深度剖析光電子技術和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

光電子技術是光子技術和電子技術結合而成，通過光子激發(fā)電子或者電子躍遷產(chǎn)生光子，實現(xiàn)光能與電能轉換的新技術。光電子技術按照應用領域主要分為信息光電子（通信、大數(shù)據(jù)計算、人工智能、智能駕駛、無人機等）、能量光電子（固體、氣體、光纖激光器、光伏系統(tǒng)等）、消費光電子（光顯示、光照明等）、軍用光電子（紅外傳感、激光引像等）四大領域，其技術水平和產(chǎn)業(yè)能力已經(jīng)成為衡量一個國家綜合實力和國際競爭力的重要標志。

在光電子四大應用領域中，消費光電子在我國已經(jīng)形成成熟產(chǎn)業(yè)鏈條，軍用光電子具有特殊性，因此在這里不做贅述。信息光電子是光電子技術的主流，它采用光作為信息傳輸載體，擔當此任務的基礎是光收發(fā)模塊。光收發(fā)模塊中的核心器件是基于半導體技術的光電子器件（激光器和探測器等）。能量光電子的核心技術與信息光電子相似?？傮w來講，高端光電子器件是光電子技術發(fā)展的核心，也是制約光電子各大應用領域發(fā)展的關鍵技術瓶頸。

一國內外光電子技術政策布局

國外從20世紀80年代開始在光子學領域投入了大量精力。美國國防部和能源部把光子學列為美國20項關鍵技術之一，2014年10月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布光子集成技術國家戰(zhàn)略（AIM Photonics），投入6.5億美元打造光子集成器件研發(fā)制備平臺，其中包括以南加州大學為核心的光子工藝中心；日本目前正在實施First Program（先端研究開發(fā)計劃），部署了“光電子融合系統(tǒng)技術開發(fā)項目”；德國政府將光子學確定為21世紀保持其在國際市場上先進地位的九大關鍵技術之一，投入35億歐元用于紅外監(jiān)測、激光表面處理等與光電子技術相關的產(chǎn)業(yè)與研發(fā)，其中“地平線 2020”計劃更是集中部署了光電子集成研究項目，旨在實現(xiàn)基于半導體材料和二維晶體材料的光電混合集成芯片。

我國也對光電子技術和產(chǎn)業(yè)進行了政策重點布局。2011年科技部《國家重大科學研發(fā)計劃》對高性能納米光電子器件進行重點支持；2017年發(fā)布的《十三五材料創(chuàng)新專項規(guī)劃》指出大力研發(fā)新型納米光電器件及集成技術，加強示范應用；2017年工信部正式公布智能制造試點示范項目名單，加快發(fā)展光電子器件與系統(tǒng)集成產(chǎn)業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合；2018年3月科技部“十三五”《國家重點研發(fā)計劃》在光電子領域進行部署。

二國內外光電子核心技術發(fā)展現(xiàn)在分析

高端光電子器件做為光電子技術發(fā)展的核心，其性能的提升依賴于打通從模擬設計、材料生長、器件制備到封裝測試的技術鏈條。位于產(chǎn)業(yè)鏈源頭的光電子材料、核心光電子器件的制備，與發(fā)達國家相比存在較大差距，且生長工藝復雜、對外技術依存度高，平均成本和利潤率超過整個產(chǎn)品的50%甚至達到70%，已成為制約我國下一代光電子技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵瓶頸。同時，將多個不同功能的光電子器件集成到單個芯片上，實現(xiàn)功能更為復雜的光、電信號處理系統(tǒng)是未來光電子技術的發(fā)展方向。以硅基光電子集成技術為主要代表的熱點技術將成為21世紀光電子技術發(fā)展的一個重要方向。

01光電子材料發(fā)展現(xiàn)狀

按照光波的不同波段，光電子材料未來發(fā)展的重點方向包括：從紫外到可見光的發(fā)光材料，近紅外到中遠紅外及太赫茲的激光材料、中遠紅外高靈敏探測材料、寬帶高速光纖通信材料等。目前光電子分立器件用材料主要有以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的III-V族化合物半導體材料；光電子集成用主要材料為絕緣體上的硅（SOI）及氮化硅，目前主流為SOI。（見圖1）

圖1 對應不同光波段的光電子材料及主要應用領域

光電子材料制備包括襯底制備和外延工藝兩大環(huán)節(jié)。襯底是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環(huán)節(jié)生產(chǎn)半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產(chǎn)外延片。外延生長工藝目前主要采用MOCVD（化學氣相沉積）以及MBE（分子束外延）兩種技術。

