首页 > 行业资讯 光芯片产业链梳理:应用激光雷达国产化替代迈入提速期

光芯片产业链梳理:应用激光雷达国产化替代迈入提速期

2022-09-07 16:56:40来源:网络新闻标签:光芯片

光芯片是全球半导体行业的一个重要细分赛道,涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、人脸识别用VCSEL等成熟应用,以车载激光雷达为例,光芯片是发射端、接收端核心元件,决定着激光雷达的探测距离、分辨率等多个关键性能;车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现快速增长的新领域。根据Gartner预测,到2025年全球光芯片市场规模有望达561亿美元。部分节选华泰证券研究所


01.光芯片:光电子领域核心器件,下游应用广泛,国产替代正当时

光芯片是光电子领域核心元器件。光电子器件(国内简称光芯片)是全球半导体行业的一个重要细分赛道,随着光电半导体产业的蓬勃发展,光芯片作为产业链上游核心元器件,目前已经广泛应用于通信、工业、消费等众多领域。根据Gartner分类,光电子器件包括CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等品类。

 

光芯片作为光电子产业核心元器件,按照是否发生光电信号转化,可分为有源光芯片、无源光芯片两类,有源光芯片可进一步细分为发射芯片与接收芯片;无源光芯片主要包括光开关芯片、光分束器芯片等。本篇报告中我们重点讨论激光芯片、光子探测芯片等有源光芯片的产业发展趋势、市场空间以及国产化机遇。


 
全球光电子器件市场规模持续增长,2025年市场规模有望突破560亿美元。光芯片涵盖工业用高功率激光芯片、通信用高速率激光芯片、手机人脸识别用VCSEL等成熟应用,以及车用激光雷达和硅光芯片等未来有望实现爆发性增长的新领域。我们认为在通信、工业等领域的应用深化,以及在车载激光雷达等新兴领域的拓展,光芯片市场规模有望持续增长。根据Gartner数据,2021年全球光芯片(含CCD、CIS、LED、光子探测器、光耦合器、激光芯片等)市场规模达414亿美元,预计2025年市场规模有望达561亿美元,对应期间CAGR=9%。
  


光芯片细分品类多,行业覆盖领域广。除上文中的按照有源/无源分类,光芯片还可以按照材料体系及制造工艺的不同,分为InP、GaAs、硅基和薄膜铌酸锂四类,其中InP衬底主要包括直接调制DFB/电吸收调制EML芯片、探测器PIN/APD芯片、放大器芯片、调制器芯片等,GaAs衬底包括高功率激光芯片、VCSEL芯片等,硅基衬底包括PLC、AWG、调制器、光开关芯片等,LiNbO3包括调制器芯片等。


光芯片目前已广泛应用于通信、工业、消费、照明等领域,下游市场不断拓展。例如在光通信领域,光芯片是光模块光发射组件、光接收组件的核心元器件,分别实现了电信号向光信号、光信号向电信号的转化,决定着光模块的传输速率;工业领域中,光芯片同热沉、光束整形器件等组成了光纤激光器、固体激光器的泵浦源,为激光器内的工作介质实现粒子数反转提供能源来源;消费领域中,光芯片已广泛用于3D传感(手机、汽车)等场景,以车载激光雷达为例,光芯片是发射端、接收端核心元件,决定着激光雷达的探测距离、分辨率等多个关键性能;照明领域方面,具体产品形态主要为LED等。


02.光模块、激光器、激光雷达等中下游环节国产化顺利,带动上游光芯片国产替代进程

光模块、光纤激光器、激光雷达等产业链中下游环节国产化进展顺利。目前我国光模块、光纤激光器、激光雷达等下游细分领域已具备较强竞争实力,推动相关领域国产化进展持续迈进。 


1光模块方面,根据Lightcounting于2022年5月发布的统计数据,2021年全球前十大光模块厂商,中国厂商占据六席,分别为旭创(与II-VI并列第一)、华为海思(第三)、海信宽带(第五)、光迅科技(第六)、华工正源(第八)及新易盛(第九);相比于2010年全球前十大厂商主要为海外厂商,国内仅WTD(武汉电信器件有限公司,2012年与光迅科技合并)一家公司入围,体现出十年以来国产光模块厂商竞争实力及市场地位的快速提升;


