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                關于國產光芯片的分析和發展應用

                發布時間 :2020-04-07 14:27:52閱讀 :
                光電子技術是電子信息技術的一個分支,也是半導體技術、微電子技術、材料技術、光學、通信、計算機等多學科交叉產生的新技術。從產業鏈角度看,包括光輻射(激光器)、光探測、光傳輸、光處理、光顯示、光存儲、光集成以及光轉換(光伏)等多個領域。20 世紀 80 年代起,由于光電子產品市場規模不斷擴大,應用日益廣泛,形成了光電子產業的概念,并成為各發達國家競相發展的熱點。光電子器件是光電子技術的核心和關鍵,進入新世紀以來,隨著光電子產業的迅猛發展,全球光電子器件的市場規模逐年攀升。
                但不容忽視的是,我國光電子產業的核心基礎能力依然薄弱,與發達國家相比,總體呈現出“應用強、技術弱、市場厚、利潤薄”的結構,整個產業鏈發展不均衡。核心、高端光電子器件的相對落后,已成為制約我國光電子產業乃至整個信息產業發展的瓶頸,甚至嚴重影響國家信息安全。
                 
                光通信器件產業概述
                通信器件按其功能和產品形態可細分為多種器件類型,但按照其在信息流中的不同作用基本可分為五大類,即:光信號產生、光信號調制、光信號傳輸、光信號處理、光信號探測。舉例來說,光收發模塊起著光電轉化的作用,在信息流中對應著光信號產生、調制與探測;而光分路器和光放大器則對應著光信號處理。下圖展示了不同物理類型的光通信器件與模塊跟信息流的對應關系。
                 關于國產光芯片的分析和發展應用(圖1)
                圖 1 光通信器件與信息流的對應關系
                光通信產業鏈主要包含光通信器件、光通信系統、光通信應用三部分,上游還包括光學、半導體、裝備、測試儀器儀表等配套行業。
                光通信器件按照其物理形態的不同,可分為:芯片、光有源器件、光無源器件、光模塊與子系統這四大類,其中配套 IC 歸類于芯片。每大類光通信器件包含的典型產品見下表所示。
                 關于國產光芯片的分析和發展應用(圖2)
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖3)
                光通信器件分類
                其中,有源光收發模塊的產值在光通信器件中占據最大份額,約為 65%。不僅規模占據重要位置,光收發模塊的性能也主導著光通信網絡的升級換代,在接入端、傳輸端等不同細分市場上均發揮著至關重要的作用。
                光通信器件產業發展現狀
                根據咨詢機構 Ovum 數據,2015-2021 年,全球光通信器件市場規??傮w呈增長趨勢。2016 年,全球光通信器件市場規模達到 96 億美金,并始終保持快速增長,預期 2020 年收入規模將達到 166 億美元。其中,電信市場和數據通信市場對光通信器件的需求保持穩定的增長,而接入網市場需求趨于平穩。
                與設備、光纖光纜市場相比,光通信器件領域還處在充分競爭時代,由于很多光通信器件企業都是在某一細分領域精耕細作,造成了廠商眾多,集中度低的市場格局,市場份額也相對比較分散。2016 年,全球市場份額排名前 10 位的廠商中,美日公司占據 9 席位。
                從產品技術看,全球主要光器件廠家均積極布局有源光芯片、器件與光模塊產品,并達到 100Gb/s 速率及以上的水平。國內企業在無源器件、低速光收發模塊等中低端細分市場較強,但在高端有源器件、光模塊方面的提升空間還很大。此外,數據中心市場拓展成為眾多光器件廠商的共同選擇。
                從盈利能力看,光通信器件行業本身在整個產業鏈中的盈利能力是最低的, 再加上國內企業集中在中低端產品,盈利水平更是微薄。使得國內大部分廠家無法投入更多資金用于高端產品的技術研發,難以實現健康可持續發展。
                國光通信器件市場規模在近幾年與全球保持相同的增長趨勢,中國光通信器件市場約占全球 25%-30%左右的市場份額。然而,盡管我國擁有全球最大的光通信市場、優質系統設備商,但是我國光通信器件行業在全球所占份額與現有資源并不相匹配。
                相對于光通信系統設備領域中國企業如華為、中興、烽火已經成長為產業引領者,我國光通信器件廠商則是以民營中小企業為主,大多沒有其他業務支撐, 規模普遍較小,企業群體不夠強壯,在自主技術研發和投入實力方面相對較弱, 主要集中在中低端產品的研發、制造上,核心基礎光通信器件能力薄弱。
                 關于國產光芯片的分析和發展應用(圖4)
                 