（1）III-V族化合物

GaAs、InP等III-V族化合物材料適用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，目前廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通訊、GPS導航等領域。GaAs襯底目前由日本住友電工、德國Freiberg、美國AXT、日本住友化學四家占據(jù)，主流尺寸為3英寸和4英寸。GaAs外延材料目前主要由英國的IQE、美國的Intelliepi，中國***的全新光電三家占據(jù)，市場份額達到90%。InP襯底目前由美國AXT、日本住友占據(jù)大部分市場，中國大陸以云南鑫耀等企業(yè)為主，近年來市場擴展迅速，主流尺寸為2英寸和3英寸。InP外延材料市場目前主要由英國IQE、中國***聯(lián)亞光電占據(jù)，中國大陸主要有中科芯電（ACS），中國大陸還未開始量產(chǎn)。

（2）氮化鎵（GaN）

在光電子學領域，GaN基材料可以實現(xiàn)綠光、藍光和紫外多個波段的激射發(fā)光，一般采用氰化物氣相外延（HVPE）方法制備，在激光顯示、激光照明、激光加工等領域有非常重要的應用。目前GaN基外延材料生長技術難度大，國際上僅有日本的日亞公司、德國的歐司朗公司能夠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，中國大陸只有中科院半導體所、中科院蘇州納米所、南昌大學等極少數(shù)單位能夠研制外延生長高質量光電子用薄膜。

（3）SOI

SOI是光電子集成領域未來應用最廣的材料。目前， SOI晶圓主要生產(chǎn)廠商有日本信越、日本SUMCO、中國***環(huán)球，此外還有法國Soitec、中國***臺勝科、合晶、嘉晶等企業(yè)。中國大陸主要生產(chǎn)廠商為上海新昇。SOI晶圓襯底主流尺寸為8英寸。

02高端光電子器件發(fā)展現(xiàn)狀

高端光電子器件主要包括化合物半導體激光器、光電探測器及硅基集成有源光子器件。

（1）化合物半導體激光器

化合物半導體激光器是以GaAs、InP等為增益介質，在各類激光器中擁有最佳的能量轉化效率，是當今最重要的激光光源，包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、分布式反饋激光器（DFB）、電吸收調制激光器（EML），超輻射發(fā)光二極管（SLED）、激光二極管（LD），分別適用于不同的傳輸距離和速度。

①VCSEL激光器：能夠實現(xiàn)芯片表面的激光發(fā)射，具有體積小、功耗低、可單縱模輸出、價格低廉、易大面積集成等優(yōu)點。VCSEL芯片是主要材料為GaAs體系。其中，850nm 波段VCSEL適用于短距離(小于500米)光通信領域，可以用在光纖網(wǎng)絡中高速傳輸數(shù)據(jù)。940nm波段VCSEL適用于3D傳感。隨著2017年蘋果iphone X發(fā)布，3D人臉識別系統(tǒng)大規(guī)模應用，940nm VCSEL激光光源引起了廣泛的關注。

VCSEL國外廠商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar等，中國大陸主要有江蘇華芯、武漢光迅科技、三安光電等公司。Broadcom、Lumentum等國外公司已經(jīng)陸續(xù)推出通信用25G以上速率的850nm VCSEL激光器芯片。目前中國大陸已經(jīng)能夠自主完成10G 850nm VCSEL激光器芯片外延及芯片工藝制造。隨著人臉識別VCSEL市場規(guī)模的爆發(fā)增長，使得各個VCSEL制造廠商開始重點布局940 nm，江蘇華芯在原有光通訊用850nm VCSEL芯片外延技術的基礎上上成功實現(xiàn)了手機用940nm VCSEL高功率TOF和結構光芯片的國產(chǎn)化，其性能可與國外頂尖公司產(chǎn)品相媲美。

②DFB激光器：能夠實現(xiàn)邊發(fā)射的單縱模激光器，具有非常好的單色性。DFB激光器芯片通常由InP、GaAs等半導體材料制成，其主要應用為1310nm，1550nm光通信，可實現(xiàn)高速率、大距離的中長距離傳輸，也適用于數(shù)據(jù)中心、城域網(wǎng)及接入網(wǎng)。

DFB激光器芯片技術基本上由德國、美國、日本等發(fā)達國家掌握，如德國Nanoplus、Sacher、Eagleyard、Toptica公司，美國Thorlabs、EM4、Power Technology、Sarnoff公司，日本NTT、Oclaro等公司。廠商非常多，但能夠實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的廠家并不多，部分國家對中國禁售25G以上DFB激光器芯片。中國大陸公司主要有華為海思、光迅科技、仕佳光子公司、源芯等，研究機構包括中科院半導體所、清華大學等。目前國內芯片廠商只占據(jù)10%以下的市場份額，光迅、海思等廠商僅在10G以下低端激光器商用芯片實現(xiàn)國產(chǎn)化。當前部分研究機構和廠商已完成了25G DFB激光器芯片的研發(fā)，但還未實現(xiàn)商業(yè)化。

