光器件助力我國光通信由大轉(zhuǎn)強

  ICCSZ訊 高清視頻、移動互聯(lián)網(wǎng)等新型業(yè)務的迅速發(fā)展帶來數(shù)據(jù)流量的急劇上升，光通信網(wǎng)絡作為信息通信基礎設施之一，對上層業(yè)務及應用的發(fā)展起到重要的承載支撐作用。我國光通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品種類不斷擴大，競爭力持續(xù)提升，尤其系統(tǒng)設備環(huán)節(jié)已成為全球中堅力量。然而我國光通信產(chǎn)業(yè)卻“大”而不“強”，位于產(chǎn)業(yè)鏈源頭的光器件與領先國家存在較大差距，近期美國對中興的制裁事件再一次敲響我國在該領域核心技術(shù)缺失的警鐘。

  新技術(shù)提出新需求 技術(shù)方案有待收斂

  廣義的光器件技術(shù)范疇包含由小到大的光芯片、光器件和光模塊，更高速率、更低成本、更寬溫度范圍和集成化是整體發(fā)展趨勢。從產(chǎn)品維度來看，由于以太網(wǎng)等業(yè)務速率的發(fā)展速度遠超過光器件帶寬能力，多根光纖或多路波長等多通道的實現(xiàn)方式以及高階調(diào)制成為實現(xiàn)高速率光模塊的重要技術(shù)方案。25GBaud光電芯片平臺目前已成為主流，可支持單通道25Gb/s 非歸零（NRZ）信號、單通道50Gb/s 四電平脈沖幅度調(diào)制（PAM4）信號、單通道100Gb/s 雙偏振正交相移鍵控（DP-QPSK）等信號。通道數(shù)量決定封裝、功耗和成本，產(chǎn)業(yè)鏈將始終瞄準最少通道的技術(shù)方向，業(yè)界已開始布局基于50GBaud光電平臺的單通道100Gb/s PAM4和4通道400Gb/s PAM4 光模塊。同時，5G即將步入商用進程，對光模塊提出巨大需求的同時也對光芯片提出了新型挑戰(zhàn)。例如在前傳方面，AAU側(cè)光模塊涉及室外應用，需要工業(yè)級（-40℃~85℃）的激光器芯片，目前25GBaud激光器芯片在寬溫實現(xiàn)方面尚存在較大挑戰(zhàn)。目前，在數(shù)據(jù)中心、5G等領域基于不同需求和技術(shù)方案的光模塊種類過多，一定程度上帶來研發(fā)方多頭投入的負擔，有待求同存異進行收斂。

  從產(chǎn)業(yè)鏈維度來看，光器件材料多樣化，每種材料的特性及匹配器件各不相同，光芯片的工藝流程又與材料、功能和結(jié)構(gòu)設計息息相關(guān)，制作工藝不統(tǒng)一；同時，光芯片制造和器件封裝精度高、出貨量小、規(guī)格變化快，導致其生產(chǎn)自動化程度較低，成本的降低需全面考量產(chǎn)能、良率和性能等多方面因素。與集成電路類似，光器件也可以實現(xiàn)多個功能元件的集成，稱之為光子集成（PIC）技術(shù)，目前中小規(guī)模PIC已經(jīng)成熟并取得廣泛商用，大規(guī)模PIC集成度達到數(shù)百個元器件。硅光技術(shù)是PIC的重要分支，基于硅或與硅兼容的材料利用CMOS工藝進行光器件的開發(fā)與集成，具有低成本規(guī)模生產(chǎn)的巨大潛力。近年來硅光產(chǎn)業(yè)鏈不斷構(gòu)建，但由于異質(zhì)光源集成、標準CMOS工藝兼容性、封裝成本高等限制，硅光技術(shù)在100Gb/s光模塊領域尚未實現(xiàn)規(guī)模商用，未來有望在400Gb/s和1Tb/s等更高速率發(fā)揮優(yōu)勢。

  產(chǎn)業(yè)鏈長形態(tài)多樣 并購重組整合加劇

  光器件產(chǎn)業(yè)鏈較長，由于器件和材料種類的不同，在產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)有不同廠商參與，且數(shù)量較多，具備集成制造（IDM）和專注于設計的Fabless等不同形態(tài)。龍頭光器件商以IDM為主，擁有芯片設計、制造、封測以及模塊組裝全套能力。然而與系統(tǒng)設備、光纖光纜等光通信產(chǎn)業(yè)鏈其他環(huán)節(jié)相比，光器件環(huán)節(jié)的市場份額仍比較分散、集中度低。

