙， 导带最小值（导带底）和满带最大值在 k 空间中不同位置 ， 电子 跃迁需要同时改变势能和动能，产生激光需要借助声子的作用，空穴复合效率很低，发光效率极低 。 与之对比， III-V 族材料（典型的如磷化铟 InP）属于直接带隙，电子能量跃迁只需要吸收外加 能量即可，发光效率较高。 因此目前硅光方案主流仍是硅基混合集成，光芯片仍使用传统的 III-V 族材料，采用分立贴装（光迅 、 Luxtera 等）或晶圆键合加工（ Intel 等）将 III-V族的激光器与硅上集成的调制、耦合光路等加工在一起。 图 5： 硅和 III-V 族材料带隙结构对比 图 6： 光迅科技硅光模块内部芯片结构 资料来源： Nature Photonics， 天风证券研究所 资料来源： 光迅科技 深圳光博会 演示材料 ， 天风证券研究所 目前 基于硅光工艺 已经能够成熟能够加工的芯片级器件主要包括光波导、合分波器件、外调制器件、 APD 接收器等。 但各 主流 厂商的 设计和 工艺 路线 仍然有较大差异，存在多种技术路线， 从这个角度也可以看到， 硅光技术还处在百家争鸣的发展初期阶段，性价比和技术稳定性最高的方案尚未脱颖而出，硅光技术仍需要一段时间的沉淀和发展，才能向最终胜出的主流技术聚焦，进而更大程度的发挥 CMOS 工艺的规模效应，成本和良率才能持续优化。 k直接带隙（如磷化铟） 间接带隙（如硅）行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 6 图 7： 硅光 技术 CMOS 工艺能够加工的结构 资料来源： Global Foundries 深圳光博会 材料 ， 天风证券研究所 具体来看，目前硅光工艺主要环节包括： 1）硅波导： 波导是利用折射率不同形成全反射，约束光纤的传输路线。硅的折射率很大，绝对折射率在 3.4 以上，而二氧化硅材料的折射率在 1.5 左右，目前常见的波导加工工艺有硅嵴上外包二氧化硅二氧化硅方式，或激光直写（ Direct Writing），通过激光聚焦，在二氧化硅内部 熔融改变折射率。 硅波导是硅光模块中重要的无源结构，光路的传输控制以及耦合均通过波导完成 ，波导技术在硅光工艺中是最核心的基础技术之一，大量无源器件（分光器、合分波器、环形谐振器等）均可通过硅波导技术在片上实现 。 图 8： 硅波导结构简图 图 9： 以硅波导为基础制作的 资料来源： arXiv， 天风证券研究所 资料来源： SiPhotonics 深圳光博会 技术演示材料 ， 天风证券研究所 但是 由于硅折射率太高，同时波导尺寸很小，波导中光斑尺寸很小， 光模块最终要和光纤（实际是光纤的 芯层 ） 连接，硅波导和光纤模场不匹配导致插损较高。 硅波导的模场直径（ MFD）约 0.4-0.5m，而单模光纤的模场直径是 9-10m，耦合损耗极大（约 -20dB）。目前有几种技术路线解决模场损耗问题，较常见的有两种， 1）倒锥形端面耦合：在波导末端制作逐渐变细的倒锥形耦合器（ inverse taper），更多光场分布到波导外部的二氧化硅外包层，增大光斑直径，与光纤对准； 2）光栅耦合：在波导末端制作渐宽的 taper，之后在蚀刻出 一定间距的光栅，使用斜切面光纤或直接光纤垂直对准即可。 两种技术各有利弊，光栅耦合较容易封装，但带宽较小、对偏振敏感；端面耦合工作带宽大，但必须位于芯片边缘，无法在线测试，封装对准难 度大。 掺 Ge A PD 接收器 波导M ZI 调制器电路接口（ BEOL ）光栅耦合器光纤端面耦合分路器、环形器等光热移相器合分波器包括嵴波导、分路器、耦合器、光栅等行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 7 图 10： 硅波导 与单模光纤纤芯耦合比例 图 11： 硅波导与光纤耦合主要方式 资料来源： Wim Bogaerts， 天风证券研究所 资料来源： 光迅科技 深圳光博会 演示材料 ， 天风证券研究所 2）硅 基调制 器： 光 模块的调制分内调制和外调整，内调制通过驱动芯片对激光器芯片施加不同的电压，调节发光功率实现光信号调制。