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激光器芯片 激光芯片

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(报告出品方/作者:海通证券,张晓飞,蒲得宇,张幸)

激光原理概述

激光原理:激光技术起源于 20 世纪 60 年代,与原子能、半导体、计算机并称 20 世纪 新四大发明之一。激光英文全称是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER),意为“通过受激辐射光扩大”,简称“激光”。激光的原理早在 1916 年就已被 爱因斯坦发现:原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到 低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被“引诱”(激发)出来的光子束 (激光),其中的光子光学特性高度一致。相比由多种颜色、波长混合的自然光,激 光有具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点,因此也被称为“最快的 刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”。

激光发展历史:1916 年,爱因斯坦提出了光的受激发射理论,人类对激光开始有了认 知。1958 年,美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象,当他们将内光灯泡所发 射的光照在一种稀土晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。 肖洛和汤斯的研究成果发表之后,各国科学家纷纷提出各种实验方案,但都未获成 功。1960 年 5 月 15 日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长 为 0.6943 微米的激光,这是人类有史以来获得的第一束激光,梅曼因而也成为世界上 第一个将激光引入实用领域的科学家。

1960 年 7 月 7 日,梅曼宣布了世界上第一台激 光器的诞生,梅曼的方案的是,利用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石色水晶里的铬 原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到很高 的温度。前苏联科学家尼古拉·巴索夫于 1960 年发明了半导体激光器。半导体激光器 的结构通常由 P 层、N 层和形成双异质结的有源层构成,其特点是:尺寸小、耦合效 率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

激光器结构

激光器一般包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。激光器是激光的发生装置,主 要由激励源和具有亚稳态能级的工作介质组成。激励源为实现并维持粒子数反转产生 跃迁辐射创造条件,激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。具有亚 稳态能级的工作介质使受激辐射占主导地位,从而实现光放大。激光器中常见的组成 部分还有谐振腔,谐振腔为关键的组成部分,可使腔内的光子有一致的频率、相位和 运行方向,从而使激光具有良好的方向性和相干性,而且谐振腔可以很好地缩短工作 物质的长度,还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式。简单来说:泵浦源 为激光器提供光源,增益介质(也称为工作物质)吸收泵浦源提供的能量后将光放 大,谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路,振腔振荡选模输出激光。

1)激光工作介质:增益介质

用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,也被称为激光增益媒 质,常用的有红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。在增益介质中可以实现 粒子数反转(高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度),以 制造获得激光的必要条件。

2)激励源:泵浦源

为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激励原子体系,使处于上能 级的粒子数增加。一般可以用电流注入或气体放电的办法驱使具有动能的电子激发介 质原子,称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、 化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运;为了不断得到激光输出,必 须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

3)谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后,可实现粒子数反转,但这样产生的受激辐射强度很 弱,无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔,实际是 在激光器两端,面对面装上两块反射率很高的镜片:一块几乎全反射,一块使大分光 反射、少量光透射出去,以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的 光,继续诱发新的受激辐射,光被放大。因此,光在谐振腔中来回振荡,造成连锁反 应,雪崩似的获得放大,产生强烈的激光,从部分反射镜子一端输出。(报告来源:未来智库)

激光器芯片 激光芯片(图1)

激光器分类

激光器可按泵浦方式、增益介质、运转方式、输出功率和输出波长进行分类。

1)按泵浦方式:可分为电泵浦、光泵浦、化学泵浦、热泵浦、核泵浦激光器。 电泵浦激光器指以电流方式激励的激光器(气体激光器多以气体放电方式进行激励, 而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励); 光泵浦激光器指以光泵方式激励的激光器(几乎所有固体激光器、液体激光器均属于 光泵浦激光器,而半导体激光器是光泵浦激光器的核心泵浦源); 化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。

2)按运转方式:可分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器中各能级的粒子数及 腔内辐射场均具有稳定分布,其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在 一段较长的时间范围内以连续方式持续稳定进行,但热效应较明显;脉冲激光器指激 光功率维持在一定值时所持续的时间,以不连续方式输出激光,主要特点是峰值功率 高、热效应小、可控性好。根据脉冲时间长度,可进一步分为毫秒、微秒、纳秒、皮 秒和飞秒,脉冲时间越短,单一脉冲能量越高、脉冲宽度越窄、加工精度越高。

3)按输出功率:划分为分为低功率(0-100W)、中功率(100-1,000W)、高功率 (1,000W 以上),不同功率的激光器适应的应用场景不同。

4)按照波长:可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。 不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,因此需要各种不同波长的激光器用于不同 材料的精细加工或者不同应用场景。红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激 光器:红外激光器主要应用于“热加工”,将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸 发),以除去材料;在薄膜非金属材料加工、半导体晶圆切割、有机玻璃切割/钻孔/打 标等领域,高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体, 这种方式不会产生高热量反应,因此通常被称为“冷加工”,紫外激光器在微加工领域 具有不可替代的优势。

由于紫外光子能量大,难以通过外激励源激励产生一定高功率 的连续紫外激光,故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生,因此目 前广泛应用在工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。

激光器芯片 激光芯片(图2)

5)按增益介质:固态(固体、光纤、半导体等)、气体、液体、自由电子激光器等。 激光器按照增益介质(工作物质)分为:①液体激光和气体激光,由于效率低下和 需要高频率更换工作物质和维护,目前只利用其特殊性能并在小众市场应用;②自 由电子激光器目前技术还不充分,虽然有频率连续可调、频谱范围广等优势,但短期 内还很难有广泛应用。

③固态激光目前应用最广泛、市场占有率最高,通常被分为 以晶体为工作物质的固体激光器、以玻璃光纤为工作物质的光纤激光器(近 20 年来 由于兼顾电光转换效率和光束质量取得大力发展),目前少部分利用灯如氙闪光灯作 为泵浦源,大部分利用半导体激光器作为泵浦源。半导体激光器是以半导体材料作为 激光介质,以电流注入二极管有源区为泵浦方式的激光二极管(以电子受激辐射产生 光),具有电光转换效率高、体积小、寿命长等特点,广义上虽也属于固态激光器的 一种,但半导体激光器直接产生的光由于光束质量差,目前所能直接应用的领域受 限,一般作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源以应用于更多场 景。

从应用领域来看,根据《2021 年中国激光产业发展报告》,2020 年全球激光器销售额 为 160.1 亿美元。结构上来看,材料加工与光刻、通讯与光存储、科研和军事、医疗 和美容、仪器与传感器及娱乐、显示与打印占比分别为 39.6%、24.5%、13.8%、 5.7%、12.6%及 3.8%。据报告预测,2021 年全球激光器的总市场规模为 185 亿美金, 市场增长率为 15%,其中半导体激光器(作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器 的核心泵浦光源或作为直接激光器),其市场规模预计为 79.5 亿美金(占比 43%),市 场增速为 18%。 我国激光器行业发展迅速、竞争优势明显,在全球激光器市场中所占的比重也持续提 升,根据 Laser Focus World 发布的数据,2020 年,我国激光器市场规模为 109.1 亿美 元,占全球激光器市场 66.12%的份额。

近年来全球工业激光器市场规模呈波动走势,根据 Laser Focus World 测算,2020 全球 工业激光器市场规模约为 51.57 亿美元,同比增长 2.4%。从结构上,市场份额最大的 是光纤激光器,2018 至 2020 年的销售占比均超过 50%,其中 2020 年全球光纤激光器 销售额占比为 52.7%;固体激光器销售占比 16.7%;气体激光器销售占比 15.6%;直接 半导体/准分子激光器销售占比 15.04%。

激光器芯片 激光芯片(图3)

光通信芯片市场:中长期替代空间广阔

1. 光通信原理

光纤通信系统是以光为载波,利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒 介,通过光电变换,用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由数据源、 光发送端、光学信道和光接收机组成。具体过程为:在发送端将传送的信息(如话 音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度 (频率)变化而变化,并通过光纤发送出去;在接收端,检测器收到光信号后把它变 换成电信号,经解调后恢复原信息。

光发信机:光发信机是实现电/光转换的光端机。它由光源、驱动器和调制器组 成。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制,成为已调光 波,然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。光收信机:光收信机是实现光/电转换的光端机。它由光检测器和光放大器组 成。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信号,然后, 再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平,送到接收端。光纤或光缆:二者光的传输通路,其功能是将发信端发出的已调光信号,经过光 纤或光缆的远距离传输后,耦合到收信端的光检测器上,完成传送信息任务。

