我国光通信电芯片通过创新突破有望实现自主可控并引领全球产业链

我国光通信电芯片通过创新突破有望实现自主可控并引领全球产业链

1、光通信电芯片行业概况及分类

光通信电芯片处于光通信产业链的上游，是光通信系统的核心元器件，与光芯片、其他基础构件进一步加工形成光组件、光模块。

在光通信领域，电芯片是光电协同系统的“神经中枢”，主要承担信号优化，传输链路的增强，以提升传输效能并实现复杂的数字信号处理。整体来看，光通信电芯片在半导体集成电路领域内属于技术要求较高的细分类别。《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》指出，光通信电芯片与光芯片相比投资更大、研发和生产周期更长。按照类型、速率、应用场景三个维度将电芯片做如下分类：

（1）按类型分类

在光通信系统中，各类型电芯片在光模块的发射端和接收端承担不同的信号处理任务，共同保障光信号的高效转换与传输。各类型电芯片具体描述如下：

各类型电芯片分类情况

资料来源：普华有策

通过将限幅放大器芯片（LA）、激光驱动器芯片（LDD）、时钟数据恢复器（CDR）、数字诊断监控模块（DDM）等分立功能集成到单一芯片中，光通信收发合一芯片不仅减少了互连损耗和封装复杂度，还可显著降低功耗，同时利用混合信号设计实现模拟电路与数字逻辑的共存，从而大幅缩小芯片面积、降低成本。

（2）按速率分类

光通信电芯片的速率演进直接决定了光通信网络的传输效率与容量。随着AI智算中心及传统数据中心需求的爆发，电芯片技术从低速率向高速率持续升级，逐步形成多层级速率体系。电芯片与光模块之间的速率并非总是直接对应，特定速率的电芯片，通过不同数量的通道聚合，可以对应不同速率级别的光模块。常见的对应关系及应用场景如下：

常见的对应关系及应用场景

资料来源：普华有策

以100Gbps光模块为例，其既可采用单通道100Gbps电芯片实现，也可通过2通道50Gbps电芯片或4通道25Gbps电芯片并行传输实现。前者通过提升单通道传输速率减少了所需的光通道数量，后者则依赖多通道并行传输来叠加速率。这种非一一对应的速率关系在高速率模块中更为显著。例如，800Gbps光模块可通过8通道100Gbps电芯片方案或4通道200Gbps电芯片方案实现。

（3）按应用场景分类

1）固网接入应用场景

在固网接入应用场景，电芯片需要针对光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）的不同功能需求进行设计。

固网接入应用场景分类情况

资料来源：普华有策

在光纤接入网中，OLT（光线路终端）和ONU（光网络单元）是PON架构的核心。OLT负责与多个ONU通过ODN连接，进行带宽分配、测距及协议转换。OLT的光收发电芯片需要支持快速信号增益调整，确保不同功率信号稳定接收，并利用低噪声放大等技术提升长距离信号的质量。ONU电芯片通过突发模式设计，在低功耗下实现可靠的光电信号转换，采用“深度睡眠-瞬时激活”的模式优化能效。

OLT与ONU电芯片的协同合作，推动了光纤接入网朝着更低时延、更高可靠的方向发展，支持万兆网络在工业互联网和智慧城市等领域的应用。

2）无线网络和数据中心应用场景

在无线网络和数据中心应用场景，电芯片的性能与传输距离密切相关。根据传输距离的差异，电芯片可分为短距（SR）、中长距（LR）、长距（ER）和超长距（ZR/ZR+）等，每一类在技术设计、器件选型和应用场景上均有独特要求。

根据传输距离的差异分类情况

资料来源：普华有策

SR电芯片适用于企业网和数据中心的短距离场景，注重低成本和低功耗，同时需高端口密度；LR电芯片主要用于城域接入网和无线基站，适中距离下平衡性能与成本；ER电芯片面向长距离（40公里）数据中心互联，克服光纤色散和非线性效应；ZR/ZR+电芯片专为超长距城域网设计，传输可达80-120公里，面临功耗和工艺一致性挑战，未来硅光技术有望推动其向低成本、高可靠性发展。

2、光通信电芯片行业市场规模

得益于人工智能、数据中心和5G通信的快速发展，光通信电芯片的销售额随之不断扩大。根据不同应用场景，电芯片行业市场空间测算如下：

（1）电信侧电芯片市场规模

在电信侧应用场景，主要包括骨干网、城域网、无线接入和固网接入等。2024年，全球电信侧光通信电芯片市场规模为18.5亿美元；预计到2029年底，全球电信侧光通信电芯片市场规模将达到37亿美元，复合年增长率为14.97%。