③EML激光器：EML為電吸收調制器（EAM）與DFB集成器件。與直接調制的DFB激光器比，EML的傳輸特性和傳輸效果要比DFB激光器好，具有高功率、窄線寬以及寬波長調諧范圍等優(yōu)點，可以廣泛應用于高速、遠距離的骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)。EML廠家有Finisar，JDSU、日本三菱、英飛凌等，國內研究機構有清華大學、中科院半導體所等。

④紫外激光器：半導體紫外激光器（波長＜400nm）在激光加工、紫外固化、紫外殺菌、生物醫(yī)學等領域有重要的應用。與紅外激光器相比，紫外激光器具有波長短、光子能量大等優(yōu)點，不僅可以聚焦更小、實現(xiàn)更高精度加工，而且可以把熱效應降到最低、實現(xiàn)冷加工。GaN材料是實現(xiàn)半導體紫外激光器的理想材料，但是由于紫外量子阱發(fā)光效率低、光損耗大等問題，GaN紫外激光器技術難度極大。目前國際上只有日本的日亞公司能夠提供商用產(chǎn)品，中國大陸只有中科院半導體所能夠研制室溫電注入連續(xù)激射的紫外激光器。

⑤量子級聯(lián)激光器（QCL）：QCL激射波長對應于兩個重要大氣窗口和絕大多數(shù)氣體分子的基頻吸收峰，同時具備多波長可調諧的特點，使其在激光雷達和測距、高靈敏度氣體檢測等應用領域發(fā)揮重大作用。QCL國外廠商主要有美國Pranalytica Inc.、Daylight Solution、Thorlab、Cascade Technologies、 AKELA laser等，日本Hamamatsu，瑞士Alpes Lasers，德國Nanoplus。中國大陸中國科學院半導體研究所具有小批量QCL生產(chǎn)能力、已提供給50個國內外用戶使用。目前國內QCL仍然受外延材料本身的效率和一些工藝、封裝設備的限制，當前最核心的工作是提高QCL的單管輸出功率。

⑥大功率半導體激光器：一般指的是功率大于1W，GaAs基808nm、980nm、915nm、1064nm等波段的激光器。大功率半導體激光器主要用于泵浦源（固體激光器/光纖激光器）。目前大功率半導體激光器市場每年以20%以上的速度增加。國外的公司有美國Ⅱ-Ⅵ photonics、3SP Technologies 、lumentum、德國FBH、日本Hamamatsu Photonics等。中國大陸研究機構包括中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、中國科學院半導體研究所、中國科學院上海光學精密機械等，公司有山東華光光電子股份有限公司等。國內的研究水平和產(chǎn)品實力均弱于國外公司，包括功率、壽命、光束質量、合束技術等方面，并且由于該方面的應用較為敏感，國外公司進行技術封鎖。

（2）光電探測器

光電探測器能夠檢測出入射在其上面的光功率，并完成光信號向電信號的轉換。目前，常用的光電探測器包括光電二極管（PIN）檢測器和雪崩光電二極管（APD）檢測器。

PIN用于短距離、對靈敏度要求不高的光通信系統(tǒng)中，響應帶寬為2.5Gb/s，10Gb/s，25GGb/s，40Gb/s；APD靈敏度高于PIN，響應帶寬為2.5Gb/s，10Gb/s，20Gb/s，主要應用于光纖通信系統(tǒng)、單光子探測、航天探測。生產(chǎn)兩種探測器的國外廠商主要有OCLARO, Discovery, BOOKHAM, Finisar, JDSU；中國大陸有光迅、三安、光森、華芯。國際廠家可提供25G及以上速率光探測器芯片，國內25Gb/s PIN接近開發(fā)成功，25Gb/s APD還不成熟。研究機構有北京郵電大學，中科院物理所，中科院微系統(tǒng)所，中科院半導體所，清華大學、南京大學等。國內部分技術領先的光模塊制造商已在這個器件上進行技術布局，有待市場驗證。

（3）硅基光電子集成芯片及硅基集成有源光子器件

硅基光電子集成芯片主要由硅基光電子器件和微電子器件兩大部分組成。硅基光電子器件分為無源器件和有源器件。其中無源器件包括：波導及耦合器件、振蕩器、濾波器、復用器和解復用器等。有源器件包括：硅基光源、探測器、調制器和放大器等。硅基光子集成芯片制備工藝相對成熟，但受限于材料性質，目前尚難以實現(xiàn)硅基有源（發(fā)光）器件。