中继器(放大器):中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用一 是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减,二是对波形失真的脉冲进行整形。 光纤连接器、耦合器等无源器件:由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆 施工条件的限制,且光纤的拉制长度也是有限度的,因此一条光纤线路可能存在 多根光纤相连接的问题。于是,光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合,对 光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

激光器芯片 激光芯片(图4)

2. 光模块是光通信设备的核心

光通信系统主要由光通信设备、传输光纤、光无源器件(光分路器、波分复用器、光 隔离器、光开关、光连接器、光背板、光滤波器等)构成。 光通信设备的核心为光模块(光模块产值在光通信中份额约 65%)。 光模块的核心为光有源模块和电芯片: 1)光有源模块包括光芯片和光调制器,其中光芯片为核心。光芯片包括激光器芯 片、探测器芯片; 2)电芯片包括 LD Driver、TIA、LA、 CDR 芯片等。

LD Driver:激光驱动芯片,发射端数字信号是电压信号,而激光器本身是依靠电 子激发进行发光的,所以必须将要发送的电压信号转换成为电流信号,因此需要 Laser Driver 驱动激光二极管发射激光。TIA:Transimpedance Amplifier,即跨阻放大器,增益定义为输出电压除以输入电 流,单位是电阻,由于是将电流放大为电压,因此将这种类型的放大器称为跨阻 放大器。TIA 应用于将电流放大至电压的场景,例如光电探测器探测信号的放 大。PD 接收到光信号后,产生的电流信号比较微弱(uA 量级),因此需要利用 TIA 将其放大,便于后续的信号处理。

LA:Limiting Amplifier,即限幅放大器。限幅放大器电路功能是输入信号较小时, 限幅放大器处于线性放大工作状态,输出跟随输入线性变化;而当输入信号达到 某一电平时,输出将不随输入信号的增加而变化,而维持在一定值上,即处于限 幅工作状态。LA 解决的问题场景是,PD 产生的电流信号跟其接收的光信号强弱 成正比,而 TIA 的跨阻(V=I*R,电压=电流*电阻)R 是一定的,这样产生的电压信 号就会随着输入光的大小变化而变化,而且变化的范围比较大。所以 Receiver 还 需要一个 LA,对前面 TIA 转换出来的小电压信号继续放大,以保证输出幅度足够 大,同时限幅功能使得在强光输入的时候,输出能够维持在一定值上,处于限幅 工作状态。

CDR:Clock and Data Recovery,即时钟数据恢复。CDR 的主要功能是:1)为接收 器端各电路提供时钟信号;2)对接收到的信号进行判决,便于数据信号的恢复 与后续处理。光信号经过一定距离的传输后,其波形会发生一定程度的失真。如 果没有时钟信号伴随光信号一起传输,接收端接收到的信号将会是一个个长短不 一的脉冲,因此需要 CDR 芯片对这些脉冲信号进行处理以得到想要传输的数据。

激光器芯片 激光芯片(图5)

3. 光模块的本质是实现光电信号的转换

一个光模块通常由光发射器件(TOSA,含激光器)、光接收器件(ROSA,含光探测 器)、功能电路和光(电)接口等部分组成。光模块的应用场景丰富,可分为电信市 场与数通市场,涵盖了数据宽带、电信通讯、数据中心、Fttx、安防监控和智能电网 等领域。光模块的性能主导着光通信网络的升级换代,在接入端、传输端等不同细分 市场上均发挥着至关重要的作用。 光模块作为光电转换的连接模块,包含两个端口即发射端和接收端。其中发射端将电 信号转换成光信号,通过光纤传送后,接收端再把光信号转换成电信号。光模块由光 电子器件、功能电路和光接口组成,其中光电子器件包括发射和接收两部分。

光模块在整体产品架构上包括光学次模块(Optical Subassembly;OSA)及电子次 模块(Electrical Subassembly;ESA)两大部分。光学次模块的制造流程为:激光 二极管芯片的外延部分以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、砷化铟镓(InGaAs) 等作为发光与检光材料,利用有机金属气相沉积法(MOCVD)等方式,制成外 延片,然后将外延片制成激光二极管,随后搭配滤镜、金属盖等组件,封装成 TO can(Transmitter Outline can),再将此 TO can 与陶瓷套管等组件,封装成光学 次模块(OSA)。最后再搭配电子次模块(ESA),电子次模块内部包含传送及接 收两颗驱动 IC,用以驱动激光二极管与检光二极管,如此结合即组成光模块。

早期的光模块所用的光器件收和发是分开的,一个是 TOSA(Transmitting Optical Sub-Assembly,光发射组件),一个是 ROSA(Receiving Optical Sub-Assembly,光 接收组件),随着小型化的发展,二者合二为一就成了 BOSA(Bi-Directional Optical Sub-Assembly,光发射接收组件),也有的光器件集成 1 个 TOSA 和 2 个 ROSA 的就成了 Triplexer。光器件可根据工作时是否进行光电转换,分为有源光器件和无源光器件。有源光 器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器 件,是光传输系统的心脏,主要包括包括激光器、调制器、探测器和集成器件 等;无源光器件是光通信系统中需要消耗一定能量但没有光电或电光转换的器 件,用于满足光传输环节的其他功能,是光传输系统的关键节点,包括光连接 器、光隔离器、光分路器、光滤波器、光开关等。

激光器芯片 激光芯片(图6)

4. 光芯片占光模块平均 50%以上成本

光器件种类繁多,按照通信上下游划分,光器件可分为光电芯片、光器件和光模块。 光电芯片是光器件的核心元件,根据材料的不同可分为 InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、 LiNbO3、MEMS 等芯片,根据功能不同可分为激光器芯片、探测器芯片、调制器芯片。这些芯片/器件集成后,再加入外围电路形成一个光通信模块,被广泛应用于路 由器、基站、传输系统、接入网等光网络建设中。

光芯片在光模块中的成本占比分布在低端器件、中端器件及高端器件上的数据分别是 20%、50% 和 70%。  光通信芯片企业采用高频性能突出的 GaAs 以及 InP 化合物半导体为光通信芯片的 衬底。GaAs 以及 InP 可被制成电阻率比硅、锗高 3 个数量级以上的半绝缘高阻材 料,用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点,符 合 5G 通信高频的特点,因而在光通信芯片领域得到重要应用。

全球 GaAs 衬底市场集中度较高,根据 Yole 统计,2019 年全球砷化镓衬底市场主 要生产商包括:德国 Freiberger、日本 Sumitomo 和美国 AXT(北京通美),其中德 国 Freiberger 占比 28%、日本 Sumitomo 占比 21%、美国 AXT(北京通美)占比 13%。 从市场格局来看,InP 衬底材料市场头部企业集中度很高,主要供应商包括日本 Sumitomo、美国 AXT(北京通美)、日本 JX 等。Yole 数据显示,2020 年全球前三 大厂商占据磷化铟衬底市场 90%以上市场份额,其中 Sumitomo 为全球第一大厂 商,占比为 42%;美国 AXT(北京通美)位居第二,占比 36%。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。目前磊晶生长方式有 MOCVD、MBE 两种。

GaAs 外延片生产,则有不同的商业模式:1)GaAs LED 市场主要是垂直整合,拥有成 熟的 IDM 厂商,如欧司朗(Osram)、三安光电(San’an)、晶元光电(Epistar)、乾照 光电(Changelight)等;2)GaAs 射频市场则采用外延生产外包模式,过往几年 GaAs 射频外延业务经历多次整合,如今产生了四大领导厂商:IQE、全新光电(VPEC)、住 友化学(包括住友化学先进技术和 SCIOCS)、英特磊(IntelliEPI);3)GaAs 光电子市 场,外延业务仍然取决于应用:GaAs 数据通信市场主要是 IDM 模式,主要厂商有菲 尼萨(Finisar)、安华高(Avago)、贰陆(II-VI)等,而对于规模较大且成本敏感性高 的消费电子类需求,主要以 Foundry 模式为主,如苹果供应商 Lumentum 选择外延生 产外包,将 IQE 作为其 VCSEL 外延生产服务商。(报告来源:未来智库)

激光器芯片 激光芯片(图7)

激光二极管在光模块内肩负着将电信号转化为光信号的重任,常用的激光二极管按发 光类型,分为面发射与边发射。其中,面发射型激光主要为垂直腔面发射激光器 (VCSEL);边发射型激光种类较多,目前使用最为广泛的是法布里-珀罗激光器(FP) 激光器、分布反馈激光器(DFB)和电吸收调制激光器(EML)。