全球电信侧光通信电芯片市场规模及预测（亿美元）

资料来源：普华有策

（2）数据中心侧电芯片市场规模

在数据中心侧场景，以云计算应用、AI智算中心应用和园区/企业网为代表，这些场景主要使用数据通信光模块。2024年，全球数据中心侧光通信电芯片市场规模为20.9亿美元；预计到2029年底，全球数据中心侧光通信电芯片市场规

模将达60.2亿美元，复合年增长率为23.60%。

全球数据中心侧光通信电芯片市场规模及预测（亿美元）

资料来源：普华有策

（3）终端侧光通信电芯片市场规模

汽车光电子、激光雷达、自动驾驶、具身智能等市场在近年成为光通信技术应用的巨大新兴机会，车载激光雷达市场规模预计从2024年的8.61亿美元增加至2030年的38.04亿美元，其中中国厂商已占据市场主导地位。在技术方面，激光雷达模组与光通信模块具有相似的光电信号转换功能，表明光通信电芯片技术在激光雷达系统也有重要价值。同时，基于AI的运用，具身智能机器人也将迎来广阔的应用场景，因此光通信电芯片在算力硬件部分仍将发挥重要的作用。

3、光通信电芯片行业技术水平及特点

（1）多方案协同提升数据传输速率

在光通信中，提升数据传输速率主要依赖于三种方法的协同作用：单通道速率提升、通道聚合和调制技术优化。电芯片技术的进步关键在于带宽效率和功耗优化，调制技术是突破口。根据实际应用，10Gbps以下主要用于固网接入和4G/5G前传，25Gbps和50Gbps用于5G和数据中心，100Gbps和200Gbps用于大规模数据中心和骨干网。未来光通信将朝着更高集成度和更低功耗发展，支持6G和AI中心网络。

（2）工艺路径选择遵循“速率-性能-成本”的平衡原则

光通信电芯片行业遵循“速率-性能-成本”的平衡原则，形成CMOS工艺主导25Gbps及以下速率，锗硅Bi-CMOS工艺主导25Gbps及以上速率的格局。CMOS工艺凭借成熟的硅基生态和低成本优势占据核心地位，但在高于25Gbps的速率中，其功耗瓶颈限制了发展。锗硅Bi-CMOS工艺通过材料创新实现高性能和低功耗，适应数据中心和AI集群的高速互连需求。未来，CMOS与锗硅工艺的集成与协同，将推动光通信技术向更高性能、更低成本方向发展，特别是在硅光技术的应用中。

（3）电芯片设计注重光电匹配协同

光通信电芯片通常与光芯片协同工作。例如，激光驱动器芯片与属于光芯片的激光器或调制器芯片相匹配，而跨阻放大器芯片则与属于光芯片的探测器芯片配对，这些组件结合形成光模块或组件，用于实际应用。为了实现最佳性能，电芯片的特性必须与光芯片的特性相匹配。

因此，设计电芯片不仅需要精通通信、电气领域的知识，还需要对光芯片、光电封装的特性有深入的了解，才能更有效地进行光电协同设计和仿真，从而减少电芯片设计的迭代次数，提高产品的适用性和性能。

（4）可靠性质量要求高

光通信电芯片在电信网络中的关键角色要求其具备高质量和可靠性。在开发阶段，通过DFX流程全面考虑产品的质量、可靠性、可测试性和可筛选性。电芯片在进入量产前，需通过工程验证测试（EVT）、设计验证测试（DVT）和可靠性测试。客户认证阶段则严格检验其性能、兼容性和可靠性，确保通过多项测试后才可扩大生产规模。量产阶段对失效率有严格要求，通常低于200ppm，以保障电信网络的稳定运行。

（5）多合一设计方案提升电芯片设计难度

光通信收发合一芯片的多合一设计大大提升了技术难度，将多个功能模块集成在有限空间内，要求保证模块间互不干扰、信号完整性和系统稳定性。例如，限幅放大器减少噪声，激光驱动器精确控制光源功率，时钟数据恢复器确保数据同步，诊断监控功能提供实时系统反馈。高度集成减少外部组件依赖，简化系统设计，但对热管理、电磁兼容性和信号完整性提出更高要求，需采用先进制造工艺和创新设计确保芯片性能和可靠性。