2)光纤激光器方面,根据由中国科学院武汉文献情报中心牵头编写的《2022中国激光产业发展报告》,国内市场前三大光纤激光器厂商中,IPG市场份额由2018年的49.0%下降至2021年的28.1%,而锐科激光、创鑫激光市场份额由2018年的17.3%/8.9%分别上升至2021年的27.3%/18.3%,此外杰普特、飞博激光、GW光惠、大族光子、热刺激光、凯普林等国产品牌市场份额也进入前列,国产替代步伐持续迈进;

 

3激光雷达方面,国内完善的汽车上游零部件/光通信产业链为激光雷达产业快速发展奠定基础。根据Yole发布的《2021年汽车与工业领域激光雷达应用报告》,截至2021年9月,在全球公开的29个设计中标(design win)中,中国厂商共有7项激光雷达设计方案,其中速腾聚创、览沃科技、华为和禾赛科技分别为3/2/1/1项,合计占全球方案总数的23%,是全球激光雷达市场重要参与者。


光芯片部分细分市场已处于国产化加速渗透阶段

在中下游的激光器及相关设备国产化进展持续推进背景下,光芯片作为上游核心元器件是我国光电子领域国产化下一阶段亟需突破的重点环节。从国产化进展来看,当前我国高功率激光芯片、部分高速率激光芯片(10G、25G等)等已处于国产化加速突破阶段;而光探测芯片、25G以上高速率激光芯片仍处于进口替代早期阶段,未来国产化提升空间广阔。


03.高功率激光芯片:国内头部厂商技术突破,国产替代加速

高功率半导体激光芯片作为光纤/固体激光器泵浦源的核心能量来源,是决定激光器性能及成本的核心元器件。展望行业未来发展趋势:

 1) 随着激光器行业降本的持续推进,以及激光焊接、清洗、熔覆等新兴需求的涌现,我们认为激光器行业渗透率提升空间依旧广阔,有望带动上游半导体激光芯片市场规模持续增长。我们测算国内激光芯片(除光通信)市场规模有望由2021年的9亿元增长至2023年的17亿元,对应2021~2023年CAGR为33.3%;


2) 在下游激光器厂商降本诉求推动下,激光芯片向更高功率快速迭代,或带动行业门槛持续提升,头部厂商盈利能力预计维持高位;


3 在光纤激光器行业国产替代持续推进,以及供应链安全诉求背景下,预计将进一步拉动国产激光芯片需求。


随着长光华芯等高功率激光芯片领域头部国产厂商技术的持续突破,技术实力已达到全球领先水平;客户方面,长光华芯等公司已切入锐科激光、创鑫激光等头部光纤激光器厂商,推动对Osram、II-VI、Lumentum等海外厂商进口替代的步伐。未来随着国产更高功率产品的导入以及新建产能的落地,有望加速国产份额提升,我们预计国产厂商份额有望由2020年的21%提升至2025年的80%。


高功率半导体激光芯片是决定激光器性能的核心元件高功率半导体激光器芯片可用于制造光纤激光器和固体激光器泵浦源,其工作原理是通过对激光工作物质的激励和抽运激活粒子到高能级,从而实现粒子数反转。半导体激光泵浦源主要由COS芯片(激光芯片、热沉等)、壳体及其他材料组成,根据《激光制造商情》(2020年08月刊130期),泵浦源成本可占光纤激光器总成本比例的50%以上。

 

技术发展:持续向更高功率快速迭代,行业门槛抬升光纤激光器厂商降本诉求推动下,高功率半导体激光芯片输出功率持续提升。伴随光纤激光器的国产替代加速与激烈市场竞争,激光器价格呈逐年下降趋势。根据《2020中国激光产业发展报告》,以6kw激光器为例,2017年国产及进口的平均价格分别为75~120、120~180万元,而2019年国产及进口的平均价格分别下降至30~40、55~65万元。通过提高单管芯片功率,可以显著减少芯片及配套器件的使用,降低泵源用的光学材料成本和结构成本。根据创鑫激光招股书,2017年创鑫突破12W单管芯片泵源,使声光调Q脉冲光纤激光器自制泵源单位成本同比下降42.43%,2018年公司研发18W芯片泵源,进一步使泵源单位成本同比下降12.50%。