1)VCSEL :属于面发射类型(垂直腔结构),VCSEL可以提供高质量的激光束,更高的 耦合效率和空腹反射率,相比 FP 激光器和 DFB 激光器,VCSEL 制造比较容易,这样就 能够生产低成本基于 VCSEL 的收发器。VCSEL 在功耗、温漂、成本、集成、散热等方 面具有一定优势,但由于目前投入实际应用的 VCSEL 主要集中在 850nm/980nm 波长范 围内,这种激光器更适合应用于短距离的数据中心内高速数据传输和接入网等领域。

2)FP 激光器(Fabry-perot 法布里-珀罗激光器):FP 激光器 TO 全称“TO 封装多量子阱 FP 腔纵模激光器”,它是以 FP 腔为谐振腔,发出多纵模相干光的半导体发光器件,属 于边发射类型(水平腔结构)。FP 激光器结构和制作工艺简单,成本低,主要用于中 短距离传输,比如传输距离一般在 20 公里以内。

3)DFB(Distributed Feedback Laser)激光器:分布式反馈激光器属于边发射类型(水 平腔结构),是在 FP 激光器的基础上,将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中 (也就是增益介质中),在谐振腔内形成选模结构,实现单模工作(即使用光栅选频 以实现单模工作)。DFB 相较 VCSEL 波长更长(一般用 1310nm 和 1550nm 这 2 种波 长),在包括传输网、无线基站、数据中心内部互联等领域在内的中长距离传输被普 遍使用。

以上三中激光器都属于直接调制激光器(DML,Directly Modulated Laser),信号的 0/1 调制通过控制其电流使激光器输出强度改变来完成,但是由于调制电流的变化,激光 器会发生比较明显的频率啁啾,导致脉冲展宽、信号失真,因此 DML 型不适合高速 长距离传输。后来,集成了电吸收调制器(EAM)与 DFB 的电吸收调制激光器 (EML)应运而生:EML 工作时,给激光器的注入电流保持恒定,依靠外部调制器对 光信号进行调制,因此不易产生啁啾效应、信号传输质量较理想,适合高速率、远距 离的电信骨干网、城域网和数据中心互联类的应用;但是相对地,EML 在价格和功耗 层面优势不够明显,因为 EML 在使用时需要给调制器 EAM 额外提供一个负压偏置, 同时还要搭配半导体制冷器(TEC)进行精密的环境温度控制来保证高信号传输质 量。

光模块根据不同场景的选择和使用是完全不同的,其中最主要的就是根据传输速率、 传输距离、不同的波长来选择激光器类型和调制方式:在高速率 100G 光模块中,几 十米用 VCSEL 激光器,500 米到 10 公里用 DFB 激光器,40 公里用 EML 激光器;在 10G 光模块中,1310nm 波长属于零色散区域,在传输 20 公里可选用 DML 激光器,若是 1550nm 波长需要选用 EML 激光器。

激光器芯片 激光芯片(图8)

5. 国产光芯片与美日厂商差距较大,替代壁垒较高但空间广阔

国产光芯片基础薄弱,与美日厂商差距较大。全球高端光芯片基本被国外厂商垄断, 其中。我国在高端芯片领域的自主技术研发和投入实力方面相对较弱,目前主要集中 在中低端光芯片产品的研发、制造。 全球主要光器件厂家均积极布局有源光芯片、器件与光模块产品,并达到 100Gb/s 速 率及以上的水平。在中兴、华为等通信设备的强势助攻下,中国成为世界上最大的光 器件消费大国,市场占比约为 35%。

国内企业在无源器件、低速光收发模块等中低端 细分市场较强,然而以高速率为主要特征的高端光芯片技术,还掌握在美日企业手中 (美、日企业占据了全球高端光芯片超过 50%市场份额,占据我国高端光芯片 90%以 上的市场份额),我国高速率光芯片国产化率仅 3%左右。国内企业目前只掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光器、探测器、调制器芯片,以及 PLC/AWG 芯片的制造工艺 以及配套 IC 的设计、封测能力,25Gb/s 的工艺能力及产能配套都无法形成规模;单通 道 25Gbps 光芯片大部分已可国产化,电芯片部分国产化,但绝大多数 25Gb/s 速率模 块使用的光电芯片只能做到小批量供货,大部分还要依赖进口。

50Gbps 以上的光电芯 片,只有很少部分器件可国产化。更为高端的 100G 光通信系统,其中可调窄线宽激 光器、相关光发射/接收芯片均高度依赖进口。在电跨阻放大芯片、高速模数/数模转 化芯片、相关通信 DSP 芯片以及 5G 移动通信前传光模块需要的 50Gb/s PAM-4 芯片 上,还鲜少有国内厂家能够规模化供货商用解决方案。

光器件行业相对分散,产品种类繁多,不同产品领域的竞争格局具有较大差异。 光电子器件每一种类别下会产生上百种产品型号,它们之间还能组合成各种各样 的模块、子系统等。因此,专业化分工来研发、生产和销售各种光电子器件已成 为行业的特点。由于各个企业所掌握的技术特点和销售渠道不同,他们在不同产 品领域的竞争地位也不尽相同。在低端器件领域,如光纤耦合器、连接器、低速 收发模块等的生产厂商较多,竞争很激烈。在技术含量较高的高端模块和子系统 领域,如 DWDM 器件、40Gbit/s 以上光收发模块、ROADM 子系统等,生产厂商 相对较少,具备较强自主研发能力的厂商在竞争中占据有利位置。我国光器件行 业厂商众多,国内大多数厂商以中小企业为主,规模层次不齐,自主研发和投入 实力相对较弱,主要生产中低端产品,产品比较单一,普遍收入规模不大。

目前,光器件行业有源光器件市场要远大于无源光器件市场。有源光器件的光收 发模块占据了绝大部分光器件市场份额,据产业信息网统计,有源光收发模块的 产值在光器件中占比超过 60%,其在输入端、传输端等不同细分领域发挥着至关 重要的作用。此外,无源光器件需求在快速增加。在光纤到户的发展趋势下,从 局端机房到用户终端设备之间的光纤接入网建设规模增加,光纤路径复杂、连接 数量膨胀,各类光通信设备的使用量大增,相应地刺激了需求的快速增长。目前 我国光器件厂商占据全球约 15%市场份额,其中无源光器件的竞争力相对较高。

光芯片国产化产业现状:从产品路线来看,布局 DFB 激光器和 PIN 探测器的厂家更为 集中,而 VCSEL 的厂商较多,但由于人脸识别等传感市场的空间更多,所以仅专注于 数通市场的厂家则较少。当前中国光芯片企业已经可以实现 10G 及以下的 DFB 、FP、 VCSEL、PIN、 APD 光芯片进口替代,2020 年中国 10G 速率及以下光芯片国产化率已实 现完全替代,在接入网市场已经可以实现完全自给自足,但 1577nm EML 仍依赖进 口,国产化仍在进一步验证中,并有部分厂商推出 DML 方案进行替代;在 25Gbps 以 上,尤其是 EML 激光器芯片依然严重依赖进口,国产化芯片仍在验证提升的阶段,大 规模供应仍有待进一步突破。

但值得一提的是,受益于我国 5G 规模建设的提速,以 及全球化贸易摩擦,中国光芯片企业在 25Gbps CWDM/MWDM/LWDM 激光器突破方 面,展现出竞争能力的提升,超过 5 家企业已经可以实现批量生产供应。

激光器芯片 激光芯片(图9)

目前我国光芯片国产化挑战众多, 主要体现在以下几点:1)一是我国光电子芯片流 片加工严重依赖国外:高速DFB、EML 芯片所需的 InP 工艺,VCSEL 激光器所需的 GaAs 工艺等都依赖美国、中国台湾等国家和地区的代工资源,使得我国在国家各级研发计 划支持下发展的关键技术大量流失。由于缺乏完整、稳定的光电子芯片、器件加工工 艺平台以及工艺人才队伍,国内还难以形成完备的标准化光通信器件研发体系,导致 芯片研发周期长、效率低,造成我国光通信器件技术与国外差距逐渐扩大。

可工程化 的三五族材料工艺、硅光工艺平台能力,是制约国内企业与研究机构在高端光通信芯 片上快速创新的瓶颈,也是制约国产芯片大规模应用的主要瓶颈,换言之,外延生长 的质量决定光通信芯片的传输性能,为光通信芯片生产技术壁垒最高的环节,现阶 段,中国光通信芯片企业还未掌握成熟的外延技术,外延技术的落后拖累中国光通信 芯片的行业发展;

