关于EML激光器芯片的研究

2024年1月10日发(作者：)

关于EML激光器芯片的研究

（2021年8月5日）

近年来，云计算、数据中心的不断发展对短距离宽带传输的需求越来越大, 5G商用落地将有望带动移动数据流量的激增，推高数据中心数据流量。云计算流量从2015年的3.9

ZB到2020年的14.1ZB，上升了3.7倍，极大地推动着数据中心从10G/25G朝40G/100G架构的升级，车联网、AR/VR、高清视频直播等5G下游应用的高速发展和企业上云的大趋势将带动数据中心流量的提升，也会推动数据中心的代际更迭，使其核心网络从100G提升至400G升级，大幅提升对高速率光模块的需求。5G与云数据中心共振，从而推动高速光电器件的快速发展。

一、光通信产业介绍

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图1:光通信产业链

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（一）光模块

光模块由接收部分与发射部分组成，其中发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端将光信号还原为电信号。光模块作为光电转换元器件，产品种类多，已大量应用于通信行业和数据中心行业。当前通信行业10G和数通行业100G产品种类最为齐全，是市场主力。未来通信行业25G/100G光模块和数通行业400G光模块为下一代产品。

光模块生产制造流程：芯片（衬底-外延片-芯片）—>器件—>模块。

简单来看，光模块主要由光芯片、电芯片、光组件和其他结构件所构成，其中上游光器件元件是光模块成本中的主要部分，在光器件元件中，光发射模块TOSA和光接收模块ROSA成本占比较高。TOSA的主体为激光器芯片（VCSEL、DFB、EML等），ROSA的主体为探测器芯片（APD/PIN等）。

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图2：光模块结构示意图

发展现状：10G以下速率光模块方面，国内厂家已经完成了从芯片到模块的国产替代;10G/25G/40G/100G光模块方面，光迅科技、中际旭创、海信宽带、华工正源等国内厂家已经实现全系列产品的覆盖，模块设计能力和封装工艺成熟;400G光模块方面，中际旭创、光迅科技、海信宽带、新易盛均已在OFC2018推出样品及解决方案。

主要厂商：目前中国光模块厂商占据全球超20%市场份额，主要厂商有中际旭创、光迅科技、新易盛、昂纳科技、海信宽带(未上市)等。

典型产品：光收发模块(10G/25G/100G/400G)、光放大器模块(EDFA、Raman)、动态可调模块(WSS、MCS、OXC)、性能监控模块(OPM、OTDR)。

（二）光器件

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根据是否需要外加能源驱动可分为光有源器件、光无源器件；包括激光器、检测器、放大器、分路器、耦合器、连接器等多个品类，每个品类又存在繁多的型号。

主要厂商：目前中国光器件厂商占据全球约15%市场份额，无源的竞争力相对较高，主要厂商有光迅科技、昂纳科技、天孚通信等。

典型产品：光有源器件：激光器(VCSEL、DFB 直调激光器，EML 外调激光器)、光调制器(PMQ 调制器、相位调制器、强度调制器)、光探测器(PIN、APD)、集成器件(相干光收发器件、阵列调制器) 等。光无源器件：光隔离器、光分路器、光开关、光连接器(MPO 连接器)、光背板、光滤波器(合波器/分波器) 等。

（三）光芯片

光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，又分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片发光基于激光的受激辐射原理，按发光类型，分为面发射与边发射:面发射类型主要为VCSEL(垂直腔面发射激光器)，适用于短距多模场景;边发射类型主要为 FP(法布里-珀罗激光器)、DFB(分布式反馈激光器)以及 EML(电吸收调制激光器)。FP适用于 10G

以下中短距场景，DFB 及 EML 适用于中长距高速率场景。

激光器芯片通过TO、COB 等封装形式制成光模块,用于电信和数据中心市场。伴随流量加速爆发,光芯片市场规模加

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速增长:(1)电信市场:传输网扩容正当时,接入网逐步向10G

PON 升级,5G 基站大规模建设或带来超20 亿美元光芯片市场空间,为4G 时代2.8 倍。(2)数据中心市场:数据中心市场需求持续井喷。(3)消费电子市场:VCSEL 芯片切入消费电子市场,市场空间拓展10-100 倍。随着硅光集成度提升带来价值占比提升,未来成长空间巨大。