 

激光芯片厂商通过持续提升产品输出功率巩固竞争实力。以国产高功率半导体激光芯片厂商长光华芯产品发展历程来看,长光华芯成立于2012年,成立之初研发出13W以上高亮度单管芯片;2019年推出15W单管芯片,2020年推出18W、25W单管芯片,2021年实现30W单管芯片量产,产品向更高功率段持续快速迭代。


04.光探测芯片:光通信较成熟,SPAD/SiPM国产化有望从1到N

 

车载激光雷达有望为光探测芯片行业带来新的发展机遇。目前光探测芯片已广泛应用于手机、光通信、智能家电(扫地机器人等)等场景,随着车载激光雷达产业的快速发展,我们认为光探测芯片作为激光雷达接收端核心元器件,有望迎来新的发展机遇。从技术方案来看,SPAD/SiPM相比APD具有更强的探测灵敏度(倍增能力),同时SiPM为阵列形式更易于与阵列光源相匹配,且更易集成CMOS工艺降低成本,故SPAD/SiPM有望是激光雷达接收端芯片的未来之选。衬底材料方面,出于成本优势及技术成熟度考量,硅基材料在目前及未来一段时间内引领市场。


光通信用APD/PIN已实现国产化,国内厂商有望在SPAD/SiPM实现国产化从1到N的突破。目前我国在光通信用APD/PIN市场已实现国产化突破;相比之下,根据QYResearch数据,2020年全球SiPM市场上安森美、滨松、索尼等头部厂商市占率合计83%,市场集中度高,我国国产厂商目前尚未在SPAD/SiPM等市场形成大规模供货。展望未来,我们判断国内SPAD/SiPM厂商随着技术的不断成熟,或从消费电子(手机、扫地机器人)等市场率先实现进口替代;随着国产厂商产品的量产性能、良率趋于成熟,有望进一步向车载激光雷达等高端市场渗透。


光探测芯片:探测器核心元件,实现光信号转换为电信号光电探测器主要实现光信号向电信号转换,光探测芯片是其中核心。光电探测器能够检测光信号并完成光信号向电信号的转换,具体而言,光通信系统传输信号时,发射端通过激光器芯片进行电光转换,经过光纤传输至接收端,接收端通过探测器芯片进行光电转换,将光信号转换为电信号。光探测芯片是光电探测器内部的核心元器件,因器件结构的不同,使得由其构成的探测器在应用领域上有所区别。


光电探测器广泛应用于军用与民用领域,我们重点关注光通信和激光雷达应用。光电探测器在军用以及民用领域均有广泛用途,可以应用在光通信、自动驾驶(激光雷达)、消费电子、医疗器械、物联网、检验检测、安防等领域。本篇报告中我们主要讨论其在光通信和车载激光雷达等民用领域中的应用。根据2022年维科网及前瞻产业研究数据,光器件在光模块中成本占比73%,而在光器件中,光接收次模块ROSA(以探测芯片为主)成本占比32%。根据2022年Icbank半导体行业观察数据,光探测芯片在激光雷达的成本中占20%~30%。

 

技术发展:APD向SPAD发展;材料以硅基为主以器件结构方案分类:APD主导现行应用,激光雷达未来趋于SPAD光探测芯片可分为PIN、APD、SPAD、SiPM四类。

光通信和激光雷达对光探测器要求不同。光通信需求更高的带宽、更快的响应速度及更低的噪声,因而偏向于线性响应性质(具有线性工作区,可以保证光信号传输速度以及准确率)的器件,如PIN、APD。激光雷达需求更高的灵敏度(如弱光下也能完成有效探测,考验光探测器对光信号的增益能力),更低的功耗等,如SPAD、SiPM等。

 

市场空间:光探测芯片全球市场规模45.6亿美元,海外龙头雄踞市场全球光探测芯片市场规模45.6亿美元,APD市场CR3为45%。根据Gartner数据及预测,2021年全球光探测芯片市场规模为45.6亿美元,基于光电探测器在光通信、视频成像、激光雷达、医学探测领域的广泛应用前景,预计2022E-2025E全球光探测芯片市场保持10.0%的年均复合增速,至2025年市场规模达66.7亿美元。APD作为目前主流技术方案,根据QYResearch数据,2020年,First-sensor、滨松和Kyosemi为市场份额前三名,CR3达到45%,市场较为集中,但新晋企业也能占据一定的份额。