2)二是标准、专利等软实力建设意识、能力不足:在光通信器件 与模块的国际标准制定中,一直以来很少见到中国企业的身影。参与新标准的制定, 也意味着跟进行业发展潮流,甚至左右行业发展的方向,但国内标准普遍参照国际标 准执行,这导致了国内企业话语权的缺失,使得标准和行业发展以众多国外大企业的 意志为走向,这对国内企业十分不利。需要加强中国光通信器件厂家的基础研究、技 术预研,通过原创性、基础性技术的突破来进一步提升产业影响力与标准话语权;

3)三是光通信芯片相关配套行业领域基础薄弱,无法形成支撑:光通信器件产业发 展严重依赖于先进测试仪表、制造装备等基础性行业能力。国内仪表装备厂商基本从 事低端设备的开发,精度高、自动化程度高的设备大多严重依赖进口,光通信器件企 业固定资产投资负担重,还存在产业安全等问题。应提高对自主研发的光通信器件制 造与测试装备的重视程度,比如全自动高精度贴片机、全自动打线机、高速率光电信 号测试仪表及装备等。

激光器芯片 激光芯片(图10)

6. 光模块市场方兴未艾

从下游应用端市场规模来看,随着 5G 商用的普及,光通信器件市场已进入新的增长 周期。LightCounting 认为,2020 年和 2021 年,由于 COVID-19 大流行,人们开始转向 居家办公和学习,对更快、更普遍、更高可靠性的网络的需求更加强烈,虽然供应链 短缺仍在继续,但该行业能够在很大程度上克服这些问题,光器件和模块市场在 2020 年和 2021 年实现了强劲增长。同时 LightCounting 预测,光模块市场在 2021 年增长 9%,2020 年增长 17%之后,2022 年有望再次实现收入的强劲增长(预计 17%),同时 预计 2022-2027 年的年复合增长率为 12%。

2020 年度,全球光芯片市场规模约 20 亿美元,这其中约有 60%的营收来自于 InP 激 光器市场,包括 DFB 和 EML 芯片;25%来自于 PIN/APD/MPD 接收、监测芯片市场; 15%来自于 VCSEL 激光器芯片市场。我们预计 2020 年至 2025 年未来五年间,受益于 5G网络带动万物互联新应用,以及带动相应数据中心、接入网、城域骨干网等网络基 础设施的全面升级,高速光芯片将在 2023 年左右迎来高速发展期。

7. 中国光芯片企业步入高速发展期

根据 Yole 统计显示,到 2026 年全球光模块器件磷化铟衬底(折合两英寸)预计销量 将超过 100 万片,2019 年-2026 年复合增长率达 13.94%,2026 年全球光模块器件磷化 铟衬底预计市场规模将达到 1.57 亿美元,2019-2026 年复合增长率达 13.94%。 根据 Yole 预测,激光器是砷化镓衬底未来五年最大的应用增长点之一。预计到 2025 年,全球激光器砷化镓衬底(折合二英寸)的市场销量将从 2019 年的 106.2 万片增长 至 330.3 万片,年复合增长率为 20.82%;预计到 2025 年,全球激光器砷化镓衬底市 场容量将达到 6,100 万美元,年复合增长率为 16.82%。(报告来源:未来智库)

在具体应用方面,未来五年激光器砷化镓衬底的需求增长主要由 VCSEL 的需求拉动。 VCSEL 是一种垂直于衬底面射出激光的半导体激光器,在应用场景中,常常在衬底多 方向同时排列多个激光器,从而形成并行光源,用于面容识别和全身识别,目前已在 智能手机中得到了广泛应用。根据 Yole 预测,随着 3D 传感技术在各领域的深度应 用,VCSEL 市场将持续快速发展,继而加大砷化镓衬底的需求。2019 年,全球 VCSEL 器件砷化镓衬底(折合二英寸)销量约为 93.89 万片,预计到 2025 年将增长至 299.32 万片,年复合增长率达到 21.32%;2019 年全球 VCSEL 器件砷化镓衬底衬底市场规模约 为 2,100 万美元,预计到 2025 年全球砷化镓衬底市场规模将超过 5,600 万美元,年复 合增长率为 17.76%。

激光器芯片 激光芯片(图11)

根据感知芯世界的统计,当前从事光芯片制造的企业主要分布于美国,日本,韩国, 新加坡和中国;从数量上来看,中国的光芯片企业已然占据了优势,但从营收情况来 看,市场份额占比还远不及美日等企业。中国光芯片产业刚正从发展初期逐步进入高 速发展期,而较多的企业仍处于 Fabless 无外延能力的模式,仍需要借助中国台湾、新加坡 等地区外延支持能力。 从市场规模来看,中国光芯片市场 2019 年达到 4.2 亿美元,同比增长 9.52%,随着下 游需求的驱动,我们预计中国光芯片市场将从 2020 年市场规模 6.7 亿美元迅速增长到 2025 年 11 亿美元,CAGR 将达到 17.4%。虽然我国主流激光器专业厂商收入仍处于较 低水平,但近年来我国光芯片产业已进入迅速发展期,产品线布局、良率、市场规模 都取得了较快增长。

1)接入网市场:国产化完成替代,逐步走向创新引领

在 2009~2018 年长达十年的宽带接入市场快速发展中,中国已经成为全球最大规模的 光纤宽带接入市场,全球宽带接入占比高达 60%。用于接入网 PON 模块的 10G 及以下 速率的光芯片已可实现近乎 100%的供应能力,但 EML 相关依然需要进口,且因个别 客户对于芯片品牌的要求,日、美、韩等地领先的光芯片厂商依然占据一定的位置, 但份额逐年下滑。而随着我国率先进入千兆入户时代,我国光芯片产业有望进一步面 向下一代光接入网市场推出创新的光芯片解决方案。

2)5G 承载网络:前传国产化创新能力稳步提升

2020 年,我国 5G 基站进入大规模部署,我国光芯片、光模块厂商在 5G 前传光模块 的批量供应链条取得了长足的发展,并率先实现了新型标准的开发配套和批量商用。 从当前的情况来看,10G DFB 激光器芯片、PIN PD 探测器芯片、VCSEL 芯片均已经实现 了完全国产化替代,可以实现千万级规模化量产。而受益于中国 25G 光模块的规模招 标应用,国产化 25G DFB 激光器芯片也实现规模化批量生产,量产良率及后续市场开 拓有待进一步突破。

25G PIN PD 探测器芯片方面,也有不少国内厂商在 2020 下半年完 成批量化供货。 值得一提的是,助力 5G 建设,以源杰半导体、海信宽带、光迅科 技、敏芯半导体、中科光芯等国产化光芯片厂商陆续完善产品线,并率先推出 CWDM、MWDM、LWDM 等激光器芯片方案。尤其是在 25G MWDM12 DFB 激光器方 面,源杰半导体更是成为 2020 年度唯一一家实现批量商用的厂家。一定程度上,也 代表了国产化光芯片依靠强大的市场需求,进一步完善自身的创新能力。

3)数据中心市场:国产化替代下一个重要目标

数据中心市场是一个技术迭代速度很快的市场,普遍 3-5 年一个代际,因此,带给国 内光芯片企业更多的挑战,企业研发团队能否在 3 年内突破新技术存在极大的不确定 性,而市场迭代速度的加快,则让新兴企业追赶更加困难。因此,这一市场中的 25G EML 以上芯片几乎 95%由国际巨头芯片企业所垄断。当前重庆凌越光电,深圳斑 岩电子从 25G EML 起步,但能否实现批量出货还有待市场的验证。 25G 光芯片是 100G 及以上光模块的核心芯片之一,激光器方面,源杰半导体、三安 集成、敏芯等多家企业重点布局这一领域,源杰半导体率先推出 25G CWDM4 DFB 激 光器芯片并于 2020 年实现了批量供货并获得了客户的认可,随后敏芯、三安集成也 于去年底宣布实现批量出货。

与此同时,更多厂商开始布局外调制方式的 EML 激光器 的研究,光安伦也在 2021 年 8 月宣布推出 25G EML 激光器,我们预计在 2022 年将会 看到国内厂商在这一领域更多的突破;25G PIN 探测器芯片方面,芯思杰、三安集成 于 2020 年下半年开始向客户批量交付,苏纳光电,光森电子等也相继宣布实现小批 量;25G APD 方面,SiFotonics 则独占鳌头,芯思杰,敏芯等也于 2020 年正式发布了 相应的产品。在 25G VCSEL 芯片方面,华芯半导体、三安集成、长瑞光电、博升光 电、仟目激光也已经率先实现了批量供应的局面,并同时在布局 50G VCSEL,2021 年 年底前推出相应的样品。