图3：半导体激光器

激光器芯片

VCSEL激光器全名是垂直腔面发射激光器（Vertical

Cavity Surface Emitting Laser），是一种半导体激光器，面发射类型，用的是垂直腔结构，主要用于短距离光模块中。

VCSEL可以提供高质量的激光束，更高的耦合效率和空腹反射率。相比FP激光器和DFB激光器，VCSEL制造比较容易，这样就能够生产低成本基于VCSEL的收发器。

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激光器芯片

DFB（Distributed Feedback Laser)分布式反馈激光器是在FP激光器的基础上，将布拉格光栅集成到激光器内部的有源层中（也就是增益介质中），在谐振腔内形成选模结构，实现单模工作，属于边发射类型，用的是水平腔结构。DFB激光器使用光栅选频实现单模工作，一般用1310nm、1550nm 2种波长, 分为制冷和无制冷，主要用于中长距离传输。

激光器芯片

EML激光器芯片由EML激光器制成，EML是集成器件，包括两个模块，一个是激光器laser，就是L，另一个是EAM调制器，合在一起叫做EML。EML由分布式反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成，是发展最早、目前应用最为广泛的光子集成器件之一。

主要厂商：目前国内具有成熟光芯片制造能力的厂商主要有光迅科技、昂纳科技、海信宽带（未上市）。

典型产品：InP 系列（高速直接调制DFB 和EML 芯片、PIN 与APD 芯片、高速调制器芯片、多通道可调激光器芯片）、GaAs 系列(高速VCSEL 芯片、泵浦激光器芯片)、Si/SiO2 系列(PLC、AWG、MEMS芯片)、SiP 系列(相干光收发芯片、高速调制器、光开关等芯片；TIA、LDDriver、CDR 芯片)、LiNbO3系列(高速调制器芯片)等。

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（四）发展模式

光通信是光芯片最大应用领域，国外光芯片厂商拥有更丰富的技术积累，成熟产品可以率先批量化供应市场需求，但中国光芯片公司也在奋力追赶，当前行业存在几种模式，第一种模式是专注于光芯片及外延材料的研发制造企业，例如三安集成、芯思杰、武汉敏芯、浙江光特、陕西源杰和江苏华兴等；第二种模式是光模块器件商依托垂直整合具备光芯片能力，以武汉光迅、华工正源、海信宽带、昂纳科技等光器件公司为代表；第三种模式是光通讯产业链协作，共同打造的芯片平台，例如光电子信息创新中心和亨通洛克利。

三、EML激光器芯片研究情况

因EML芯片出色的性能，EML集成光源已经在宽带接入网及数据中心光互连等领域得到了广泛应用。近年来，关于EML芯片的研究主要集中在进一步提升器件调制带宽并实现阵列化、提升器件输出光功率并降低器件功耗，以及改善器件单模工作特性等方面。

下面分别对日本NTT公司、德国HHI及清华大学近年来在EML集成光源性能提升方面的研究情况予以介绍。

（一）日本NTT在高速EML光源方面的研究

日本NTT公司对基于对接生长集成工艺的EML进行了深入的研究。2011年，O波段4×25 Gbit/s EML阵列芯片被研发，其尺寸仅有2 mm×2.6 mm。该集成光源的单通道

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调制带宽达到20 GHz，4通道阵列芯片实现了100 Gbit/s信号的10 km单模光纤传输。

2017年，在器件的高速封装方面，科研人员利用倒装焊(flip-chip interconnection)解决引线连接存在的寄生参数问题。通过采用倒装互连结构，最终实现了调制带宽为59

GHz的EML，并实现了107 Gbit/s调制速率下2 km及10

km的单模光纤传输。

（二）德国HHI对同一外延层结构EML的研究

德国HHI对基于同一外延层集成方案的EML进行了深入的研究。EA调制器作为容性器件，需要与50 Ω的匹配电阻并联以实现阻抗匹配，从而避免微波调制信号的反射。传统的EML一般采用引线键合的方式进行匹配电阻的连接，而在EML芯片上制作集成的匹配电路可以简化封装并降低器件成本。

2017年,德国 HHI与华为公司合作，设计并制作了同一外延层结构双边 EML，它由中间的DFB激光器和两端的EA调制器构成。该器件可以在同一波长获得两路独立的输出信号，通过偏振复用或者采用PAM4格式，可以使整个器件的调制速率达到112 Gbit/s。