 

全球SiPM市场规模为1.25亿美元,我国占36%,主要应用为3D测距成像。根据QYResearch数据及预测,2020年全球SiPM市场规模为124.9百万美元,预计2021E-2027E保持6.5%的CAGR,到2027年增长至193.6百万美元,按SiPM类型可分为单体式和阵列式,目前单体式更广泛,占比为62.8%。2020年我国SiPM市场规模为44.8百万美元,占全球市场的35.8%,亚太地区被认为是未来硅基光电探测器市场的重点区域,预计我国市场2021E-2027E的年均复合增速为7.2%,略高于全球水平,到2027年我国市场为72.9百万美元,届时占全球比例为37.7%。应用方面,根据QYResearch统计,3D测距与成像的应用领域销售量占比最大,2020年的市场总量为76.9万件,总收入为32.6百万美元,占据总市场规模的26.09%。

 

全球SiPM市场集中度较高。根据QYResearch数据,全球SiPM市场主要集中于头部企业,2020年以安森美、滨松、博通为首的头部厂商合计市占率达到83%,SiPM产品技术难度大,进入门槛高,且业内收购事件频繁,新进入者较难立足。

 

光探测芯片产业链:海外巨头产品成熟,国产替代需持续磨剑光探测芯片整体国产化率低系生产体系的不完整、不稳定。国内厂商在光探测芯片领域的市占率较低,根本在于没有完整、稳定的生产加工体系。根据中国电子元件行业协会发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》以及电子工程世界研究,我国SPAD等光芯片发展高度依赖生产工艺及封装测试。比如目前在SPAD领域做的较好的安森美拥有大批量封装测试经验(并外延收购SPAD厂商)、CIS/CCD玩家佳能、索尼(拥有完善的生产体系)。然而,我国厂商生产工艺较不成熟,且缺少本土优质代工平台,因而在芯片流片加工上严重依赖如美国、新加坡、德国等国家的代工厂,加之熟悉相关工艺的技术人员稀缺,造成关键技术发展缓慢、芯片研发周期较长、效率较低等,因而与海外技术存在差距。


国产芯片具备本土化优势,在产品性能、量产能力方面需持续磨剑。我们认为,相比国外供应商,国内探测芯片厂商在产品的定制化上有较好的灵活性,价格也有一定的优势,未来在产品、技术上不断突破,有望推进国产替代进程,在产品性能、量产能力等方面需要持续磨砺。目前,不乏国产公司在单项产品力上领先国际,如根据灵明光子官网,灵明光子基于波长905nm处的单光子探测效率(PDE)达到25%,超过行业平均的5%~18%。

 

海外公司产品成熟、布局全面,已在下游广泛应用 海外巨头产品成熟布局全面,已在下游广泛应用。海外方面,滨松、First Sensor、博通等厂家布局全面,实现从PD、APD到SPAD/SiPM的光探测芯片产品全覆盖,滨松已在积极转移战略重心,自APD向SPAD/SiPM的转化。此外安森美、Lumentum、II-VI、Kyosemi、索尼、佳能、Excelitas等企业也在各自涉猎领域实力出众,引领行业发展。国内公司规划分明,APD厂商相对成熟,创新性企业重点布局SPAD/SiPM国产替代方兴未艾,创企重点布局SPAD/SiPM。国内目前参与厂商较散,产品体系丰富度、成熟度低,厂商对于探测芯片方案的选择较为分明,以光迅科技、光森电子、三安光电为首的公司选择传统成熟的PIN-PD、APD领域,产品较多运用于光通信产业链中;以芯视界、灵明光子、阜时科技为首的一众创企较多选择布局未来方向的SPAD/SiPM,国产SPAD/SiPM探测器正陆续应用于消费电子、激光雷达、AR/VR、医疗等领域。

 