激光器芯片 激光芯片(图12)

高功率光纤激光器芯片市场:国产替代进入加速期

1. 原理 高功率光纤激光器,是相对于光纤通讯中作为载波的低功率光纤激光器而言的,是在 光纤技术和激光泵浦原理基础上产生的新一代固态激光器,是 21 世纪最先进和最高 效的激光器。近年来,随着高功率半导体激光器泵浦技术和双包层光纤制作工艺的成 熟发展,高功率光纤激光器的高转换效率和高输出功率正在引起激光技术产业新的革 命。相比较传统的固体激光器,光纤激光器具有高光电转换效率,良好的激光束质 量、全固态结构以及散热方便等方面的优点,在许多应用领域具有广阔的发展前景。

光在光纤中的全反射传输现象在很早就已被发现,早期的光纤由于损耗较大(约 1000 dB/km),除了用于医疗器件中的成像元件外,很难在长距离下使用。20 世 纪 70 年代,光纤的损耗下降到 20 dB/km,目前制作的通信光纤的损耗在 1.55μm 波长已下降到 0.1 dB/km,这一进展带动了光纤通信革命性的变化。20 世纪 80 年 代,采用单模激光二极管作泵浦源,在单模光纤中获得数十毫瓦的激光输出,其 中工作波长为 1550nm 的掺铒光纤放大器成为光通信中十分有用的信号放大元 件。由于单模光纤纤芯直径十分细小,一般在 10μm 以下,要将更大的功率注入 到光纤纤芯中在技术上遇到了困难,为此,1998年出现了双包层光纤,它可以保 持细小的纤芯尺度,而使抽运光进入数百微米量级的内包层中。这一技术上的突 破式光纤激光器的输出功率在十余年内迅速上升。

光纤作为导波介质,纤芯直径小,纤芯内易形成高功率能量反转密度,可方便地 与目前的光纤通信系统高效连接。此外,光纤激光器具有高转换效率、低阈值、 高增益、输出光束质量好和窄线宽等特点:由于光纤可以很好的缠绕在一起,使 得激光器可设计得小巧便携、结构紧凑、高度集成;由于光纤具有很高的“表面 积/体积”比,系统自身散热效果好,所以光纤激光器只需简单的风冷就可以在-20~70℃的环境温度内工作,而且可以在环境恶劣的条件下工作,如在高冲击震 荡、高环境温度、高 PM 值的条件下正常运转;此外,光纤激光器具有相当好的 可调谐参数和选择性,能获得宽调谐范围和相当好的单色 性和高稳定性,平均无故障工作时间在 10kh 甚至 100kh。拥有众多令人瞩目的优 点,使得光纤激光器已在光纤通信、传感、工业加工、国防和军事等领域取得广 泛应用。

激光器芯片 激光芯片(图13)

与其他类型的激光器一样,光纤激光器由增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分组成。 光纤激光器使用纤芯中掺杂有稀土元素的有源光纤作为增益介质。一般采用半导体激 光器作为泵浦源。而谐振腔则一般利用反射镜、光纤端面、光纤环形镜或光纤光栅等 器件构成。具体工作过程为:在工作状态下,有源光纤(增益光纤)通过吸收泵源提供的能量,经有源光纤和光纤光栅组成的谐振腔激励放大后输出激光。

种子源:又称信号源,是激光放大系统中辐射放大的对象,提供低功率信号的激 光作为“种子”让放大系统依照这个“种子”的状态进行放大。有源光纤:有源光纤作为增益介质,在光纤激光器中的作用为实现将泵浦光到信 号光的能量转换实现放大作用。 无源光纤:无源光纤主要实现光传输的作用,不参与波长的转换。在光纤激光器 系统中,主要有光纤光栅、光纤隔离器中的无源匹配光纤和激光传能组件中的无 源多模大芯径传能光纤等。目前国内供应商的无源光纤产品已基本完全可以满足 生产需求,仅少量用于超高功率产品的无源光纤依然需要使用进口光纤。光纤激光器各组成部分均由多个核心光学器件制作而成,核心光学器件的技术水 平直接决定了光纤激光器输出的激光功率水平和性能参数,光学器件占光纤激光 器成本 60%以上。

2. 分类-按系统结构:单振荡器结构与 MOPA 结构光纤激光器

得益于光纤激光器件能力的提升,特别是光纤布拉格光栅(FBG)功率负载能力的提 升,近年来基于单振荡器构型的高功率连续光纤激光器输出功率不断提高,从早期的 500 W 到 750 W,再到目前的 6-8kW。功率的大幅提升使其在激光切割、焊接、熔覆 及 3D 打印等先进制造领域得到广泛应用。 采用单振荡器构型的好处在于激光器结构较为简单,且系统抗反激光能力更强。而当 激光器功率进一步提升,或者对光谱、偏振态等特性有更复杂的要求时,这就需要采 用 MOPA 构型。MOPA(Main Oscillator and Power Amplifier)中文全称为主振荡器加功 率放大器,是相对于单振荡器构型而言的一种激光器构型,特指基于电调制种子源加 一级或多级功率放大器的光纤激光器。国外代表性厂商有 SPI,国内代表厂商有杰普 特、光至科技。

MOPA 构型是激光器设计上难度与复杂度权衡的结果。基于单振荡器构型去实现 激光器所有输出指标,过于困难或者根本做不到;增加放大器,加大了激光器的 复杂度,却缓解了难度瓶颈。在高功率激光器设计时,通过 MOPA 结构可将功率 提升和参数控制的难度分散在振荡器和放大器中。也就是说,振荡器主要关注除 功率外的频域和时域参数的调控,功率放大则主要由单级或多级放大器来完成。 换言之,激光器除功率外的主要性能基本上是由振荡器决定;(报告来源:未来智库)

高反射材料切割和焊是激光加工的一大难题,因为高反材料通常对光纤激光的吸 收率很低,而且吸收的热量很快会扩散,这对激光加工就造成了很大难度;同 时,激光照射到这些高反材料上,大部分能量会被反射出去,反射的激光有可能 会返回激光器内部,在加工过程中出现出光不稳定、或停止出光现象,甚至还会 对激光器造成很大的损伤,缩短激光器的寿命。这些原因导致长期以来,高功率 工业用光纤激光器均采用单腔模块而不使用主震荡功率放大器的结构。但是近年 来,人们通过采用特殊手段对工业加工中产生的反向光信号进行滤除处理之后, 也成功地将 MOPA 连续光纤激光器应用于激光切割、焊接等领域。目前工业级 MOPA 结构单模组连续光纤激光器的输出功率已达 10-20kW。

激光器芯片 激光芯片(图14)

提高光纤激光器输出功率,有两种路径,第一是提高单谐振腔输出功率,第二是采用 多光路合束输出。工业加工用的高功率多模连续光纤激光器是由数个单模连续光纤激 光器通过光纤激光功率合束器进行非相干功率合束而成。目前,商用的工业级单纤单 模连续光纤激光器及多模合束连续光纤激光器的最高输出功率分别达到 20 kW 及 500 kW 量级,而在市场广泛应用的多模连续光纤激光器的功率一般在 3-30 kW 量级。

光束合成分为相干合成和非相干合成两大类。在非相干合成领域,又分成功率合 束器和光谱合束两种方式。尽管相比光谱合束等其他新型合束方案,通过光纤功 率合束器会带来较多的光束质量退化,但是它仍然是目前应用最早、技术最成 熟、方案最简洁、运行最稳定的一种方式。 单模:IPG 已推出单模 20kW 连续光纤激光器,国内国防科大、海富光子、中科 院拥有单模 10kW 连续光纤激光器能力; 多模合束:IPG 已推出多模合束 500kW 连续光纤激光器,国内创鑫激光推出多模 合束 35kW 连续激光器,锐科激光、飞博激光、海富光子、上海光惠、大科激光 等推出相应 10-30kW 产品。

3. 分类-按工作模式:连续与脉冲光纤激光器

根据激光的脉冲宽度,通常将激光分成连续波(CW)、准连续(QCW)、短脉冲(QSwitched)、超短脉冲(Mode-Locked)四类。毫秒、 微秒、纳秒、皮秒、飞秒等时间 表示的是一个激光的脉冲宽度(简言之就是在如此短暂的时间内输出一个脉冲激 光)。当输出单脉冲时间很短时,激光的能量便在如此短的时间内集中释放,即可获 得巨大的单脉冲能量和极高的峰值功率,在进行材料加工时,可很大程度上避免长脉 宽、低强度激光造成材料熔化与持续蒸发现象(热影响),大大提高加工质量。