近十年來，硅基光電子集成的關鍵材料和器件研究引起了科學界（如美國麻省理工學院、哈佛大學、加州大學）和工業(yè)界（如英特爾、IBM、意法半導體）的廣泛關注，僅英特爾公司對硅基光電子的研發(fā)投入就高達數(shù)十億美元。2015年IBM宣布已成功研制出實用化的硅基光學芯片，將一個硅基光集成芯片封裝到了與CPU大小相同的尺寸中，這無疑將硅基光子技術提升到了更高的層次。此外，英特爾和加州大學圣巴巴拉團隊于2016年末實現(xiàn)了100G硅基光收發(fā)器的產(chǎn)品研發(fā)，目前已進入服務器和數(shù)據(jù)中心市場。

我國在硅基集成芯片的研發(fā)領域緊跟世界發(fā)展，在單一硅光器件如片上光源、光調制器、探測器以及無源硅光集成芯片如光開關等領域均有突破性研究成果發(fā)表。硅基有源光子器件方面，中科院物理研究所研究團隊通過硅基圖形襯底上III-V族混合集成的外延生長技術實現(xiàn)了高質量的硅基片上光源（閾值電流小于190mA、連續(xù)激射溫度高于65°C），完成了中國硅基可集成激光器零的突破。

綜上所述，未來期望通過硅基可集成光源、高速調制器和高響應探測器的研發(fā)，全面推動硅基光電子集成芯片的迅速發(fā)展。

三我國光電子產(chǎn)業(yè)市場現(xiàn)狀

十三五期間，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、第5代移動通信、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等應用市場快速發(fā)展，汽車、能源、通信等垂直行業(yè)對光電子產(chǎn)品與服務的需求也必將進一步擴大，行業(yè)市場規(guī)模將繼續(xù)保持快速的增長，2017年行業(yè)市場規(guī)模高達8028億美元，行業(yè)復合增長率達到10.8%，2018年行業(yè)市場規(guī)?？蛇_8831億美元。預計2024年行業(yè)市場規(guī)模將突破萬億，達到10781億元。

01光通信應用領域（通信、大數(shù)據(jù)計算）

受益于我國通信網(wǎng)絡的全面推進建設，我國光通信器件市場規(guī)模保持著快速的增長趨勢。數(shù)據(jù)顯示，2012年，我國光通信器件市場規(guī)模為100億美元，2017年行業(yè)市場規(guī)模為203億美元，復合增長率達到15.2%，在全球光通信器件市場規(guī)模占比接近30%。
但我國光通信領域企業(yè)整體實力仍然偏弱，產(chǎn)品結構不夠合理，大部分企業(yè)徘徊在中低端領域，同質化嚴重，主要依靠價格優(yōu)勢維持生存。以光傳輸領域為例，國內三大系統(tǒng)設備商（華為、中興和烽火）在光傳送設備領域的國際市場份額的占比已經(jīng)超過50%；在光接入設備領域，占比更是超過70%，但是在10G以上速率的有源光器件、100G光模塊等高速產(chǎn)品方面，核心技術缺失，供給能力上接近為“零”?？傮w上上游材料和芯片的薄弱導致相應的光器件、組件及模塊發(fā)展受到制約，不僅高端產(chǎn)品嚴重依賴進口，甚至部分中低端產(chǎn)品亦無法實現(xiàn)完全國產(chǎn)化，采購渠道受日、美等發(fā)達國家控制。

02光傳感領域（人工智能、智能駕駛、無人機）

根據(jù)中國電子元件行業(yè)協(xié)會信息中心的數(shù)據(jù)，2016年，全球光傳感器市場規(guī)模達1370億元。中國光傳感器市場規(guī)模達778億元，約占全球市場規(guī)模的57%。近年來，在智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、智能移動終端、智能制造、機器人、智能電網(wǎng)等下游應用市場的推動下，中國光電傳感器市場快速成長，成為拉動全球光傳感器市場增長的主要力量。
預計到2022年，全球光傳感器市場規(guī)模將成長至1836億元，2016-2022年復合增長率達5%，中國光傳感器市場規(guī)模將成長至1180億元，2016-2022年復合增長率達7%。盡管未來中國光傳感器市場的增速可觀，但目前我國光傳感器行業(yè)的現(xiàn)狀主要是企業(yè)規(guī)模偏小、產(chǎn)品檔次低、市場份額低。