05.VCSEL:3D传感、激光雷达等市场需求有望推动行业高增长

VCSEL基于量产成本低、波长稳定等优势,随着VCSEL功率密度等性能持续提升,有望成为半固态/固态激光雷达发射端核心元器件。展望VCSEL芯片行业未来发展趋势,我们判断:1)需求端有望伴随全球车载激光雷达出货量快速提升而释放。我们测算国内激光雷达用VCSEL芯片市场规模有望由2022年的0.26亿元增长至2025年的10.14亿元,对应2023~2025年CAGR为238.3%;2)目前海外龙头Lumentum、II-IV占据市场主要份额(2020年合计占比80%),而长光华芯等头部国内厂商有望在技术不断成熟、客户认证推进等背景下加速进口替代步伐。


VCSEL光源优势突出,受激光雷达应用推动市场规模快速增长车载激光雷达有望催生VCSEL行业新机遇。相较LED和EEL等其他光源VCSEL激光器具有许多优势,例如量产成本低(晶圆级工艺)、波长稳定性高(温漂小)、易于二维集成、低阈值电流、可高频调制、没有腔面阈值损伤等。根据Yole《VCSEL市场及技术趋势报告》,自2017年苹果在iPhoneX中引入3D传感功能后,VCSEL在消费电子领域快速发展,主要应用领域逐渐由850nm器件的高速数据通信应用转向940nm器件的3D传感应用。近年来伴随汽车“智能化“进程推进,车载激光雷达市场呈快速增长,VCSEL有望迎来第二个大规模应用机遇。


技术发展:多结实现功率密度提升多结VCSEL技术发展推动VCSEL在车载激光雷达领域的应用。车载激光雷达应用要求VCSEL需具有较高的功率密度以实现长距离探测,目前常用的提升功率密度的办法为多结VCSEL技术。多结VCSEL技术在结构上通过周期性垂直地将几个PN结叠在一起,实现了更高的光学效率、更高的功率密度和更高的斜率效率,有效降低器件的热负荷和封装尺寸。2022年4月VCSEL巨头Lumentum发布五结/六结VCSEL,最高功率密度超过1400W/mm2,国内方面纵慧芯光、长光华芯等公司均已实现五结VCSEL产品突破。

 

目前VCSEL功率密度仍远小于EEL,各厂商技术改进下VCSEL有望缩小差距。VCSEL的成本低、温漂小、发光面积大等优势使其在中短距FlashLiDAR系统具有吸引力,但另一方面,目前VCSEL与EEL亮度间的巨大差异仍限制了其更广泛的应用。由于VCSEL一般通过增加发光点或单孔发光面积来提升光功率,而EEL激光器功率密度随激光器长度增加而增加,因此VCSEL发光面积较大而功率密度远小于EEL。根据Power Electronics数据,VCSEL功率密度一般约1000W/mm2,而EEL功率密度一般在10000W/mm2以上。

 

从各公司公开资料来看,EEL方面,艾迈斯欧司朗产品最高功率密度接近60000W/mm2;VCSEL芯片方面,海外厂商Lumentum 2022年4月发布M51-100产品最高功率密度超过1400W/mm2,国内厂商长光华芯的《投资者关系活动记录表(5月)》显示公司VCSEL功率密度已达1200W/mm2。伴随VCSEL供应商不断改进多结VCSEL技术,VCSEL亮度有望继续缩小与EEL的差距,依靠其低成本优势获取广泛市场。

 

竞争格局:Lumentum、II-IV主导市场,国内厂商渐突围国内厂商研发与制造水平与国际领先水平尚有一定差距,国产化替代进程有望持续推进。目前,海外龙头Lumentum、II-IV凭借技术优势主导芯片市场,根据Yole数据,Lumentum、II-IV两家公司2019、2020年市场份额合计占比分别为67.7%和79.6%。在生产模式上,Lumentum将外延环节外包,II-VI自产外延片。国内传感应用类VCSEL企业主要包括长光华芯、纵慧芯光、睿熙科技、博升光电、柠檬光子、瑞识科技等,多为创业型企业,其中长光华芯等头部厂商采用IDM模式,打造核心竞争力。

 

VCSEL产业链梳理VCSEL产业链主要由结构设计、外延生长、晶圆制造、封装测试四个环节组成,产业链高度细分、专业化程度高、拥有较高的技术门槛。相较边发射激光器在光刻、镀膜等环节的核心工艺门槛,VCSEL的多层外延结构对外延环节的技术要求很高。目前海外厂商在产业链各环节占据主导地位,国内厂商不断跟进。

