光芯片按功能可以分為激光器芯片和探測器芯片，其中激光芯片主要用于發(fā)射信號，當注入電流＞閾值電流時，就可以發(fā)射出特定波段的激光，從而將電信號轉化為光信號。

1.政策分析

1.1政策背景

激光芯片是決定激光器性能的關鍵因素，對激光應用的精度、效率和可靠性有著直接的影響。其處于激光產業(yè)鏈上游的關鍵環(huán)節(jié)，影響中下游的器件制造和系統(tǒng)集成，在工業(yè)制造、醫(yī)療科技、通信、國防等諸多領域具有廣泛應用。因此掌握激光芯片技術對于提升國家科技實力和產業(yè)競爭力具有重要意義，近年來政府對激光產業(yè)的政策支持傾斜力度不斷加大，國家對突破激光產業(yè)“卡脖子”技術瓶頸寄予厚望。

1.2政策概要

2016年12月，國務院發(fā)布《“十三五“國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出“研制推廣使用激光、電子束、離子束及其他能源驅動的主流增材制造工藝裝備，加快研制高功率光纖激光器”。

2018年1月，國家知識產權局發(fā)布《知識產權重點支持產業(yè)目錄（2018年本）》提出“激光器核心功能部件、先進激光器及高端激光制造工藝裝備、先進激光制造應用技術和裝備、大功率激光材料”。

2020年1月，科技部、發(fā)展改革委、教育部、中科院、自然科學基金委聯(lián)合發(fā)布《加強“從0到1”基礎研究工作方案》提出“國家科技計劃突出支持關鍵核心技術中的重大科學問題。面向國家重大需求，對關鍵核心技術中的重大科學問題給予長期支持。重點支持3D打印和激光制造、光電子器件及集成、集成電路和微波器件等重大領域，推動關鍵核心技術突破“。

2021年1月，工信部發(fā)布《基礎電子元器件產業(yè)發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》提出“重點發(fā)展高速光通信芯片、高速高精度光探測器、高速直調和外調制激光器、高速調制器芯片、高功率激光器、光傳輸用數(shù)字信號處理器芯片、高速驅動器和跨阻抗放大器芯片”。

2023年7月，國家發(fā)改委發(fā)布《產業(yè)結構調整指導目錄（2023年本）》鼓勵類目錄提到“增材制造裝備及專用材料，激光器、電子槍、掃描振鏡等關鍵零部件”。

1.3政策解讀

2016年《“十三五“國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》正式將激光器及其上下游產業(yè)鏈納入重點關注扶持的戰(zhàn)略性新興產業(yè)。作為國家重點發(fā)展和亟需知識產權支持的重點產業(yè)，激光制造產業(yè)正逐步實現(xiàn)核心元器件和材料的國產化，加快高功率激光器的進口替代進程。

2020年相關政策將激光制造列入要實現(xiàn)0到1的原創(chuàng)性突破的領域，著重關注激光器件核心技術中的重大科學問題。從整體政策趨勢來看，針對激光芯片行業(yè)的支持重點將更聚焦核心技術突破，突破制約行業(yè)發(fā)展的專利、技術壁壘，以打通產業(yè)鏈、保障激光產業(yè)安全穩(wěn)定發(fā)展。

2.行業(yè)概況

2.1行業(yè)市場規(guī)模

2.1.1中國激光器市場規(guī)模達876億元，占據(jù)全球市場過半份額

根據(jù)光電匯OESHOW的數(shù)據(jù)，以銷售收入為基準的2021年全球激光器市場規(guī)模達210.1億美元，同比增長率為16.40%，2022年全球市場規(guī)模順勢繼續(xù)增長至232億美元。我國激光產業(yè)的發(fā)展速度略高于制造業(yè)的整體發(fā)展速率，以銷售收入為基準的2021年中國激光器市場規(guī)模達821億元，同比增長17.85%，到2022年中國激光器市場規(guī)模進一步擴大至876億元，占據(jù)全球過半份額。

圖1 中國激光器市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

2.1.2半導體激光器市場規(guī)模達140億元，占據(jù)激光器市場16%份額

根據(jù)增益介質的不同，激光器可以分為固體激光器、半導體激光器、光纖激光器、氣體激光器等。根據(jù)LaserFocusWorld統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年不同介質激光器市場占比分別為光纖53%、半導體16%、氣體16%、固體15%。根據(jù)激光器市場規(guī)?？赏频?022年我國半導體激光器市場規(guī)模約為140億元。