2018年，利用同一外延层集成方案的L波段EML阵列被开发。为了提高EML的输出功率，在EML末端集成了SOA，可实现大于8 dBm的平均输出光功率。该EML阵列

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各通道的调制带宽大于30 GHz，实现了56 Gbit/s的调制速率。

（三）清华大学在增益耦合同一外延层结构EML方面的研究

清华大学罗毅研究组独立提出同一外延层集成方案，并结合增益耦合激光器对高性能EML进行了系统的研究。研制出的C波段EML发射模块调制带宽大于35 GHz，调制速率达到了40 Gbit/s。

同时，罗毅研究团队还研究了基于同一外延层集成方案的O波段增益耦合EML阵列的激射光谱，采用反型层吸收光栅形成增益的周期性调制，从而实现增益耦合，获得了大于45 dB的边模抑制比(SMSR)。

此外，国内外其他科研机构也利用不同的集成方案开展了高速EML集成光源的研究。例如，美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)Coldren研究组利用选择区域刻蚀和量子阱无序化技术研制了大功率集成光源。中国科学院半导体研究所王圩研究组利用区域选择性外延技术实现了可调谐激光器与EA调制器集成光源及其阵列芯片。

（四）EML激光器芯片未来发展趋势

数据中心的快速发展，5G 建设的全面展开以及相关标准的建立，对短距离高速光器件的需求会越来越大。为了应对这一需求，作为短距离高速光通信的重要光源，EML还将

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继续朝着高速、阵列化、低功耗和低成本方向发展。虽然目前单通道EML已经可以实现59 GHz的调制带宽和100

Gbit/s的传输速率，但它的潜力仍未被充分发掘。相信随着光电子技术的进一步发展，EML的性能还将不断提高，其应用领域也会更加广阔。

四、光模块及光芯片行业分析

（一）光模块产业链

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图4：光模块产业链

光模块产业链竞争格局呈橄榄球式分布，上游芯片和下游设备竞争格局确立，具备技术和资本垄断优势，中游竞争较为激烈，模块厂商众多，向高端产品升级成为光模块厂商脱颖而出的重要途径。光模块产业链大致可分为“芯片->器件->模块->设备”这四大环节。其中上游的芯片、器件和下游的设备市场参与竞争者较少，但把控着产业链的供应端和

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需求端，影响较大。中游的模块则由于技术门槛相对较低，参与者较多，特别是低端低速的光模块封装厂商，所以市场竞争激烈。在技术差异较小的情况下，激烈的竞争最终体现在光模块的价格厮杀中，光模块厂家的毛利率和业绩承受较大压力，光模块厂商希望通过向高端400G数通和25G前传光模块的升级，在高端市场占据一席之地。

上游：主要包括芯片、组件以及两者组成的光器件。芯片包括光芯片和电芯片，这两部分占整个光模块价值量的较大部分，同时由于技术门槛较高，供应商较少，其性能和产能对光模块产业链的影响较为深远。保持安全的供应链运转，对光模块厂商的经营尤为重要。目前高端的光芯片和电芯片国产率较低，对进口依赖性较大。光组件主要是无源器件和结构件，部分高端产品涉及精密加工领域，也具有较高技术门槛。

中游：光模块的封装生产按应用场景不同可分为电信领域和数通领域，两者的外观和功能作用都类似，但内部结构差异较大，供应链和下游客户差别也较大。由于光模块应用场景较多，具体型号需求广泛，低中高性能的光模块生产能力要求不同，对应生产厂商的实力参差不齐，竞争整体激烈程度较高，但涉及高端高速的产品仍处于蓝海市场。

下游：按光模块的场景对应下游客户可分为两大类，电信客户和互联网客户。电信客户主要包括电信网络设备如无

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线基站、传输系统、PON网络等的设备制造商和网络建设运营商；互联网客户则是近年兴起的数据中心相关的服务器、交换机和路由器的设备制造商和使用者。两个市场差异较大但相互间又存在较为紧密的商业关系，需综合分析以对光模块整体市场有准确的把握。

（二）光模块行业分析

1.高端产品线布局

光模块的小型化、低成本以及高速率是产品迭代的主要方向，高端产品布局是企业盈利的重要一环。针对未来高速增长的数通光模块市场，400G产品是光模块厂商竞争核心点，也是行业内占据利润制高点的产品。按照云计算厂商部署400G数据中心规划，光模块作为400G网络相关产业链，未来5年销售额205%速度增长，2023年占据市场份额25%。以国内数通光模块龙头中际旭创为例，目前具备400G单模量产能力，主要做技术含量、利润率均高的光模块，而且具有较高的规模效应和产品良率，毛利率保持行业领先。