 

06.硅光芯片:光子集成大势所趋,海外巨头领先布局

硅光芯片具有高集成度、低成本、高速光运输的特点,在光子集成化背景下发展前景广阔。硅光芯片下游应用场景丰富,主要可以分为三大应用领域:连接(用于数据中心和电信领域的光通信连接)、传感(用于环境测量或识别,如激光雷达)和计算(用于新一代计算的量子光学),目前硅光芯片多用于光通信领域,未来有望在FMCW激光雷达、光子计算等领域进一步延拓。硅光产业链方面,目前海外厂商占主导地位,国内厂商仍处于持续跟进的阶段,我国在硅光器件研究方面与国际先进国家同时起步,研究水平也相当,但在硅光芯片产业化发展和产业链方面,国内厂商与海外头部厂商仍有较大差距。

光子芯片:以光波为载体,具备高速度、高并行性、高带宽、低损耗特点光子集成大势所趋,硅光芯片发展前景广阔。光子芯片根据基材的不同,大致可分为两类:一种是在以InP为代表的“有源材料”上集成制作元件的光芯片;另一种则是在以硅为代表的“无源材料”上制作的,即硅光芯片。硅光是以硅光子学为基础的低成本、高速的光通信技术,利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备,融合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势,把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中,实现高集成度、低成本、高速光传输。与分立器件光模块相比,硅光子器件无需ROSA或TOSA封装,集成度更高,更加适应未来高速流量传输处理需要,与此同时更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本,基于以上优势,硅光芯片技术广受关注。


硅光芯片下游应用多点开花硅光芯片当前主要应用于光通信等领域下游应用领域广泛,预计硅光芯片全球市场规模2020~2025年CAGR为52.4%。硅光芯片是基于硅晶圆开发出的光子集成芯片,在尺寸、速率、功耗等方面具有独特优势,可广泛应用于光通信(5G)、数据中心、人工智能、医疗检测、高阶计算、自动驾驶、国防等领域。根据Yole预测,全球硅光市场规模有望从2019年的4.8亿美元增长至2025年的39.5亿美元,2020~2025年CAGR达52.4%。


光通信为硅光芯片最主要下游市场。细分来看,Yole预计至2025年,数据中心收发器/长途收发器/5G收发器领域市场规模预计分别为36.0/1.9/0.6亿美元,占硅光芯片市场总规模比例分别为91.1%/4.7%/1.5%,为硅光前三大主要应用市场,均属于光通信领域。

 

5G时代带来数据流量快速增长,硅光芯片以低成本解决传输速率问题。数据中心处理高速率流量需求不断的提升对光通信性能提出了更高要求,要求光通信行业技术持续迭代升级以提高光通信产品的适应性和技术性。原有的Ⅲ-V族半导体激光芯片成本较高,并且能承受的调制带宽受限,50Gbps成为单通道传输速率瓶颈,无法满足更高带宽的需求。与传统光模块方案相比,硅光芯片将多路激光器、调制器、探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上,硅光模块在高速率下,仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性,较传统光模块具有一定优势,硅光子技术能够解决400G通信时代需要面对的PAM4电调制方案带来的巨大损耗和8*50G的QSFP-DD方案引发的器件数量增加与工作带来温度提升带来的温漂等挑战性问题。硅光方案目前被部分数据中心所采用,硅光产业有望得到快速发展。

 

硅光FMCW或将成为激光雷达优质解决方案硅光以其集成化优势,有效解决FMCW可靠性验证难度大、成本较高的问题。FMCW路线的兴起与硅光技术的发展密不可分,早期的FMCW激光雷达都是由各种分立器件堆叠起来,组件调试和器件成本都非常高,很难达到大规模商业化落地需求。但随着硅半导体产业的成熟,基于硅CMOS半导体生态发展起来的硅光技术平台,可有效把这些分立的器件集成到同一块芯片上,乃至理想状态下在FMCW中能将光学镜头和扫描部件芯片化,保障性能的同时降低成本,有望有效解决FMCW解决方案的可靠性验证难度大、成本较高的问题。芯片级封装、图像级分辨率,硅光FMCW有望成为激光雷达关键技术路径之一。