圖2 不同類型激光器市場占比格局

2.1.3光芯片市場規(guī)模達14.97億美元，VCSEL激光芯片占15%

光芯片與光通信和光模塊密不可分。根據(jù)億渡數(shù)據(jù)，2021年我國光芯片市場規(guī)模達14.97億美元，2015-2021年復合增長率達14.94%，預計2026年我國光芯片市場將增長至29.97億美元。其中VCSEL激光芯片的需求不斷擴大，2021年我國VCSEL芯片市場規(guī)模約為2.4億美元，占據(jù)光芯片市場的約15%，預計至2026年，我國VCSEL芯片市場規(guī)模將增長至4.3億美元。

圖3 通信光芯片市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

2.1.4中國非光通信激光芯片市場規(guī)模達17.3億元，增長率高達33.3%

高端制造與醫(yī)療器械等領域對激光器需求持續(xù)擴大，非光通信類激光芯片高速增長，根據(jù)華泰證券測算，中國非光通信類激光芯片市場規(guī)模由2021年的8.9億元增長至2023年的17.3億元，2021~2023年年復合增長率為33.3%[9]，行業(yè)處于成長期，未來仍將保持高速增長。

圖4 中國激光器市場規(guī)模發(fā)展態(tài)勢

 2.2行業(yè)市場前景

2.2.1產業(yè)升級催生大量下游應用需求，激光芯片商業(yè)機遇龐大

半導體激光芯片制造業(yè)產業(yè)升級中扮演關鍵角色。從賦能高端制造角度來看，大功率加工和小功率精細加工均為產值相當?shù)男袠I(yè)熱點，均對半導體激光芯片產生了巨大需求。從產品應用角度觀察，除了高端制造領域的快速增長外，激光測距雷達、3D傳感、精準醫(yī)療器械、高通量低延時通信、激光掃描等市場也在迅速發(fā)展，為激光產業(yè)鏈尤其是激光芯片制造商帶來了巨大的商業(yè)機遇。

2.2.2聚焦材料與結構強化功率與效率，高集成定制功能形成趨勢

激光芯片技術發(fā)展路徑多樣，提高功率和效率是攻關升級的抓手之一，以滿足工業(yè)激光器對更高功率和更好光束質量的需求，為此更短的波長和更快的頻率將是研發(fā)重點。提供研究新型半導體材料（如二維材料）和創(chuàng)新的芯片結構設計以提升激光芯片的性能，并且隨著系統(tǒng)集成度的提高，激光芯片將趨向更小的尺寸和更高的集成度，針對特定需定制特殊性能或功能的激光芯片將成為趨勢。

2.3行業(yè)市場份額    

2.3.1海外企業(yè)主導激光芯片市場，國產企業(yè)多點突破

根據(jù)2019年市場數(shù)據(jù)來看，包括Lumentum、Osram、II-VI、Jenoptik、NeoPhotonics等美國和德國廠商在高功率半導體激光芯片領域處于壟斷地位，占據(jù)90%以上市場份額；日本廠商在信息型半導體激光領域占據(jù)市場70%的份額。

近年來國內密集組織相關產學研合作，重點突破高功率高亮度、特種半導體激光芯片等先進激光產品和合束技術等一系列卡脖子問題，諸如長光華芯、武漢銳晶、華光光電、縱慧芯光、炬光科技等國產激光芯片企業(yè)逐步開始嶄露頭角并開始在部分細分技術領域取得領先。

2.3.2海外巨頭壟斷VCSEL市場近80%，國產廠商逐步追趕

Lumentum是全球最大的VCSEL激光芯片供應商。據(jù)Yole統(tǒng)計，2021年Lumentum占據(jù)了全球VCSEL市場42%的份額，ll-VI通過2019年收購Finisar成為了目前全球第二大VCSEL激光芯片供應商，2021年市占率達37%，即前兩大玩家合計占據(jù)了近80%的市場。長光華芯、縱慧芯光等國產廠商在VCSEL領域同樣具備強勁潛力，逐步突破一個又一個關鍵技術壁壘。近兩年國產VCSEL產品不斷涌現(xiàn)，VCSEL激光芯片的國產化進程正在加速推進中。

圖5 全球VCSEL芯片市場份額（2021）

3.產業(yè)鏈分析

3.1產業(yè)鏈概況   

激光芯片產業(yè)鏈主要包括上游的光學材料和光學元件，如激光晶體材料、光學鏡片、特種光纖、光纖合束器等核心部件。中游是各類激光器及其配套設備的生產，包括固體激光器、光纖激光器、氣體激光器、液體激光器等不同類型，以及激光器二極管、激光模塊等。下游則是面向各個行業(yè)終端需求的應用，如通信與光儲存、科研與軍事、醫(yī)療與美容等領域。