                光通信產業領域的競爭力
                從市場占比分析,中國企業實力偏弱,全球光通信器件市場占有率前十名企業中僅有一家中國企業。國內少數企業雖然依靠器件封裝優勢,在中低端市場已經形成較強影響力,但在高端產品領域仍有較大不足。
                下圖是根據咨詢機構以及行業供給情況給出的光收發模塊、光芯片、電芯片國產化率測算數據。10Gb/s 速率的光芯片國產化率接近 50%,25Gb/s 及以上速率的國產化率遠遠低于 10Gb/s 速率,國內供應商可以提供少量的 25Gb/s PIN 器件/APD 器件外,25Gb/s DFB 激光器芯片剛剛完成研發。25Gb/s 速率模塊使用電芯片基本依賴進口。
                 
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖5)
                 
                從產品技術分析,國外的競爭對手在高端光通信器件方面都具備了相關產品的開發和生產能力,國內光電子企業目前還處在追趕階段,與國外競爭對手有著較大的差距。當前全球信息光通信行業的高端器件產品幾乎全部由美國、日本廠商主導,且出現供不應求的局面,而國內基本屬于空白,或者處于研發階段。
                從核心芯片能力分析,國內企業目前只掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光器、探測器、調制器芯片,以及 PLC/AWG 芯片的制造工藝以及配套 IC 的設計、封測能力,整體水平與國際標桿企業還有較大差距,尤其是高端芯片能力比美日發達國家落后 1-2 代以上。而且,我國光電子芯片流片加工嚴重依賴美國、新加坡、加拿大、中國臺灣、德國、荷蘭等國家和地區,使得我國在國家各級研發計劃支持下發展的關鍵技術大量流失。由于缺乏完整、穩定的光電子芯片、器件加工工藝平臺以及工藝人才隊伍,國內還難以形成完備的標準化光通信器件研發體系, 導致芯片研發周期長、效率低,造成我國光通信器件技術與國外差距逐漸擴大。
                從知識產權能力分析,根據國家知識產權局提供的截止到 2015 年 8 月底的涉及通信光器件、光纖光纜與光傳輸設備的原創專利申請在全球主要國家及地區的區域布局情況,日本和美國是原創專利申請最多的兩個國家,分別為 14984和 11178 件。中國位列第三,申請量為 5298 件,其中包括了外國公司在中國組織的研發和專利申請。體現出中國在該領域中也有一定的研發能力,但是在核心專利和基礎性專利的申請方面仍然缺乏競爭力。
                存在問題與挑戰
                1)國內光通信器件供應商以中低端產品為主,同質化競爭嚴重,產業環境有待改善通過近些年發展,國內廠家在封裝技術上取得長足進步,但是國內光器件廠家多集中在技術成熟、進入門檻不高的中低端產品,以組裝代工為主,產品附加值不高,同質化嚴重,主要依靠擴大產能和降低勞動力成本在市場競爭中取得優勢。即使目前國內廠家能夠在中低端產品市場占據主導地位,產能滿足國內市場需求并達到出口,但是低價薄利使大部分廠家更加注重企業的短期盈利,無法投入更多資金用于研發周期長、回報慢的高端產品技術研發。
                雖然國家重視寬帶基礎設施建設,但國家層面的“降費”要求,疊加于運營商的轉型困難期,客觀導致包括光通信在內的整個通信產業鏈利潤微薄,企業陷入低價競爭局面。另外,國內運營商采用集采招標模式,以價格為主要導向,設備、纖纜企業為了搶占份額展開低價惡性競爭,并且價格壓力傳導至上游器件環節,整個產業鏈盈利艱難,也直接制約新技術研發。
                2)高端芯片器件自給能力有限,已成為中國系統設備廠商的瓶頸,國內核心技術能力亟待突破
