光電子技術是光子技術和電子技術結合而成，通過光子激發電子或者電子躍遷產(chan) 生光子，實現光能與(yu) 電能轉換的新技術。光電子技術按照應用領域主要分為(wei) 信息光電子（通信、大數據計算、人工智能、智能駕駛、無人機等）、能量光電子（固體(ti) 、氣體(ti) 、光纖激光器、光伏係統等）、消費光電子（光顯示、光照明等）、軍(jun) 用光電子（紅外傳(chuan) 感、激光引像等）四大領域，其技術水平和產(chan) 業(ye) 能力已經成為(wei) 衡量一個(ge) 國家綜合實力和國際競爭(zheng) 力的重要標誌。

在光電子四大應用領域中，消費光電子在我國已經形成成熟產(chan) 業(ye) 鏈條，軍(jun) 用光電子具有特殊性，因此在這裏不做贅述。信息光電子是光電子技術的主流，它采用光作為(wei) 信息傳(chuan) 輸載體(ti) ，擔當此任務的基礎是光收發模塊。光收發模塊中的核心器件是基於(yu) 半導體(ti) 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(yu) 信息光電子相似。總體(ti) 來講，高端光電子器件是光電子技術發展的核心，也是製約光電子各大應用領域發展的關(guan) 鍵技術瓶頸。

一 國內(nei) 外光電子技術政策布局

國外從(cong) 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(wei) 美國20項關(guan) 鍵技術之一，2014年10月美國總統奧巴馬宣布光子集成技術國家戰略（AIM Photonics），投入6.5億(yi) 美元打造光子集成器件研發製備平台，其中包括以南加州大學為(wei) 核心的光子工藝中心；日本目前正在實施First Program（先端研究開發計劃），部署了“光電子融合係統技術開發項目”；德國政府將光子學確定為(wei) 21世紀保持其在國際市場上先進地位的九大關(guan) 鍵技術之一，投入35億(yi) 歐元用於(yu) 紅外監測、激光表麵處理等與(yu) 光電子技術相關(guan) 的產(chan) 業(ye) 與(yu) 研發，其中“地平線 2020”計劃更是集中部署了光電子集成研究項目，旨在實現基於(yu) 半導體(ti) 材料和二維晶體(ti) 材料的光電混合集成芯片。

我國也對光電子技術和產(chan) 業(ye) 進行了政策重點布局。2011年科技部《國家重大科學研發計劃》對高性能納米光電子器件進行重點支持；2017年發布的《十三五材料創新專(zhuan) 項規劃》指出大力研發新型納米光電器件及集成技術，加強示範應用；2017年工信部正式公布智能製造試點示範項目名單，加快發展光電子器件與(yu) 係統集成產(chan) 業(ye) ，推動互聯網、大數據、人工智能和實體(ti) 經濟深度融合；2018年3月科技部“十三五”《國家重點研發計劃》在光電子領域進行部署。

二 國內(nei) 外光電子核心技術發展現在分析

高端光電子器件做為(wei) 光電子技術發展的核心，其性能的提升依賴於(yu) 打通從(cong) 模擬設計、材料生長、器件製備到封裝測試的技術鏈條。位於(yu) 產(chan) 業(ye) 鏈源頭的光電子材料、核心光電子器件的製備，與(yu) 發達國家相比存在較大差距，且生長工藝複雜、對外技術依存度高，平均成本和利潤率超過整個(ge) 產(chan) 品的50%甚至達到70%，已成為(wei) 製約我國下一代光電子技術產(chan) 業(ye) 發展的關(guan) 鍵瓶頸。同時，將多個(ge) 不同功能的光電子器件集成到單個(ge) 芯片上，實現功能更為(wei) 複雜的光、電信號處理係統是未來光電子技術的發展方向。以矽基光電子集成技術為(wei) 主要代表的熱點技術將成為(wei) 21世紀光電子技術發展的一個(ge) 重要方向。

01 光電子材料發展現狀

按照光波的不同波段，光電子材料未來發展的重點方向包括：從(cong) 紫外到可見光的發光材料，近紅外到中遠紅外及太赫茲(zi) 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镓（GaAs）和磷化銦（InP）為(wei) 代表的III-V族化合物半導體(ti) 材料；光電子集成用主要材料為(wei) 絕緣體(ti) 上的矽（SOI）及氮化矽，目前主流為(wei) 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