4、光通信电芯片行业进入壁垒分析

行业壁垒

资料来源：普华有策

5、行业近年的发展情况与未来发展趋势

（1）固网接入大规模升级，FTTR加快部署进度

随着5G移动互联网的普及，流量进入快速增长阶段，千兆光纤宽带成为主流。2020年，欧洲电信标准协会（ETSI）发布F5G，推动全球固定网络的高速发展。F5G采用10GPON接入、WiFi6和200G/400G技术，旨在实现千兆宽带互联互通，开启光纤到房间（FTTR）新纪元。F5G-A则引入50GPON技术，提供更高的传输速率和容量。根据预测，到2030年，中国FTTR渗透率将领先全球，推动光通信设备需求增长。

（2）光通信网络速率持续提升，调制技术路线持续升级

PAM4技术通过采用四个信号电平来传输数据，相比于NRZ技术，能够在相同波特率下实现更高的数据吞吐量，提升网络带宽和带宽利用率。由于其高阶调制格式，PAM4有助于减少光学器件数量和性能要求，实现成本和功耗优化。随着数据中心流量增长和5G的应用，PAM4技术的成熟度不断提高，成为高速数据传输的主要发展趋势。

（3）相干光传输技术下沉趋势明显

相干光传输技术通过在发送端采用相干调制，并在接收端利用相干检测，充分利用光波的偏振、幅度、相位和频率，提高光纤传输效率。与传统非相干光通信相比，它在传输距离和容量上具有明显优势。随着技术成本和功耗的降低，预计到2028年，全球相干光模块市场将接近100亿美元，年均增长约15%。

（4）汽车智能化推动光通信技术需求

随着汽车智能网联和自动驾驶技术的进步，车载电子系统对通信速度和安全性要求提高。光通信技术因其高速、抗干扰、减小电缆空间和降低重量的优势，成为新趋势。

智能化汽车对海量数据的需求推动了光通信的发展，支持实时高清视频、大容量数据和高精度传感器数据的低延迟交换，确保高可靠性的实时决策。

光纤电缆较铜线轻薄，易于集成到车辆中，减少性能负担，为智能汽车提供高效且可持续的通信解决方案，满足高带宽需求。

（5）海量数据时代释放硅光技术潜力

随着对高速、低功耗网络解决方案的需求激增，硅光技术因其集成激光器、调制器和探测器等关键光电组件而备受关注，能够提供低功耗、高容量的数据传输，并有效降低运营成本。随着数据中心、云计算及5G、AI、物联网等领域对带宽的需求增加，硅光芯片市场预计到2029年将达到30亿美元，成为光模块市场的重要组成部分。

（6）供应链自主可控加速光通信电芯片国产替代

近年来，我国光通信电芯片行业加速推进国产替代，技术突破和规模化量产不断取得进展。随着6G和AI技术的推进，对超高速率、低延迟和大带宽的需求增加，但高端芯片设计和制造技术门槛依然高，国内企业面临技术和资源挑战。政策支持推动了研发投入和国产芯片导入，未来我国光通信电芯片有望在全球产业链中占据重要地位，持续创新并实现自主可控。

6、行业内竞争格局及主要企业

当前，我国已成为全球最大的光器件、光模块生产基地。2024年全球光模块厂商排名，中国企业在前十强中占据七席，市场主导地位显著。但是与之相对，光通信电芯片的发展相对不平衡，是我国光通信产业链薄弱的一环。

2024年度，10Gbps及以下速率产品细分领域市场占有率情况如下

10Gbps及以下电芯片市场全球竞争格局情况

资料来源：普华有策

而在25G速率以上的市场，我国光通信电芯片自给率极低，下游厂商高度依赖境外进口。按收入价值统计，在25G速率及以上的光通信电芯片领域，中国厂商仅占全球市场7%。

行业内主要企业情况如下：

（1）Macom

Macom是一家高性能模拟射频、微波和光学半导体产品领域的领先供应商，拥有40多条生产线，3,000多种产品，超过6,000个全球客户，主要集中于高速率市场。

（2）Semtech

Semtech是一家高性能半导体、物联网系统和云连接服务提供商。Semtech为客户提供低功耗无线通信、光数据传输、视频广播、电源管理、电路保护、触摸传感等领域的解决方案。

（3）厦门亿芯源半导体科技有限公司

亿芯源专注于高速光通信电芯片和低功耗MCU芯片研发，现已构建了包括TIA、LDD、LA、收发一体电芯片、OLT快速电流镜以及MCU等产品体系。

（4）成都嘉纳海威科技有限责任公司

嘉纳海威专注于微波射频芯片、光电芯片研发、销售与服务。公司现建有光通信、5G移动通信、卫通安防和特种应用四条产品线，产品用于光接入网、数据通信、5G移动通信、电磁安全等领域。

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