                目前高端光通信芯片基本被國外廠商壟斷,國外大廠占據了國內高端光芯片、電芯片領域市場的 90%以上份額。以近年來網絡中大規模進行部署的高端 100G 光通信系統為例,其中的可調窄線寬激光器、相干光發射/接收芯片、電跨阻放 大芯片、高速模數/數模轉化芯片、DSP 芯片均依賴進口。
                光通信器件的核心是芯片,但芯片一直是整個中國制造的短板。以硅光子為例,中國在其發展中幾乎沒有聲音。在硅光子進入集成應用階段(2008-至今),西方公司不斷推出商用級硅光子集成產品。光通信器件用電芯片,在半導體集成電路領域內屬于市場規模非常小、但技術要求又特別高的門類,與光芯片比投資更大,研發和生產周期更長。目前,國內只有少數供應商涉足 10Gb/s 及以下速率的產品,25Gb/s 產品上還處在送樣階段等。在高速模數/數模轉化芯片、相干通信 DSP 芯片、以及 5G 移動通信前傳光模塊需要的 50Gb/s PAM-4 芯片上,還沒有國內廠家能夠提供解決方案。
                3)產業鏈加速整合,國內廠商垂直整合能力較弱
                光通信屬于全球化競爭異常激烈的產業,光纖光纜和系統設備兩個領域已進 入寡頭競爭階段,光通信器件領域則還處在完全競爭時代,市場份額分散。巨大 的成本壓力以及充滿挑戰的市場環境使光通信器件行業的廠商加速重組整合,國 外廠商通過收購與兼并等方式不斷進行產業鏈拓展,成功地完成技術與業務轉型, 使其產品覆蓋光器件、光模塊領域的幾乎所有環節,從無源到有源,從芯片到模 塊,把握產業鏈條的每一個環節,牢牢占據產業鏈的高端。
                盡管近年來國內大型光模塊企業也有不少并購動作,但更多的中小規模廠商仍然欠缺資本運營能力與人才引進力度,導致創新能力不足,在產品系列的完備和高端產品的開發能力等方面尤為欠缺。要改善這種境況,一是需要企業加大創新投入、改善人才引進與激勵機制,二是也需要地方政府和國家相關政策的支持。
                4)標準、專利等軟實力建設意識、能力不足,亟待提升原創能力與國際話語權參與新標準的制定,也意味著跟進行業發展潮流,甚至左右行業發展的方向。在光通信器件與模塊的國際標準制定中,一直以來很少見到中國企業的身影。國內標準普遍參照國際標準執行。這導致了國內企業話語權的缺失,使得標準和行業發展以眾多國外大企業的意志為走向,這對國內企業十分不利。比如,當下網絡正進行革命性的架構重構,其技術基礎是云、SDN、NFV,但它們無一源自國內,話語權被歐美牢牢掌握。
                近兩年國內企業也逐步意識到參與國際標準制定的重要性,逐漸能夠在最新標準中見到國內企業的參與,這是一個很好的開端。但從參與者到制定者,還有很長的路要走。需要在國家、行業協會的指導下,加強中國光通信器件廠家的基礎研究、技術預研,通過原創性、基礎性技術的突破來進一步提升產業影響力與標準話語權。
                5)光通信器件產業依賴的配套行業基礎薄弱,需要國家支持
                光通信器件產業發展嚴重依賴于先進測試儀表、制造裝備等基礎性行業能力。國內儀表裝備廠商基本從事低端設備的開發,精度高、自動化程度高的設備大都 嚴重依賴進口,光通信器件企業固定資產投資負擔重。而且產業安全也存在問題。政府和企業均應提高對自主研發的光通信器件制造與測試裝備的重視程度,比如 全自動高精度貼片機、全自動打線機、高速率光電信號測試儀表、甚至 MOCVD 等光電子芯片工藝制備裝備。
                光通信器件產業發展思路、發展目標
                1)目前,光通信器件產業在整個通信產業鏈中處于相對弱勢地位,產業生態環境欠佳,影響企業自身造血能力, 不利于前沿技術研究,不利于產業可持續發展。需要繼續加強信息基礎設施建設投入,并統籌產業布局,優化產品結構。