2.成本控制能力

下游客户主要关注产品成本、性能，即性价比，尤其是云计算厂商：Facebook、AWS、微软等，其更新换代相较电信会更快，所以同等性能下成本尤为重要。从另一个角度看，伴随下一代更高速率产品的量产，低速率产品价格必然会下降（行业均价：未来逐步将至1美元/G，甚至更低）。

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以100G产品为例，目前国内售价120美元-150美元，未来会持续下降，为保证一定利润空间，必须具备成本控制能力，比如培养供应链实现核心原材料降本、国产替代降本、产品设计降本、基于工艺优势提升产品良率降低制造成本、人力降本、规模化生产后降本等等。

3.工艺/技术壁垒

光模块属于工艺密集型行业，涵盖核心光学工艺、电路设计、器件及模块封装工艺等要素，Know-How高。尤其高端光模块，技术壁垒很高，企业需要持续加大研发投入，关注公司具备的涉及光、电层面的工艺。目前为实现光模块产品更低成本、更高速率、更高集成度，相较于传统光模块厂商分立器件组装，硅光技术的光模块逐步发展起来，但硅光产品良率低、传输损耗大，未来400G硅光模块预计在DR4（500m）短距场景下有成本竞争优势，因此硅光技术布局也可以作为关注点之一（比如博创科技、源杰半导体），但其短期内不会因硅光技术变革对光模块行业格局产生影响。另外，工艺Know-How依赖团队，关注团队产品设计层面、工程方面的人员配置。

4.客户资源优势

进入下游头部客户供应链体系是产品具备市场竞争力的最优体现。云数据中心是100G、400G光模块产品主要的需求方，目前能规模供货云数据中心的有中际旭创（供货

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Google、AWS等）、AAOI（供货Facebook、微软、AWS、Cisco等）、Finisar（供货Cisco、华为等），可关注行业内其它具备数通光模块供货能力的企业，在高速增长的市场驱动下，有望快速形成全球营收规模。

5.量产能力

光模块市场需求远大于供给，未来5年属于产业周期上升期，企业需要抓住行业机遇，具备产线、足够产能、快速落地能力等，行业内头部下游客户也会对供应商有最低产能要求；另外，从产品设计、进一步优化、送样客户测试、小批量供货至最终量产，不确定较大，需关注企业产品具体进展。

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（三）光芯片行业分析

随着市场对光模块高速率需求的提升，光芯片的性能要求和制造工艺难度在增加，光芯片在光器件以及光模块中成本占比进一步提升，根据公开资料整理分析，一般光模块中光芯片成本占比在30%-40%之间，在高端高速光模块中，这一占比可以达到50%左右。

作为技术含量非常高的产品，光芯片有研发周期长、投入大、风险高的几大特点。由于不同类型芯片所依靠的工艺平台不同，光芯片厂商想要切入其他类型芯片的技术难度依旧很高。因此，为了获取更多高端光芯片技术，海外上市光器件厂商多采用并购手段来壮大自身技术实力，进一步抢占高端光芯片市场。

1.光芯片自给率低。目前高端芯片主要掌握在美、日厂商手中。从全球来看，国内企业主要在无源器件（不涉及光电信号转换）、低速光芯片等中低端细分市场有竞争优势。但高端光芯片仍主要掌握在美、日厂商中，包括美国的

Finisar、Lumentum、Neophotonics 和日本的Sumitomo(住友集团)、Fujitsu(富士通)。

由于近年来，国际局势不稳，国外断供国内芯片的事件频频发生，国产替代也便成为了近年国内半导体业界的热门话题。据数据显示，国内通信设备占全球份额40%-70%，但光模块只有约19%，至于上游光芯片只不到1%。

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2.国产光芯片仍以中低端为主。国内已经实现10Gb/s的激光器量产，25Gb/s激光器也接近成熟，另外，在50G/400G等PAM4光模块产品已经实现了较大突破，已先后推出了50G QSFP28 PAM4 LR、400G QSFP-DDSR8等产品，后续50G QSFP28 BIDI/ER以及400G QSFP-DD