光電子材料製備包括襯底製備和外延工藝兩(liang) 大環節。襯底是由半導體(ti) 單晶材料製造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓製造環節生產(chan) 半導體(ti) 器件，也可以進行外延工藝加工生產(chan) 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(liang) 種技術。

（1）III-V族化合物

GaAs、InP等III-V族化合物材料適用於(yu) 製作高速、高頻、大功率以及發光電子器件，目前廣泛應用於(yu) 衛星通訊、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，主流尺寸為(wei) 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，中國台灣的全新光電三家占據，市場份額達到90%。InP襯底目前由美國AXT、日本住友占據大部分市場，中國大陸以雲(yun) 南鑫耀等企業(ye) 為(wei) 主，近年來市場擴展迅速，主流尺寸為(wei) 2英寸和3英寸。InP外延材料市場目前主要由英國IQE、中國台灣聯亞(ya) 光電占據，中國大陸主要有中科芯電（ACS），中國大陸還未開始量產(chan) 。

（2）氮化镓（GaN）

在光電子學領域，GaN基材料可以實現綠光、藍光和紫外多個(ge) 波段的激射發光，一般采用氰化物氣相外延（HVPE）方法製備，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(jin) 有日本的日亞(ya) 公司、德國的歐司朗公司能夠實現產(chan) 業(ye) 化，中國大陸隻有中科院半導體(ti) 所、中科院蘇州納米所、南昌大學等極少數單位能夠研製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(chan) 廠商有日本信越、日本SUMCO、中國台灣環球，此外還有法國Soitec、中國台灣台勝科、合晶、嘉晶等企業(ye) 。中國大陸主要生產(chan) 廠商為(wei) 上海新升。SOI晶圓襯底主流尺寸為(wei) 8英寸。

02 高端光電子器件發展現狀

高端光電子器件主要包括化合物半導體(ti) 激光器、光電探測器及矽基集成有源光子器件。

（1）化合物半導體(ti) 激光器

化合物半導體(ti) 激光器是以GaAs、InP等為(wei) 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，包括垂直腔麵發射激光器（VCSEL）、分布式反饋激光器（DFB）、電吸收調製激光器（EML），超輻射發光二極管（SLED）、激光二極管（LD），分別適用於(yu) 不同的傳(chuan) 輸距離和速度。

①VCSEL激光器：能夠實現芯片表麵的激光發射，具有體(ti) 積小、功耗低、可單縱模輸出、價(jia) 格低廉、易大麵積集成等優(you) 點。VCSEL芯片是主要材料為(wei) GaAs體(ti) 係。其中，850nm 波段VCSEL適用於(yu) 短距離(小於(yu) 500米)光通信領域，可以用在光纖網絡中高速傳(chuan) 輸數據。940nm波段VCSEL適用於(yu) 3D傳(chuan) 感。隨著2017年蘋果iphoness X發布，3D人臉識別係統大規模應用，940nm VCSEL激光光源引起了廣泛的關(guan) 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等國外公司已經陸續推出通信用25G以上速率的850nm VCSEL激光器芯片。目前中國大陸已經能夠自主完成10G 850nm VCSEL激光器芯片外延及芯片工藝製造。隨著人臉識別VCSEL市場規模的爆發增長，使得各個(ge) VCSEL製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了手機用940nm VCSEL高功率TOF和結構光芯片的國產(chan) 化，其性能可與(yu) 國外頂尖公司產(chan) 品相媲美。

②DFB激光器：能夠實現邊發射的單縱模激光器，具有非常好的單色性。DFB激光器芯片通常由InP、GaAs等半導體(ti) 材料製成，其主要應用為(wei) 1310nm，1550nm光通信，可實現高速率、大距離的中長距離傳(chuan) 輸，也適用於(yu) 數據中心、城域網及接入網。