准连续波又称长脉冲,可产生 ms-μs 量级的脉冲,占空比为 10%时(一个脉冲周 期内激光出光时间所占的比例),可使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值 功率,对于钻孔、热处理等应用来说相当有利。

短脉冲指的是纳秒量级的脉冲,广泛应用于激光打标、雕刻以及激光清洗领域、超短脉冲则是通常所说的超快激光,包括达到 ps、fs 量级的脉冲激光,当激光以 皮秒、飞秒量级的脉冲时间作用到材料上时,会使加工效果发生显著变化。飞秒 激光能聚焦到比头发直径还要小的空间区域内,使电磁场的强度比原子核对其周 围电子的作用力还要高出数倍,从而实现许多地球上所不存在的、其他的方法也 无法得到极端物理条件。随着脉冲能量急剧上升,高功率密度的激光脉冲能轻易 地剥离外层电子,使电子脱离原子的束缚,形成等离子体。

由于激光与材料相互 作用的时间极短,等离子体还没来得及将能量传递给周围材料,就已经从材料表 面被烧蚀掉,不会给周围的材料带来热影响,因此超快激光加工也被称为“冷加 工”。同时,超快激光几乎可加工所有的材料的精密加工,包括金属、半导体、 钻石、蓝宝石、陶瓷、聚合物、复合材料和树脂、光阻材料、薄膜、ITO 膜、玻 璃、太阳能电池片等等。

从应用来看,高功率连续光纤激光器主要应用于激光切割、焊接、熔覆及 3D 打 印等领域;高功率纳秒脉冲光纤激光器主要应用于激光打标、雕刻以及激光清洗 领域;高功率超短脉冲光纤激光器主要应用于精细加工领域。从国内外几家公司的发展情况来看,纳秒脉冲光纤激光器差别不是很显著。美国 IPG 的脉冲光纤激光器可以达到 5000 W 以上,脉冲能量在 100 mJ;而我国基本上 在 1000 W 以上,脉冲能量在 30-50 mJ,差距正在逐渐缩小。

激光器芯片 激光芯片(图15)

1)调 Q 光纤激光器

从技术上讲,可利用主动调 Q 技术实现纳秒脉冲光纤激光器。主动调 Q 激光器即在连 续激光器中插入了一个 Q 开关。所谓 Q 值,可简单理解为振荡器内激光传输的损耗。 例如光纤激光器中按销量计算排第一的调 Q 激光器,就是在连续振荡器腔内插入光纤 声光调制器(AOM),通过控制 AOM 的周期性开关来获得特定重频和脉宽的激光信号 输出。AOM 关闭时,腔内增益光纤在抽运激发下储存能量;AOM 开启时,信号脉冲 产生并经腔内多次反射和增强,最终形成较强的激光脉冲输出,类似于水坝蓄水和泄 洪。

受限于 AOM 本身的工作带宽和重频,调 Q 光纤激光器典型的工作脉宽在数十到 数百纳秒范围且无法主动调整,脉冲重频则在 10 kHz 到 100 kHz 范围。主动调 Q 技术 可将脉宽压缩至纳秒量级,峰值功率达 10^6W 以上。 高功率纳秒脉冲光纤激光器主 要应用于激光打标、雕刻以及激光清洗领域。 纳秒脉冲光纤激光器是最早实现工业化应用的光纤激光器之一,早在 2003 年,国内 第一台应用纳秒脉冲光纤激光器的激光打标机就已问世。经过近 20 年的发展,激光 打标机市场已经是一片红海,而低功率纳秒脉冲光纤激光器也逐渐成为光纤激光器家 族中“高产量、低价格”的代表。最近几年,随着脉冲能量的不断提升,纳秒光纤激光 器在激光清洗行业得到应用并快速发展,让这一类型光纤激光器增添了新的活力。

2)锁模光纤激光器

超短脉冲光纤激光器需要采用锁模技术来实现对脉冲宽度的进一步压缩。可以将锁模 理解为激光振荡器内有一个超高速的 Q 开关机制,而且开关的重频是由振荡器腔长决 定的。产生这种高速开关的机制很多,比如可饱和吸收体(SESAM)、非线性偏振旋 转(NPR)以及非线性相移镜(NLM)等。皮秒甚至飞秒量级锁模脉冲的形成,是振 荡腔内激光增益、损耗、色散以及非线性效应综合作用的结果,在特定参数条件下还 会产生能够保形放大的孤子脉冲(Soliton)。锁模技术则可将激光脉宽进一步压缩至 皮秒或飞秒量级,峰值功率达 10^12W 以上。高功率超短(皮秒、飞秒)脉冲光纤激 光器主要应用于精细加工领域。

总结来看,实现脉冲激光输出主要有三种:主动调 Q/锁模、被动调 Q/锁模、使用直 接脉冲调制的半导体激光器作为种子源的 MOPA 结构。MOPA 结构采用半导体激光器 直接调制作为种子源,通过多级放大器实现对种子光源高功率放大,可根据用户实际 需求分立调节激光器的脉冲宽度与输出频率,比固定脉宽脉冲光纤激光器拥有更为广 泛的应用场景。

阳极氧化铝表面处理:3C 产品外壳多采用轻薄的氧化铝材料。MOPA 激光器采用 窄脉宽、高重频的参数在阳极氧化铝材料表面作黑色标刻应用的成功,是其爆发 式增长的一个里程碑,并且可以通过不同的参数组合标刻出不同灰度效果。类似 的还有氧化铝薄板表面剥除应用。采用 MOPA 光纤激光器窄脉宽参数,可以达到 高峰值功率去除阳极层的同时,降低热传递和热累积,使得材料不易变形,底纹 也更加细腻亮白。

异种金属焊接:因异种金属之间的熔/沸点差异较大, 常规的热传导焊接方式不 能建立有效的焊接点。异种金属焊接作为 MOPA 光纤激光器另外一个标杆性的应 用也是利用其特有的窄脉宽、高峰值功率来降低金属间化合物的形成,从而形成 牢固的连接结构。 相较于调 Q 光纤激光器,MOPA 光纤激光器虽然属于后来者,但 MOPA 光纤激光器产 生的激光参数覆盖更广、调节更为灵活、应用范围更全面,而在相同功率的情况下, 调 Q 光纤激光器更具成本优势,对于一般加工要求的金属标刻,深雕等应用场景而 言,调 Q 光纤激光器有着较高的市场占比。因此,这两种激光结构在纳秒脉冲激光加 工的应用市场上呈现出互补的状态。(报告来源:未来智库)

激光器芯片 激光芯片(图16)

4. 全球增速有所放缓,中国市场畅旺

在光纤激光器诞生以前,市场上用来作材料处理的工业激光主要是气体激光器和晶体 激光器。对比体积大、结构复杂、维护困难的 CO2 激光器、能量使用率偏低的 YAG (钇铝石榴石晶体)激光器、激光质量不高的直接半导体激光器,光纤激光器具有单 色性好、性能稳定、耦合效率高、输出波长可调等多种优点,同时拥有加工能力强、 电光效率高、光束质量好、使用方便灵活、材料适应性好、适用场合广泛、维护需求 小、运行成本低等诸多优势,因此广泛应用于雕刻、打标、切割、钻孔、熔覆、焊 接、表面处理、快速成形等材料加工领域,被誉为“第三代激光器”。

光纤激光器按用途可以分为打标、微材料加工、宏观材料加工三大类。其中,微材料 加工包括了除打标以外,所有输出功率小于 1,000W 的激光器应用;宏观材料加工包 括了所有输出功率大于等于 1,000W 的激光器应用,主要为金属切割和焊接。

2013-2018 年,全球(工业)光纤激光器市场增长迅速,从 2013 年的 8.41 亿美元增加 至 2018 年的 28.9 亿美元,年复合增长率为 24.8%。2018 年之后,市场趋于饱和,整 体市场基本稳定在 26-28 亿美元。随着美国 IPG 公司 2003 年在中国卖出第一台调 Q 脉冲光纤激光器开始,商用的 脉冲光纤激光器在中国市场的发展正式拉开帷幕。2004 年,基于南安普顿大学为 技术基础的英国 SPI 公司将 MOPA 可调脉宽光纤激光器以美国苹果公司产品的应 用为契机推入了中国市场。自此之后长达 5 年时间里,中国光纤激光器市场(调 Q 光纤激光器与 MOPA 光纤激光器)被这两家激光公司垄断了近乎 90%以上的份 额。