                2)攻關高端芯片/器件,保障供應鏈安全。目前,高端光芯片、模塊、器件嚴重依賴進口,發展受到制約。國內的產學研沒有形成面對產業需求的創新合力, 高校和研究所偏離產業的現實需求。應健全以企業為主體、市場為導向、政產學研用相結合的產業技術創新體系,著力突破重點領域共性關鍵技術,加速科技成果轉化為現實生產力。
                3)加強國際市場,推動產業國際化發展。目前,光通信器件產業對國內市場的依賴較大,國際化空間有待拓展,而且面臨貿易、安全、專利等多重挑戰。需借助國家 “一帶一路”戰略,積極培育亞洲、非洲的光通信市場,促使其加強網絡建設投入,并且通過國外建廠實現國際化生產,通過國外建設研究中心實現國際化研發。
                4)重視發展趨勢,著眼長遠發展,超前規劃布局。
                遵循科技創新與市場發展規律,著眼長遠發展,超前規劃布局。重視基礎研究,通過原創性、基礎性、先導性技術的突破,加大投資保障力度。核心技術是產業“命門”。光通信器件產業核心技術必須掌握在中國手中,“大產業”才可能變成“強產業”。
                進行產業結構調整布局,加強對創新技術與產品的優化與引導,并適當引入國際化運營經驗,增強行業的綜合實力。
                1)產品由低端走向高端——以市場為導向,優化產品結構
                我國光通信器件企業在接入網領域無論是產業規模還是技術上均處于世界領先地位,但是接入網產品屬于中低端產品。在傳輸和數據通信領域,我國企業的產品技術水平仍處于較落后狀態。依據未來市場發展趨勢,我國光通信器件企業應重點加強 100Gb/s 光收發模塊、ROADM 產品、高端光纖連接器、10Gb/s 與25Gb/s 激光器、配套集成電路芯片的研發投入與市場突破,并爭取盡快擴大產業規模、早日擺脫對國外供應商的依賴。并且在下一代 400Gb/s 光收發模塊產品、硅光集成領域加大投入、加快研發進度,爭取跟國際一流廠商處于并跑狀態。
                2)技術由組裝走向核心芯片——補齊上游短板,夯實產業基礎
                光收發模塊的核心技術在于光電子芯片。我國大多數光通信器件和模塊企業依靠中國較為低廉的人工和進入門檻較低的封裝技術在市場上生存。隨著中國人工費用的上升和國外智能制造技術的發展,若使國內光器件企業擁有長遠發展能力,必須建立自己的光電子芯片研發和制造能力,包括激光器芯片、光探測器芯片、集成電路芯片、光子集成芯片。
                光電子芯片產業是整個信息產業的核心部件與基石,芯片行業進入壁壘高, 投入大、研發周期長,難度大,尤其是芯片的材料生長、芯片設計、芯片工藝經驗積累,迫切需要國家整合國內的產學研融資源,解決行業共性技術、關鍵技術瓶頸,確保在 2022 年中低端光電子芯片的國產化率超過 60%,高端光電子芯片的國產化率突破 20%。
                3) 市場從國內走向國際——發揮產業鏈下游優勢,拓展新興市場
                充分利用低成本和集成能力,發揮我國在產業鏈下游系統設備、運營商環節已有的優勢,積極向新興市場拓展,持續擴大產業規模。積極培育亞洲、非洲的光通信市場,在“一帶一路”戰略中更重視信息基礎設施建設,促使其加強網絡建設投入,帶動光通信器件市場需求。并與政府形成合力,沖破西方從貿易、安全、知識產權等多方面所設置的針對中國的競爭壁壘,促進國產系統設備進入發達國家市場。
                4)培育龍頭領軍企業和新興中小企業——壯大薄弱環節產業群體