DFB激光器芯片技術基本上由德國、美國、日本等發達國家掌握，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，但能夠實現商業(ye) 化生產(chan) 的廠家並不多，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(wei) 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(ti) 所、清華大學等。目前國內(nei) 芯片廠商隻占據10%以下的市場份額，光迅、海思等廠商僅(jin) 在10G以下低端激光器商用芯片實現國產(chan) 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，但還未實現商業(ye) 化。

③EML激光器：EML為(wei) 電吸收調製器（EAM）與(yu) DFB集成器件。與(yu) 直接調製的DFB激光器比，EML的傳(chuan) 輸特性和傳(chuan) 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範圍等優(you) 點，可以廣泛應用於(yu) 高速、遠距離的骨幹網和城域網。EML廠家有Finisar，JDSU、日本三菱、英飛淩等，國內(nei) 研究機構有清華大學、中科院半導體(ti) 所等。

④紫外激光器：半導體(ti) 紫外激光器（波長＜400nm）在激光加工、紫外固化、紫外殺菌、生物醫學等領域有重要的應用。與(yu) 紅外激光器相比，紫外激光器具有波長短、光子能量大等優(you) 點，不僅(jin) 可以聚焦更小、實現更高精度加工，而且可以把熱效應降到最低、實現冷加工。GaN材料是實現半導體(ti) 紫外激光器的理想材料，但是由於(yu) 紫外量子阱發光效率低、光損耗大等問題，GaN紫外激光器技術難度極大。目前國際上隻有日本的日亞(ya) 公司能夠提供商用產(chan) 品，中國大陸隻有中科院半導體(ti) 所能夠研製室溫電注入連續激射的紫外激光器。

⑤量子級聯激光器（QCL）：QCL激射波長對應於(yu) 兩(liang) 個(ge) 重要大氣窗口和絕大多數氣體(ti) 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(ti) 檢測等應用領域發揮重大作用。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(ti) 研究所具有小批量QCL生產(chan) 能力、已提供給50個(ge) 國內(nei) 外用戶使用。目前國內(nei) QCL仍然受外延材料本身的效率和一些工藝、封裝設備的限製，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(ti) 激光器：一般指的是功率大於(yu) 1W，GaAs基808nm、980nm、915nm、1064nm等波段的激光器。大功率半導體(ti) 激光器主要用於(yu) 泵浦源（固體(ti) 激光器/光纖激光器）。目前大功率半導體(ti) 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(yu) 物理研究所、中國科學院半導體(ti) 研究所、中國科學院上海光學精密機械等，公司有山東(dong) 華光光電子股份有限公司等。國內(nei) 的研究水平和產(chan) 品實力均弱於(yu) 國外公司，包括功率、壽命、光束質量、合束技術等方麵，並且由於(yu) 該方麵的應用較為(wei) 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麵的光功率，並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用於(yu) 短距離、對靈敏度要求不高的光通信係統中，響應帶寬為(wei) 2.5Gb/s，10Gb/s，25GGb/s，40Gb/s；APD靈敏度高於(yu) PIN，響應帶寬為(wei) 2.5Gb/s，10Gb/s，20Gb/s，主要應用於(yu) 光纖通信係統、單光子探測、航天探測。生產(chan) 兩(liang) 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(nei) 25Gb/s PIN接近開發成功，25Gb/s APD還不成熟。研究機構有北京郵電大學，中科院物理所，中科院微係統所，中科院半導體(ti) 所，清華大學、南京大學等。國內(nei) 部分技術領先的光模塊製造商已在這個(ge) 器件上進行技術布局，有待市場驗證。

（3）矽基光電子集成芯片及矽基集成有源光子器件

矽基光電子集成芯片主要由矽基光電子器件和微電子器件兩(liang) 大部分組成。矽基光電子器件分為(wei) 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、複用器和解複用器等。有源器件包括：矽基光源、探測器、調製器和放大器等。矽基光子集成芯片製備工藝相對成熟，但受限於(yu) 材料性質，目前尚難以實現矽基有源（發光）器件。