随着传输速率不断提升，内调制面临性能瓶颈，高速率下，内调制光芯片的消光比和啁啾等参数难以满足要求，由于光纤的色散，导致传输系统的误码率过高，因此外调制发展逐步加速。 外调制模式下，激光器持续发光，通过调制器的 通 和 闭 调制输出光信号的强弱。 硅材料具有较强的电光效应和热光效应，施加外部能量后，能够实现相位改变， 控制两束光的相位差 实现马赫曾德干涉（ MZI） 即可实现输出光信号的强度调制。 因此基于 硅光技术， 非常适合制备高度集成的 MZI 外调制 器。 图 12： 硅光工艺制备的 MZ 调制器简图 资料来源： Intel 官网 ， 天风证券研究所 3）硅锗探测器： 与发射端相匹配，光模块还需要接收光信号的接收探测器。由于 Si 的带隙为 1.12eV, 吸收截止波长 1.1 微米 , 因此对于通讯波段 （ 1.31 微米 -1.55 微米，主要匹配光纤的低损耗波长窗口） 硅 材料 无法吸收。 应用于硅基接收端的探测器，必须使用其他材料，能够吸收光通讯工作波段的材料 主要有 InP, InGaAs 和 Ge, 从下图可以看出锗材料在 1310nm 和 1550nm 这两个波长的吸收系数都比较大 ，常用的接收端探测器一般都是采用这类材料制备 。 1m单模光纤的纤芯硅波导二氧化硅外包层衬底MZ 调制原理图硅 光工艺制备简图行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 8 图 13： 不同材料吸收系数比较 资料来源： IEEE， 天风证券研究所 但 基于 硅光 技术制备接收器雪崩二极管（ APD）时 ，需要考虑加工工艺 。由于 硅的晶体结构 和锗不同 ，晶格失配率达到 4.2%，直接生长会导致 失位 错配和晶体瑕疵， 目前常见的工艺包括 1） Ge 组分变化缓冲工艺：调节 SiGe 合金中 Ge 的比例，从硅基底的 0%逐步过渡到 100%； 2）低温 Ge 缓冲层：先外延一层薄的 Ge，之后高温生长通过退火降低晶格错位； 3）选区图形衬底外延：在硅衬底上制备 SiO2 薄膜，之后刻蚀出生长 Ge 的窗口，Ge 在露出硅衬底的图形中生长 出来并横向生长在 SiO2 表面合并成完整的 Ge 外延层。 目前主流代工厂均能提供成熟的高质量 Ge 生长工艺，基于成熟的加工工艺，目前硅光 APD探测器的设计已经比较成熟。 图 14： 硅和锗晶体结构比较 图 15： Intel 硅锗光接收芯片结构简图 资料来源： 厦门大学半导体光子研究中心， 天风证券研究所 资料来源： Intel 官网 ， 天风证券研究所 综上所述，基于 CMOS 技术平台在硅基底上加工波导、调制器、接收器等器件技术都逐步成熟，只有激光器需要单独加工。目前有三类主要方案， 1） Intel 采用晶元键合工艺，将 InP 晶元和 Si 晶元键合，之后再进行掺杂加工出激光器 ； 2） Luxtera 采用分立激光器，之后用被动对准的光纤（在硅基底上刻蚀 V 形槽，将光纤固定在槽内）与硅光芯片连接 ；3）光迅等厂商采用的分立激光器，直接倒贴在硅光芯片上，通过硅基工艺加工的 光栅与硅光芯片连接 。 目前全球已经有包括 Intel、 Luxtera、 Acacia、光迅、 Rockley 等多家厂商推出了硅光芯片产品，硅光芯片的设计和制造已经较为成熟。 GeSi行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 9 图 16： Intel 磷化铟贴合工艺生产的激光器 图 17： 光迅分立激光器贴装的硅光模块 资料来源： Intel 官网 ， 天风证券研究所 资料来源： 光迅科技 深圳光博会 演示材料 ， 天风证券研究所 1.3. 