                培育龍頭領軍企業,在核心技術開發、標準制定等多方面帶動產業做大做強。培育具有原創核心技術和自主知識產權的新興中小企業。在政策、資金等資源上予以傾斜,強調比較優勢和差異化競爭。強化全球資源整合能力,支持企業在供應鏈、戰略方向與資源布局合作,有效利用全球各地區的資源。爭取 2020 年有2-3 家企業進入全球光通信器件前十強,并且在核心技術能力上接近、部分領域超過行業標桿企業。2022 年國內企業占據全球光通信器件市場份額的 30%以上, 有 1 家企業進入全球前 3 名。
                5)推動上下游產業鏈互聯互通——規范產業環境,構建產業生態
                傳統封閉的產業生態體系限制了創新,融合變革形式下,競爭日益需要綜合性資源與能力,構建涵蓋開放的產業生態系統。我國光通信器件產業更應加強上下游聯動,一方面,推動國內系統設備廠家優先選用國產光器件,充分發揮國內市場、優質設備商的帶動作用;另一方面,產業鏈上下游可以共同開展技術研發,
                建立測試平臺,共同培育應用生態,參與國際標準制定,從而共同提升主導能力。
                我國的半導體激光器產業化水平是光通信產業鏈中最薄弱的環節,高端激光器芯片(主要指 25Gb/s 以上)幾乎全部依賴進口。25Gb/s 激光器芯片、硅基100Gb/s/200Gb/s 相干光收芯片、WSS 芯片以及配套的半導體集成電路(IC)研發所需要的,可工程化的Ⅲ-Ⅴ族材料工藝、硅基光電子工藝平臺能力,是制約國內企業與研究機構在核心芯片上快速創新的瓶頸,也是制約國產芯片大規模應用的主要瓶頸。需要通過搭建共性技術研發平臺、加大人才的儲備、引進海外高端人才的方式加快補齊短板。
                繞寬帶中國、中國制造 2025 以及 5G 移動通信項目,重點攻關高密、高速、可調等高端光電子器件產品的封裝工藝技術,解決異質材料光波導間的陣列耦合設計與工藝技術、異質材料間的高速電信號匹配與高速封裝工藝技術、III-V 族器件與硅基器件的高性能集成、光波導間低損耗、低回損耦合技術等封裝技術問題。以優勢企業為主體盡快推出光傳輸網絡用的 100Gb/s/200Gb/s 相干光收發模塊和 ROADM 產品,數據中心用 200Gb/s/400Gb/s 光收發模塊,以及 5G 移動通信用的工溫 25Gb/s 光收發模塊等,并形成規?;慨a,支持國家重大工程的實施。
                建立完善的光通信系統及光通信器件標準體系,鼓勵科研院所、企業積極參與提交國際和國內技術標準標準草案,深入參與國際標準化工作、加強行業協會的團體標準建設,推動自主知識產權成果轉化為國際標準。加強光通信器件專利申報,確保專利申報數量與美、日差距縮小,并與專利質量提升,建立國內專利池,在國際競爭力形成合力。
                 
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖6)
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖7)
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖8)

                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖9)關于國產光芯片的分析和發展應用(圖10)
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖11)
                關于國產光芯片的分析和發展應用(圖12)

                 
                 
                 
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