  近年來，光器件領域資本運作頻繁并購重組不斷，主導者多為美國廠商，集中度和競爭力進一步提升，也不乏光迅、海信、華為等我國廠商的身影。并購重組原因主要有幾大類：第一類以器件商之間合并為代表的“橫向整合”，光器件產(chǎn)品種類和涉及技術(shù)多，單類型產(chǎn)品市場規(guī)模有限，通過并購進行技術(shù)、產(chǎn)品及客戶協(xié)同，實現(xiàn)規(guī)模效應；第二類是以器件模塊商向上游芯片、外延等領域擴展，以及設備商向上游模塊芯片領域擴展為代表的“縱向上游整合”，上游芯片研發(fā)周期長、投入大，不同類型的光芯片基于不同工藝平臺，內(nèi)生式發(fā)展難度大，通過并購實現(xiàn)垂直整合可有效降低成本，同時提升貨源穩(wěn)定性和產(chǎn)品融合性；第三類是以高端器件商剝離下游封裝業(yè)務為代表的“縱向下游剝離”，產(chǎn)業(yè)鏈下游競爭日益激烈，器件商剝離光模塊組裝等下游業(yè)務，聚焦高端芯片。

  從盈利能力來看，與光通信全產(chǎn)業(yè)鏈其他公司相比，光器件商的平均純利潤率最低，研發(fā)同類產(chǎn)品的廠商過多，價格戰(zhàn)競爭激烈。隨著近期兩起重大并購事件的發(fā)生，2018年3月第二大光器件商Lumentum收購排名緊隨其后的Oclaro、2018年11月II-VI收購第一大光器件商Finisar，光器件行業(yè)整合加劇，開始由市場份額分散、集中度低的完全競爭階段向集中化階段邁進。未來幾年，市場競爭格局將持續(xù)演化，有效整合有利于促進行業(yè)規(guī)范發(fā)展。

  我國產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡 技術(shù)、環(huán)境和資金是掣肘

  我國光器件產(chǎn)業(yè)在政策驅(qū)動、市場牽引及新興應用的促進下，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長、產(chǎn)業(yè)實力不斷提升，約占全球20%~25%左右的市場份額，在無源及有源光器件芯片中低端產(chǎn)品領域以及光模塊等產(chǎn)業(yè)鏈下游領域緊跟領先水平或與領先水平保持同步，然而高端產(chǎn)品研發(fā)能力薄弱，面臨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不均衡的嚴峻挑戰(zhàn)。核心光電芯片國產(chǎn)化率低，根據(jù)工信部電子司指導發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018~2022年）》，10Gb/s光芯片國產(chǎn)化率接近50%，25Gb/s及以上光芯片國產(chǎn)化率僅為3%。此外，高速驅(qū)動、PAM4和DSP等電芯片國產(chǎn)化率極低，依賴以美日為主的進口。

  技術(shù)能力、產(chǎn)業(yè)環(huán)境和資金投入等方面的不足是我國光器件行業(yè)發(fā)展的重要掣肘。第一，技術(shù)能力的巨大差距是競爭力不強的根本原因，國外領先企業(yè)占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢把控產(chǎn)業(yè)鏈高端，我國設計工具、基礎工藝、儀表裝備等產(chǎn)業(yè)基礎配套能力弱，企業(yè)固定資產(chǎn)投資負擔重，價格競爭激烈利潤率低，難以維系巨型研發(fā)投入，行業(yè)發(fā)展以跟隨為主，創(chuàng)新能力不足以支撐在新一代技術(shù)中實現(xiàn)超越。第二，產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，我國企業(yè)規(guī)模普遍較小、群體不夠強壯，在融資、技術(shù)開發(fā)、標準引領等方面存在不足。我國雖擁有優(yōu)質(zhì)系統(tǒng)設備商，但上下游企業(yè)間的研發(fā)合作有限，市場化競爭中國產(chǎn)芯片較難通過上下游間的迭代驗證來突破可靠性、量產(chǎn)等關(guān)鍵問題。第三，光器件芯片研發(fā)周期長、資金投入大，我國國家及地方政府的產(chǎn)業(yè)扶持資金和市場資本投入均存在不足，限制了高端產(chǎn)品研發(fā)能力的提升以及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)氛圍和成果的快速轉(zhuǎn)化落地。

  綜上，光器件芯片具有技術(shù)含量高、研發(fā)投入大、回報周期長和產(chǎn)業(yè)群體性強等特征，其發(fā)展需要良好的整體規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)基礎和平臺做支撐。我國應基于產(chǎn)業(yè)自身特點和發(fā)展現(xiàn)狀，圍繞核心優(yōu)勢，補齊短板差距，突破關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，強化產(chǎn)業(yè)基礎與底層技術(shù)創(chuàng)新，推動各方形成合力共同促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。