2008 年,武汉锐科推出了第一台国产商用调 Q 脉冲光纤激光器, 率先打破了美国 IPG 的垄断格局。2009 年,锐科调 Q 光纤激光器已经开始小批量供应市场,并初 步获得了市场对国产激光器的认可。2009 年初,深圳杰普特首先推出国产商用 MOPA 脉冲光纤激光器,打破了英国 SPI 的垄断局面。紧接着,深圳创鑫也向市 场推出了商用调 Q 脉冲光纤激光器产品。经过这些年的发展,武汉锐科在中高功 率连续光纤激光器领域,锐科、杰普特、创鑫等公司在脉冲光纤激光器领域逐步 占据国内较大的市场份额,国产光纤激光器正在逐渐夺回中国市场。

当前国产调 Q 脉冲光纤激光器主要供应商包括武汉锐科、深圳创鑫、深圳联品、 中科光汇等;而深圳杰普特凭借 MOPA 脉冲光纤激光器的独特技术优势进一步巩 固了自己的 MOPA 光纤激光器的行业龙头地位。甚至在中高功率连续光光纤激光 器这一国外产品传统优势领域,也已经形成以武汉锐科为首的一批优秀的国产品 牌:深圳创鑫、深圳杰普特、上海飞博、中科光汇、深圳联品、海富光子等。 中国作为全球光纤激光器的工业化应用的最大市场,自 2018 年开始,整体市场增速 也开始下降。《2020 中国激光产业发展报告》数据显示,近两年我国光纤激光器市场 仍保持稳定增长,2021 年中国光纤激光器市场规模约为 108.6 亿元,占全球(工业) 光纤激光器市场比例约 60%,同比增速约 15%。

激光器芯片 激光芯片(图17)

在行业规模的持续扩大下,我国光纤激光器相关技术研发也不断提速。目前在我国光 纤激光器市场中,行业龙头技术持续突破,国产光纤激光器已经形成突破的功率段, 技术水平已与国际接轨。具体来看,目前我国低功率光纤激光器技术逐渐成熟且成本 低,国内市场基本实现了国产化;中功率光纤激光器国产化率过半;高功率光纤激光 器将成为市场争夺主战场,国产化进展迅猛。数据显示,截至到 2019 年,我国低功 率光纤激光器(多数为纳秒脉冲的光纤激光器)国产化率已达 98.2%以上,中功率光 纤激光器国产化率已达到 52.1%以上;高功率光纤激光器国产化率快速提升,已达 60%左右。从结构上来看,前三甲依然是IPG、锐科激光、创鑫激光,而随着国产品牌 的强势崛起,IPG 的市场份额较 2019 年有了明显下滑,虽仍为霸主但国内厂商与其差 距正渐逐渐缩小。

国产低功率光纤激光器主要用于 3C 产品打标、微雕等精细加工领域; 国产中功率光纤激光器广泛应用于金属薄板切割和焊接领域;国产千瓦级以上的高功率光纤激光器主要应用于激光切割、打孔、焊接等领域。

5. 激光芯片国产化率仍处于较低水平,国产替代进入加速期

目前,大功率半导体激光芯片主要是由西方发达国家的几家公司所垄断,如美国的 IIVI、lumentum、nLight、IPG、Coherent, 德 国 的 Dilas、Jenoptic、Osram 等 , 其 中 nLight、IPG 自产芯片仅用于生产自身下游产品,不对外销售。

我国激光技术的起步虽然与国外基本同步,但是产业化进程较慢,尤其在半导体激光 芯片制造等核心技术领域较国外发达国家落后,因此造成了我国激光产业结构的不均 衡,中低端工业激光器相对能够自给自足,但是高端激光器则需要从国外进口,而半 导体激光芯片作为工业激光器的核心器件,仍严重依赖进口。目前我国低、中、高功 率光纤激光器国产化都已超过半数,但其中的泵浦源-半导体激光芯片的国产化率仍处 于较低水平。我国激光芯片产业参与厂商主要有长光华芯、华光光电、武汉锐晶、瑞 波光电、纵慧芯光(VCSEL)等,芯片封装领域的代表公司有炬光科技、凯普林、星 汉激光等。

根据长光华芯的测算,2020 年全球激光芯片的市场规模约为 18.30 亿元,我国国内市 场激光芯片的市场规模约为 5.29 亿元。同时长光华芯预估自身高功率半导体激光芯片 (换算为芯片销售额约 7,091 万元)在全球市场的占有率为 3.9%,在国内市场的占有 率为 13.4%(国内份额第一),而锐晶在全球及国内的份额则分别为 2.1%、7.4%。当 前以长光华芯、武汉锐晶、瑞波光电为代表的国产激光芯片厂商的产品在中高端芯片 市场已具备相当的竞争实力,在以锐科、创鑫、飞博、大科、光惠等为代表的下游激 光器厂商技术水平不断提升,我国激光芯片产业进入国产替代的加速期已成必然趋 势。

激光器芯片 激光芯片(图18)

根据《2021 年中国激光产业发展报告》,2020 年全球激光器销售额为 160.10 亿美 元,2021 年全球激光器销售总额有望继续取得 15%左右的增长,达到 184.80 亿 美元,2020 年材料加工与光刻市场、通信与光存储市场、科研与军事市场、医疗 与美容市场、仪器与传感器市场及娱乐、显示与打印市场占比分别为 39.60%、 24.50%、13.80%、5.70%、12.60%及 3.80%,其中主要使用高功率半导体激光芯片 的市场为材料加工与光刻市场、科研与军事市场、医疗与美容市场,合计占比为 59.10%,市场规模为 94.62 亿美元,以 1:6.50 的汇率折算为 615.03 亿元人民 币。

根据国内第一大激光器厂商锐科激光的销售毛利率,激光器行业平均毛利率 为 30.00%,另根据《激光制造商情》(2020 年 08 月刊 130 期),泵浦源(光纤耦 合模块)是激光器的核心器件之一,占光纤激光器成本比例高达 50%。因此按照 激光器行业平均 30.00%的毛利率以及泵浦源(光纤耦合模块)占激光器 BOM 成 本的 50.00%测算,2020 年全球光纤耦合模块的市场规模约为:615.03*(1-30%) *50%=215.26 亿元,按照公司泵浦源(光纤耦合模块)平均 15%的毛利率以及激 光芯片占泵浦源(光纤耦合模块)BOM 成本的 10%测算,2020 年全球激光芯片 的市场规模约为:215.26*(1-15%)*10%=18.30 亿元。

根据《2021 年中国激光产业发展报告》,2020 年我国光纤激光器市场规模为 94.20 亿元,根据 StrategiesUnlimited,2009 年至 2019 年,光纤激光器在工业激 光器中的市场份额由 14.00%迅速增加至 53.00%,因此工业激光器的整体市场规 模约为177.74亿元。按照行业平均30.00%的毛利率以及泵浦源(光纤耦合模块) 占激光器 BOM 成本的 50.00%测算,2020 年光纤耦合模块的市场规模约为: 177.74*(1-30.00%)*50.00%=62.21 亿元,按照公司泵浦源(光纤耦合模块)平 均 15%的毛利率以及激光芯片占光纤耦合模块 BOM 成本的 10%测算,2020 年我 国国内市场激光芯片的市场规模约为:62.21*(1-15%)*10%=5.29 亿元。

6. 重点企业分析

1)光库科技

公司是专业从事光纤器件设计、研发、生产、销售及服务的高新技术企业,主要产品 应用于光纤激光产业和光纤通信网络,所处细分行业为光电子器件行业,处于光纤激 光和光通信产业链的上游。公司生产的光隔离器、偏振分束/合束器、耦合器、波分 复用器、铌酸锂调制器等多种光学器件,销往 40 多个国家和地区,广泛应用于光纤 激光、光通讯、航空航天、传感医疗、科研等领域。(报告来源:未来智库)

激光器芯片 激光芯片(图19)

公司已掌握先进的光纤器件设计 和封装技术,铌酸锂调制器芯片制程和模块封装技术、高功率器件散热技术、光纤器 件高可靠性技术、保偏器件对位技术、光纤端面处理技术等均处于国际先进水平。 光纤器件的技术含量高,其技术涉及到光学与光电子学、材料科学、信息与通信、机 械工程等多个技术领域,是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术领域,通过 多年积累,公司已掌握先进的无源光纤器件设计、模拟和生产技术,其中高功率器件 消除热透镜技术、高功率光纤光栅刻写技术,航天及海底高可靠性技术、保偏器件对 位技术、光纤及光学元器件端面处理技术、光纤金属化技术、光纤透镜技术、高精度 微光学连接技术等均处于国际先进水平。