硅光FMCW有望随着硅光技术的不断发展实现产品量产。Aeva、Mobileye以及Aurora(收购Blackmore)是三家硅光芯片+FMCW技术路线的激光雷达代表企业。2021年Mobileye宣布将自主研发硅光芯片+FMCW(调频连续波)技术路线,计划2025年量产。2022年Avea发布首款汽车级4D激光雷达传感器Aeries II,将关键的激光雷达光通信收发模块集成到硅光子芯片中,并通过FMCW技术直接获取500米内的物体移动速度。在中国市场,洛微科技(LuminWave)也已经进入产品化和验证阶段,2021年发布第二代FMCW光引擎模组。

 

07.市场空间:2023 年国内激光芯片(除光通信),市场规模有望达17 亿元 

我们测算至2023年,国内激光芯片(除光通信)市场规模有望由2021年的8.9亿元增长至17.3亿元。我们基于如下假设:
1)根据《2021中国激光产业发展报告》,2020年国内光纤激光器出货量(工业用)为56000台,其中1-3kW、3-6kW、6-10kW及10kW以上功率激光器出货量分别为38000/14000/2400/1600台。我们认为1-3kW光纤激光器有望受手持激光焊接市场需求推动而实现快速增长,6kW以上光纤激光器市场规模主要随高功率市场激光器需求持续增长,假设2021~2023年1-3kW同比增速分别为90%/70%/60%,3-6kW同比增速分别为95%/70%/60%,6-10kW同比增速分别为100%/95%/85%,10kW以上同比增速分别为120%/105%/100%,则我们预计2021~2023年国内光纤激光器出货功率同比增速分别为96%/77%/69%。


2)根据长光华芯招股书,截至2021年底公司单管芯片电光转换效率达60%~65%,产品技术水平与国外先进水平同步,我们保守估计2021~2023年国内光纤激光器电光转换效率保持60%不变。根据创鑫激光招股书,公司合束器产品耦合输出总体合束效率超过98%,耦合效率达国内先进水平,我们假设激光芯片耦合输出效率2021~2023年保持稳定,维持在98%;


3)激光芯片单瓦价格方面,根据长光华芯招股书,公司2020年及1H21单管芯片单价分别为18.95/14.1元,单管芯片平均功率分别为15W/18W,即2020/2021年单瓦价格分别为1.26/0.78元(2021年以1H21价格为代表),对应的2021年同比降幅为38%。未来来看,我们认为中游激光器厂商基于降本角度的考虑,以及在高功率半导体激光芯片规模化量产、技术突破下单瓦价格预计保持下降趋势;降幅方面,我们认为经历近年国内激光芯片价格的快速下行,以及随着激光芯片向更高功率发展背景下,行业出货结构或向更高价值量产品倾斜,我们预计2022~2023年激光芯片单瓦价格降幅或较2021年趋缓,假设分别同比下降20%/15%;


4)根据Laser Focus World数据,2020年工业用激光器占比、非工业用激光器占比(除光通信)分别为39%、36%。工业用激光器方面,我们认为行业市场规模有望在激光焊接、激光清洗等新兴应用快速发展下保持稳健增长,预计2021~2023年国内工业用激光器占比分别为40%/41%/42%。非工业用激光器方面,我们假设2021~2023年占比保持稳定,分别为37%/36%/35%;
基于以上假设,我们测算2021~2023年国内激光芯片(除光通信)市场规模分别为8.9/12.3/17.3亿元。

 

竞争格局:海外起步早,国产厂商逐渐赶超,长光华芯系国内厂商份额第一2020年国产高功率激光芯片份额占比超20%。高功率半导体激光芯片方面,美国和欧洲起步较早,技术上具备领先优势,传统国际巨头包括II-VI、Lumentum、ams Osram、IPG等(其中IPG主要为自用);国内半导体激光芯片行业随着技术的不断突破,处于快速发展期,主要厂商包括长光华芯、武汉锐晶、度亘激光、华光光电、深圳瑞波等。根据长光华芯招股书测算,2020年长光华芯、武汉锐晶占国内高功率半导体激光芯片市场份额分别达13.4%/7.4%,国产率近21%。我们认为未来在长光华芯、武汉锐晶等公司持续开拓下,半导体激光芯片国产化进程有望持续迈进。