DR4/FR4也将陆续发布。

由于国外芯片的供应的不稳定性，部分国内光模块制造企业已开始布局自研器件。中美贸易问题愈演愈烈，以及美国限制华为中兴采购美国零件等，都将推动国产芯片的投入力度。华为投资18亿扩建海思光工厂就是一个很好的例子。

3.高端产品生产制造任重道远。虽然，国产中低端光芯片技术已经相对成熟，但在高端芯片技术上的缺失，是国内高速率光模块制造行业的一大痛点。高速率光模块厂商对芯片厂家的需求主要集中在性能、可靠性、价格和供货能力等，对于中低端芯片更注重价格和供货能力，而对于高端芯片则更看重性能。所以高端芯片的性能稳定性和量产能力将成为国产高端芯片的主要挑战。

光芯片的稳定性和量产能力取决于设备的精度、参数，人的经验，资本的投入等。光芯片设备投资大，没有资本力量介入单靠一家公司很难投入研发与生产。不过，目前国内人才引进环境与政策都比较好，而且也可以在境外设立研究所，但最主要的问题还是设备投入资金过大。

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现阶段国内光模块制造及芯片制造企业面临着资本、技术、设备、调试等各种问题，国产高端芯片量产目前看来还需要一段时间。但是国际环境的动荡恰好给国内相关企业带来了很好的机遇，相关企业都在顺应趋势开始布局自主研发，为我们赶上国外先进技术水平打下基础。

五、结论

（一）高速光芯片产业化能力国内整体处于研发阶段

光模块所使用的核心光芯片及电芯片产业化能力方面：领先国家均已基本成熟，国内在整体上尚处于研发阶段。目前，商业级/工业级25G波特率的DFB、EML、50G波特率的EML激光器芯片、窄线宽波长可调激光器芯片。100Gb/s相干集成光收发芯片、25/50G波特率的激光器（调制器）驱动跨阻放大器。

目前光芯片的主要供应商包括：美国厂商 Avago，Oclaro和Finisar，以及日本厂商 Sumitomo 和 Fujitsu。国内厂商光迅科技、华工正源、海信宽带实现了10G及以下低端光芯片的量产，并部分应用于现有产品中。目前光迅科技、华工正源、昂纳科技、敏芯科技（未上市）部分25G光芯片已经送样测试或小规模量产。随着未来光芯片国产化比例提升，该类厂商话语权有望提升，盈利能力有望逐步改善。

从光模块看，目前市场主流的高端光模块速率为100Gbps，同时400G和1T光模块也在研发或预研中。100G

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光模块，包括长距离和短距离，目前主要的供应商包括国外的Finisar、JDSU、Oclaro、Fujitsu、Sumitomo等器件厂商。在国内，目前只有华为旗下的海思 （Hisilicom）掌握了核心技术，并可以自己供货。

从光芯片层面看，国际上主流大厂商已经通过自主研发和收购，掌握了100G光模块核心芯片技术，而国内除了华为海思外，其他厂商还停留在10G量产水平。由于芯片作为基础性产业更需要长期投入，中国厂商在短期内追上的难度非常大，与国外厂商的相对距离虽然在缩小，绝对距离还在拉大。

（二）国内光芯片产业复合支撑力不足

假如光芯片是一座冰山，露出来能看到的是高端芯片，但海平面下却是生态体系、核心技术、资金、平台和人才所形成的复合支撑力。光电子作为半导体产业的一个分支，它与处理器、SOC、存储等微电子领域的火热相比，存在投资重视不足、投入错位、体系低效、人才不足、平台缺乏和技术落后等多种缺陷。

（三）激光器芯片产业化需要政府全方位支持

光芯片是高投入行业，工厂建成后，芯片能否快速实现量产，以及量产后的销售都存在不确定性，企业直接投资风险很大。因此，要打造我省的光芯片产业，前期需要获得政府的资金和政策的全方位支持，包括土地资源、厂房建设、

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设备购置、税收优惠政策、人才引进政策等。

（四）激光器芯片未来将趋于统一

光通信行业中存在着令人眼花缭乱的各种激光器芯片类型，然而，随着硅光、硅基介质光波导封装等芯片技术的发展，无论是成熟的光通信行业还是其它光电新应用行业，激光器将来都趋于统一，即无需调制功能的、连续宽波、高功率的DFB芯片，而其它光通信行业曾流行的激光器类型，如DML、EML、DBR等等，都将逐步消失。

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