光纤激光器件行业:公司较早进入光纤激光器件领域,积累了丰富的研发经验和大批 优质知名客户,公司在产品类型、功率负载能力、可靠性、小型化和集成化等多个方 面引领行业的发展方向,在行业内享有较高的品牌知名度。公司自主研发的多款应用 于光纤激光的元器件,如自由空间准直输出光纤隔离器、应用于 MOPA 激光器的在线 隔离器、连续光纤激光器的光纤光栅等核心光纤元器件市场占有率国内领先,隔离器 类产品市场占有率行业领先。公司自主研发的 10kW 合束器、3kW 光纤光栅、500W 隔 离器、10kW 激光输出头等多款产品达到全球先进水平。

在光通讯器件行业,公司光 通讯器件产品广泛应用于光纤通信网络的系统设备中,处于光通信产业链的上游。在 光通讯领域,公司凭借保偏光纤器件处理技术和高可靠性器件技术,在保偏光无源器 件领域保持相对领先地位。近年来,公司通过垂直整合、技术创新等方式,建立了从 原料光学冷加工、机械件加工、光学镀膜、光纤金属化到光无源器件和光无源模块等 全方位的研发和生产体系。

在数据通讯领域:公司的核心竞争力在于光学组件的先进制造和封装技术、高速光学 连接组件的设计能力和对定制产品批量生产的快速转化能力。公司致力于研发生产高 端光纤连接产品、微光学连接产品、保偏光纤阵列和高密度光纤阵列,主要应用于 40Gbps、100Gbps、400Gbps、800Gbps 等高速、超高速光模块、相干通讯和 WSS 模块 中,并成为多家大型数据通讯公司的核心供应商。

铌酸锂调制器及光子集成行业:在光学芯片领域,公司生产的 400/600Gbps 铌酸锂相 干调制器、20/40GHz 模拟调制器、有线电视用双输出模拟调制器、10Gbps 零啁啾强 度调制器等,广泛用于超高速干线光通信网、海底光通信网、城域核心网、CATV 网 络、测试及科研等领域,是目前在超高速调制器芯片和模块产业化、规模化领先的三 家公司之一。未来公司将充分利用铌酸锂系列高速光调制器芯片及器件在通讯、数据 中心、传感等领域的市场机遇和技术领先能力,凭借公司在技术开发、质量管控、市 场开拓、成本管控等方面的优势,拓展并引领铌酸锂系列高速光调制器芯片及器件产 品市场,扩大生产规模并丰富产品线,开发研制薄膜铌酸锂等下一代调制器技术及相 关光子集成产品。

激光器芯片 激光芯片(图20)

2)福晶科技

公司主要从事非线性光学晶体、激光晶体、精密光学元件和激光器件的研发、生产和 销售,产品广泛应用于激光、光通讯等工业领域。公司产品涵盖晶体元器件、精密光 学元件和激光器件三大类,其中晶体元器件产品包括非线性光学晶体、激光晶体、磁 光晶体、双折射晶体、声光和电光晶体、闪烁晶体等多种功能晶体;精密光学元件产 品包括窗口片、反射镜、棱镜、偏振器、柱面镜、球面透镜、非球面透镜、波片、分 光镜、衍射光栅及其他特色光学元件等;激光器件产品主要包括磁光器件、声光器 件、电光器件、驱动器、光纤传输系统、光开关、光学镜头等。

公司产品主要用于固 体激光器、光纤激光器的制造,是前述激光器系统的核心元器件,部分精密光学元件 应用于光通讯、AR、激光雷达、半导体设备和科研等领域。 经过三十余年的发展,公司在晶体生长、光学加工、器件合成、市场营销、技术服 务、业务管理等方面积累了丰富的经验,形成了晶体、精密光学和激光器件产品完善 的加工链和供货能力。产品已被相干、光谱物理、通快、IPG、大族激光、英诺激 光、英谷激光、华日激光、锐科激光、创鑫激光、杰普特等国内外知名激光器公司广 泛采用。公司与客户建立了良好的合作关系,在客户中享有良好的声誉,并树立了良 好的品牌形象。

公司品牌“CASTECH”已在全球激光界树立了高技术、高品质、优服务 的市场形象,核心晶体产品被国际业界誉为“中国牌”晶体。晶体核心产品处于行业领 先地位,其中 LBO、BBO 全球市场占有率第一;精密光学产品业务规模稳步提升;自 主研发的声光器件、磁光器件等器件产品获得紫外激光器、光纤激光器、超快激光器 及光通讯客户的认可并实现批量供应,部分器件产品打破国外厂商垄断局面并实现国 产替代。随着产品体系的丰富和完善,公司综合竞争能力进一步增强,成为业内少数 能够为激光客户提供“晶体+光学元件+激光器件”一站式综合服务的供应商。(报告来源:未来智库)

随着激光技术的日益成熟和国产化进程加快,激光技术的应用场景不断丰富,在高端 制造领域发挥了举足轻重的作用。国内激光产业实现了快速发展,产业链相关厂商取 得良好的业绩,公司主要客户 2021 年度订单和发货量均实现不同程度的增长。相关 上市公司披露的 2021 年度报告显示,大族激光、华工科技、锐科激光、杰普特、光 库科技 2021 年度营业收入分别比上年增长 36.76%、65.65%、47.18%、40.50%、 35.84%。激光器和激光装备市场需求旺盛,从而带动了晶体、精密光学元件、激光器 件等产品的业务需求。

激光器芯片 激光芯片(图21)

3)腾景科技:掌握光学镀膜、平面光学、模压非球面、光纤器件四大核心技术

公司主要面向光通信、光纤激光等领域提供精密光学元件、光纤器件产品。公司建立 了光学薄膜类技术、精密光学类技术、模压玻璃非球面类技术、光纤器件类技术等四 大类核心技术,涵盖了光电子元器件制造的主要环节,涉及光电子元器件镀膜、光学 元件精密加工、模压玻璃非球面透镜、光纤器件制造等关键技术。

光学元件产品主要 包括平面光学元件、球面光学元件、模压玻璃非球面透镜等;光纤器件产品主要包括 镀膜光纤器件、准直器、声光器件等。 在光通信领域,公司的精密光学元件、光纤器件应用于光收发模块、动态可调模块 (如 WSS 模块)等各类光模块与子系统,终端应用于电信网络、数据中心等信息网络 设施,助力光通信系统向更高传输速率和带宽容量发展,支撑 4G/5G 等通信技术和大 型数据中心的迭代升级。例如,光收发模块(光模块的一种)中,其主要构成包括滤 光片、偏振分束器(PBS)、消偏振分束器 NPBS)、棱镜、透镜、非球面透镜等各类光 学元件,以及环行器、准直器、合波分波组件、光复用器等光纤器件。

光电子元器件 的指标水平和可靠性决定了光模块、光设备的光学性能和可靠性,因此光学元件、光 纤器件构成了光通信产业的基础性支撑。公司已与 Lumentum、Finisar、华为等全球主 要的光模块厂商建立了合作关系。 在光纤激光领域,公司生产的精密光学元件以及镀膜光纤线、准直器、声光器件等光 纤器件产品,已应用于光纤激光器的量产。公司产品具有较高的激光损伤阈值,是高 功率光纤激光器的关键元器件,助力高功率激光器技术的创新发展。公司已与锐科激 光、nLight 等国内外主要的工业激光器厂商建立了合作关系。

在激光雷达应用领域方面,公司表示:“目前业务拓展正在稳步推进中,一方面是产 品验证正在进行中,另一方面是客户验厂也正在推进中。因为验证的产品种类多,各 类产品的验证进度会有差异,进度快的产品会优先推进量产工作,目前尚无明确的量 产时间。” 在 AR 应用领域方面,公司表示:“除了在光机部分给客户提供精密光学元件产品外, 公司的几何光波导技术方面的大视场角二维波导片正在客户送样验证中,已取得积极 进展;在衍射光波导技术方面,相关的研发工作也正在推进中。量产的时间取决于客 户及下游终端需求增长情况,公司正不断加强技术攻关、工艺改进,持续完善和丰富 在 AR 领域的技术储备和产品矩阵,为后续的业务拓展做好准备。”

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】未来智库 - 官方网站

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