圖6 激光芯片產業(yè)鏈

3.1.1上游分析

上游在激光芯片產業(yè)鏈中扮演著基礎性和關鍵性的角色，主要包括光學材料、光學元件和其他構成激光器的必要材料。上游原材料的價格變動會直接影響到激光設備的成本。

(1) 光學材料

光學材料是制造激光器的核心基礎，包括激光晶體材料、特種光纖等。激光晶體材料主要用于產生和放大激光光束，其性能直接影響到激光器的輸出功率、穩(wěn)定性以及壽命。

(2) 光學元件和器件

包括光學鏡片、泵浦源、振鏡、光柵等。光學鏡片用于聚焦、反射和傳輸激光光束；泵浦源為激光器提供能量激發(fā)激光工作物質；振鏡和光柵則是控制和調節(jié)激光光束的重要元件。目前國外大型光學元器件制造商如II‐VI、nLight、LUMENTUM在高端領域仍占據(jù)主導地位，國內的光學元器件制造商如福晶科技、光庫科技等也在迅速崛起。

3.1.2中游分析

中游在激光芯片產業(yè)鏈中主要負責各類激光器及其配套設備的生產和研發(fā)，是連接上游原材料和下游應用的關鍵環(huán)節(jié)。

激光器包括固體激光器、光纖激光器、氣體激光器、半導體激光器以及其他類型的激光器。根據(jù)工作物質的不同，具有不同的性能特點和適用領域。例如，光纖激光器因其高效率、高亮度和良好的穩(wěn)定性，在工業(yè)切割、焊接和打標等領域得到廣泛應用；而固體/半導體激光器則在精密加工、醫(yī)療和科研等領域有其獨特優(yōu)勢。

3.1.3下游分析

激光芯片的下游應用涵蓋了眾多高科技領域，其創(chuàng)新性和高效性為各行業(yè)帶來了深遠影響。在通信領域，激光芯片被廣泛應用于長途通信、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)以及5G、6G網(wǎng)絡的建設中起到關鍵作用，提供低延遲、高帶寬的通信服務；在醫(yī)療健康領域，激光芯片應用于激光手術、激光美容、生物醫(yī)學成像和疾病診斷等方面。此外，激光芯片還應用于科研、能源、環(huán)保、安全防護、軍事等諸多領域。

3.2競爭分析

在高功率半導體激光芯片領域，國內半導體激光芯片行業(yè)隨著技術的不斷突破，處于快速發(fā)展期，主要廠商包括長光華芯、武漢銳晶、度亙激光、華光光電、深圳瑞波等。據(jù)統(tǒng)計，2020年長光華芯、武漢銳晶占國內高功率半導體激光芯片市場份額分別達13.4%和7.4%，國產率近21%。長光華芯2020年自主研發(fā)的30瓦芯片反超了當時國際領先水平的27瓦，現(xiàn)在又推出了功率達到35瓦的激光芯片，突破多項“卡脖子”技術難關。

我國光芯片企業(yè)已基本掌握10G光芯片的核心技術，但部分型號產品仍存在較高技術門檻，依賴進口。根據(jù)ICC統(tǒng)計，2021年全球10GDFB激光器芯片市場中，較為領先的廠商包括源杰科技（份額為20%）、住友電工（份額為15%）。但另一方面，部分10G光芯片產品性能要求較高、難度較大，如10GVCSEL/EML激光芯片等，國產化率不到40%。

在VCSEL領域，基于VCSEL量產成本低、波長穩(wěn)定等優(yōu)勢，隨著VCSEL功率密度等性能持續(xù)提升，有望成為半固態(tài)/固態(tài)激光雷達發(fā)射端核心元器件。目前，海外龍頭Lumentum、II-IV憑借技術優(yōu)勢主導芯片市場，根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，Lumentum、II-IV兩家公司2019、2020年市場份額合計占比分別為67.7%和79.6%。在生產模式上，Lumentum將外延環(huán)節(jié)外包，II-VI自產外延片。國內傳感應用類VCSEL企業(yè)主要包括長光華芯、縱慧芯光、睿熙科技、博升光電、檸檬光子、瑞識科技等，其中長光華芯等頭部廠商采用IDM模式，打造核心競爭力。

4.總結

VCSEL 是具有高可靠性和設計冗余的一種光源，激光雷達用 VCSEL 具有多結堆疊結構、多通道發(fā)射、多波長、多重連接等特點。將新技術結合到單個 VCSEL 芯片中，利用芯片設計的靈活性，以及組件、模塊、子系統(tǒng)的相互優(yōu)化，有助于推動激光雷達產品的差異化滿足不同的應用訴求。