近十年來，矽基光電子集成的關(guan) 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(ye) 界（如英特爾、IBM、意法半導體(ti) ）的廣泛關(guan) 注，僅(jin) 英特爾公司對矽基光電子的研發投入就高達數十億(yi) 美元。2015年IBM宣布已成功研製出實用化的矽基光學芯片，將一個(ge) 矽基光集成芯片封裝到了與(yu) CPU大小相同的尺寸中，這無疑將矽基光子技術提升到了更高的層次。此外，英特爾和加州大學聖巴巴拉團隊於(yu) 2016年末實現了100G矽基光收發器的產(chan) 品研發，目前已進入服務器和數據中心市場。

我國在矽基集成芯片的研發領域緊跟世界發展，在單一矽光器件如片上光源、光調製器、探測器以及無源矽光集成芯片如光開關(guan) 等領域均有突破性研究成果發表。矽基有源光子器件方麵，中科院物理研究所研究團隊通過矽基圖形襯底上III-V族混合集成的外延生長技術實現了高質量的矽基片上光源（閾值電流小於(yu) 190mA、連續激射溫度高於(yu) 65°C），完成了中國矽基可集成激光器零的突破。

綜上所述，未來期望通過矽基可集成光源、高速調製器和高響應探測器的研發，全麵推動矽基光電子集成芯片的迅速發展。

三 我國光電子產(chan) 業(ye) 市場現狀

十三五期間，隨著大數據、雲(yun) 計算、第5代移動通信、物聯網以及人工智能等應用市場快速發展，汽車、能源、通信等垂直行業(ye) 對光電子產(chan) 品與(yu) 服務的需求也必將進一步擴大，行業(ye) 市場規模將繼續保持快速的增長，2017年行業(ye) 市場規模高達8028億(yi) 美元，行業(ye) 複合增長率達到10.8%，2018年行業(ye) 市場規模可達8831億(yi) 美元。預計2024年行業(ye) 市場規模將突破萬(wan) 億(yi) ，達到10781億(yi) 元。

01 光通信應用領域（通信、大數據計算）

受益於(yu) 我國通信網絡的全麵推進建設，我國光通信器件市場規模保持著快速的增長趨勢。數據顯示，2012年，我國光通信器件市場規模為(wei) 100億(yi) 美元，2017年行業(ye) 市場規模為(wei) 203億(yi) 美元，複合增長率達到15.2%，在全球光通信器件市場規模占比接近30%。

       但我國光通信領域企業(ye) 整體(ti) 實力仍然偏弱，產(chan) 品結構不夠合理，大部分企業(ye) 徘徊在中低端領域，同質化嚴(yan) 重，主要依靠價(jia) 格優(you) 勢維持生存。以光傳(chuan) 輸領域為(wei) 例，國內(nei) 三大係統設備商（華為(wei) 、中興(xing) 和烽火）在光傳(chuan) 送設備領域的國際市場份額的占比已經超過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(chan) 品方麵，核心技術缺失，供給能力上接近為(wei) “零”。總體(ti) 上上遊材料和芯片的薄弱導致相應的光器件、組件及模塊發展受到製約，不僅(jin) 高端產(chan) 品嚴(yan) 重依賴進口，甚至部分中低端產(chan) 品亦無法實現完全國產(chan) 化，采購渠道受日、美等發達國家控製。

02 光傳(chuan) 感領域（人工智能、智能駕駛、無人機）

根據中國電子元件行業(ye) 協會(hui) 信息中心的數據，2016年，全球光傳(chuan) 感器市場規模達1370億(yi) 元。中國光傳(chuan) 感器市場規模達778億(yi) 元，約占全球市場規模的57%。近年來，在智慧城市、物聯網、智能移動終端、智能製造、機器人、智能電網等下遊應用市場的推動下，中國光電傳(chuan) 感器市場快速成長，成為(wei) 拉動全球光傳(chuan) 感器市場增長的主要力量。

       預計到2022年，全球光傳(chuan) 感器市場規模將成長至1836億(yi) 元，2016-2022年複合增長率達5%，中國光傳(chuan) 感器市場規模將成長至1180億(yi) 元，2016-2022年複合增長率達7%。盡管未來中國光傳(chuan) 感器市場的增速可觀，但目前我國光傳(chuan) 感器行業(ye) 的現狀主要是企業(ye) 規模偏小、產(chan) 品檔次低、市場份額低。