基于硅光芯片的封装仍有难度，工艺和良率仍待提升 硅光芯片技术较为成熟，但从芯片到光模块，封装工艺上仍存在较多技术难点，封装良率和成本仍有待优化，具体来看： 1）光纤耦合环节： 两种技术路线中，端面耦合的模场转换结构设计有待提升，需要隔离器降低回波干扰，光纤阵列在 V 形槽中固定加工难以自动化，整体加工成本较高。光栅耦合方式带宽较低，同时对偏振敏感，需要控制偏振方形，且需要适当的固定胶提供足够的强度，同时光纤是垂直引出，做成标准外形的模块需要降低弯曲损耗； 2）激光器集成环节： 贴装的对准精度要求极高，芯片密封工艺复杂，良率较低； 3）热管理： 硅光芯片对温度敏感，采用光栅结构的话温度影响更显著，需要更严格的仿真设计和结构优化，功耗控制需要进一步优化 。 图 18： 采用硅光芯片的光模块结构 资料来源： Mellanox 深圳光博会 演示材料 ， 天风证券研究所 目前出货的硅光模块产品中，主要有两大类：短距离数据中心光模块和中长距离电信相干光模块 ： 1） 数据中心光模块 ： 由于数据中心恒温恒湿的理想工作环境，光模块封装要求相对较低，因此 以 Intel 为代表的厂商在 500 米距离上实现数据中心硅光模块的批量供货。 2） 中长距离相干光模块 ： 用于数据中心之间 DCI 连接或电信城域网骨干网远距离通信，相干调制相比传统 MZI 外调制在幅度调制之外增加了相位调制，目前主流技术包括 8QAM和 16QAM， 64QAM 也在研发之中。 相干调制需要将光源信号分成两路相位相差 90的频率相同的光，之后对两路光分别调制后再耦合形成干涉条纹。在接收端与本征光源经过50/50 分束的定向耦合器后 ，可推算出发射端的原始信号，排除传输链路中的噪音。 硅光的高集成度波导技术以及相位调制能力非常适合制备相干调制器件， Acacia、 Macom、SiPhotonics、以及光迅牵头的国家信息光电子创新中心等均推出了相干硅光芯片产品，Acacia 和 Macom 等硅光相干模块已经向电信客户实现量产出货。 Cross Secti on of Hy bri d Laser光栅耦合固定胶外置光源芯片线路板连接打线外壳硅光芯片光纤（ 8 芯）耦合光栅行业报告 | 行业深度研究 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 10 图 19： 相干通信系统 结构原理 图 20： 采用硅光芯片的相干光模块芯片内部结构 资料来源： 数据中心光通信技术 ， 天风证券研究所 资料来源： Acacia 官网 ， 天风证券研究所 2. 传统光通信市场是 硅光 发展的基础，新应用领域潜力巨大 从整体发展趋势看，硅光技术逐步成熟，但由于产业链仍处于发展早期阶段，下游客户认证仍需时间 ，整体产品出货量仍然较低，无法体现 CMOS 工艺生产成本的规模效应，也没有足够的 出货量 支持工艺的优化和良率的持续提升 。硅光技术的大规模应用仍需要一段时间的沉淀和新突破。 2.1. 光模块已经形成成熟的应用领域 ，电信 +数通需求稳步增长 1977 年光纤首次应用于通信系统直至 1990 年代光纤网络被大规模推广以来，光纤 -光模块 -光设备的通信体系持续发展，光模块作为光设备与光纤连接的核心器件，居于产业链的重要环节，众多厂商和标准化组织不断推出适用于各种应用场景的光模块产品和技术标准，光模块的发展已经非常成熟，产业链上下游配套完善。 图 21： 目前光模块主要应用场景 资料来源： Ofweeks， 天风证券研究所 激光器光发射机数据信号电光转换数据处理检测器光接收机数据信号电光转换数据处理光纤光缆光模块光设备大于 100 米光设备光模块光设备光模块