光器件助力我國光通信由大轉強

光纖在線編輯部  2019-01-24 09:31:45  文章來源:綜合整理  版權所有,未經許可嚴禁轉載.

導讀:

1/24/2019,高清視頻、移動互聯網等新型業務的迅速發展帶來數據流量的急劇上升,光通信網絡作為信息通信基礎設施之一,對上層業務及應用的發展起到重要的承載支撐作用。我國光通信產業經過幾十年的發展,產業規模和產品種類不斷擴大,競爭力持續提升,尤其系統設備環節已成為全球中堅力量。然而我國光通信產業卻“大”而不“強”,位于產業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缺失的警鐘。

新技術提出新需求 技術方案有待收斂

廣義的光器件技術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展趨勢。從產品維度來看,由于以太網等業務速率的發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方式以及高階調制成為實現高速率光模塊的重要技術方案。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。通道數量決定封裝、功耗和成本,產業鏈將始終瞄準最少通道的技術方向,業界已開始布局基于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。例如在前傳方面,AAU側光模塊涉及室外應用,需要工業級(-40℃~85℃)的激光器芯片,目前25GBaud激光器芯片在寬溫實現方面尚存在較大挑戰。目前,在數據中心、5G等領域基于不同需求和技術方案的光模塊種類過多,一定程度上帶來研發方多頭投入的負擔,有待求同存異進行收斂。

從產業鏈維度來看,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、功能和結構設計息息相關,制作工藝不統一;同時,光芯片制造和器件封裝精度高、出貨量小、規格變化快,導致其生產自動化程度較低,成本的降低需全面考量產能、良率和性能等多方面因素。與集成電路類似,光器件也可以實現多個功能元件的集成,稱之為光子集成(PIC)技術,目前中小規模PIC已經成熟并取得廣泛商用,大規模PIC集成度達到數百個元器件。硅光技術是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與集成,具有低成本規模生產的巨大潛力。近年來硅光產業鏈不斷構建,但由于異質光源集成、標準CMOS工藝兼容性、封裝成本高等限制,硅光技術在100Gb/s光模塊領域尚未實現規模商用,未來有望在400Gb/s和1Tb/s等更高速率發揮優勢。

產業鏈長形態多樣 并購重組整合加劇

光器件產業鏈較長,由于器件和材料種類的不同,在產業鏈各環節有不同廠商參與,且數量較多,具備集成制造(IDM)和專注于設計的Fabless等不同形態。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。然而與系統設備、光纖光纜等光通信產業鏈其他環節相比,光器件環節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”,光器件產品種類和涉及技術多,單類型產品市場規模有限,通過并購進行技術、產品及客戶協同,實現規模效應;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”,上游芯片研發周期長、投入大,不同類型的光芯片基于不同工藝平臺,內生式發展難度大,通過并購實現垂直整合可有效降低成本,同時提升貨源穩定性和產品融合性;第三類是以高端器件商剝離下游封裝業務為代表的“縱向下游剝離”,產業鏈下游競爭日益激烈,器件商剝離光模塊組裝等下游業務,聚焦高端芯片。

從盈利能力來看,與光通信全產業鏈其他公司相比,光器件商的平均純利潤率最低,研發同類產品的廠商過多,價格戰競爭激烈。隨著近期兩起重大并購事件的發生,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演化,有效整合有利于促進行業規范發展。

我國產業鏈發展不均衡 技術、環境和資金是掣肘

我國光器件產業在政策驅動、市場牽引及新興應用的促進下,整體產業規模穩步增長、產業實力不斷提升,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品領域以及光模塊等產業鏈下游領域緊跟領先水平或與領先水平保持同步,然而高端產品研發能力薄弱,面臨產品結構不合理、產業鏈發展不均衡的嚴峻挑戰。核心光電芯片國產化率低,根據工信部電子司指導發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖(2018~2022年)》,10Gb/s光芯片國產化率接近50%,25Gb/s及以上光芯片國產化率僅為3%。此外,高速驅動、PAM4和DSP等電芯片國產化率極低,依賴以美日為主的進口。

技術能力、產業環境和資金投入等方面的不足是我國光器件行業發展的重要掣肘。第一,技術能力的巨大差距是競爭力不強的根本原因,國外領先企業占據先發優勢把控產業鏈高端,我國設計工具、基礎工藝、儀表裝備等產業基礎配套能力弱,企業固定資產投資負擔重,價格競爭激烈利潤率低,難以維系巨型研發投入,行業發展以跟隨為主,創新能力不足以支撐在新一代技術中實現超越。第二,產業環境方面,我國企業規模普遍較小、群體不夠強壯,在融資、技術開發、標準引領等方面存在不足。我國雖擁有優質系統設備商,但上下游企業間的研發合作有限,市場化競爭中國產芯片較難通過上下游間的迭代驗證來突破可靠性、量產等關鍵問題。第三,光器件芯片研發周期長、資金投入大,我國國家及地方政府的產業扶持資金和市場資本投入均存在不足,限制了高端產品研發能力的提升以及創新創業氛圍和成果的快速轉化落地。

綜上,光器件芯片具有技術含量高、研發投入大、回報周期長和產業群體性強等特征,其發展需要良好的整體規劃、產業基礎和平臺做支撐。我國應基于產業自身特點和發展現狀,圍繞核心優勢,補齊短板差距,突破關鍵技術,優化產品結構,強化產業基礎與底層技術創新,推動各方形成合力共同促進產業健康發展。

來源:中國信息產業網-人民郵電報  作者:中國信息通信研究院技術與標準研究所 吳冰冰
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