磷化铟与光芯片
从衬底到激光器:一片小晶圆怎样制约光通信的出货
2025 年是 AI 数据中心光模块需求最旺的一年:LightCounting 估计以太网光模块的销售额增长近 90%(2026 年 10 月的口径;4 月时估计为 82%)。同一年,全球两大磷化铟衬底厂之一的 AXT(美国上市,生产主体在北京)营收从 9,940 万美元降到 8,830 万美元,毛利率从 24.0% 降到 12.7%。公司把原因归于出口许可:2025 年 2 月起,磷化铟列入中国出口管制清单,每一笔出口都要申请许可,第四季度拿到的许可少于预期。
与此同时,下游缺货。激光器芯片的主要供应商 Lumentum 在 2026 年 5 月称,它的激光芯片实际上已经售罄,晶圆厂产能全部分配完毕,EML 等产品的供需缺口超过 30%。另一家衬底厂 JX 金属 2026 年 6 月宣布,到 2030 财年投资约 1,200 亿日元,把磷化铟衬底产能扩大到 2025 财年的 7—10 倍(TrendForce 引日经)。
一片 3 英寸磷化铟衬底能做出几千到上万颗激光器芯片,整个衬底市场的规模远小于硅片。为什么这么小的一个环节会决定整个光通信链的出货?这一页从物理讲起:激光器为什么必须用磷化铟,晶体为什么难长,一片衬底能变成多少只光模块,利润落在哪个环节,以及扩产为什么跟不上。
本页写于 2026 年 11 月,不给出当前价格。页末的公司表只说明产业地位,不构成投资建议。铟的来源和出口管制见小金属页。
1为什么是磷化铟
光纤的窗口决定了波长
石英光纤在 1310 纳米附近色散最小,在 1550 纳米附近损耗最低。数据中心和电信网络的激光器因此工作在这两个波长附近。光子的能量与波长成反比:
激光器靠电子从导带跃迁到价带时发光,发出的光子能量约等于半导体的禁带宽度。所以需要一种禁带宽度在 0.8—0.95 eV 的半导体,而且必须是直接带隙:电子跃迁时不需要声子参与,发光效率才高。硅的禁带约 1.12 eV,而且是间接带隙,几乎不发光;砷化镓是直接带隙,但禁带约 1.42 eV,对应约 873 纳米;砷化镓体系做成的是 850 纳米的 VCSEL,用于短距离的多模光纤。
晶格匹配
磷化铟本身的禁带是 1.344 eV(300 K),也不在这个范围。它的作用是做衬底:在它上面外延生长铟镓砷磷(InGaAsP)或铟镓铝砷(InGaAlAs)等四元合金,调节组分,可以让禁带落在约 0.75 eV 到 1.3 eV 以上(InGaAsP 约 0.75—1.35 eV,InGaAlAs 的上限更高),同时保持晶格常数与磷化铟(5.8687 Å)相同。晶格常数不匹配的外延层会产生位错,位错是非辐射复合中心,激光器的寿命和效率都会下降。所以 1310 和 1550 纳米的激光器和探测器,基本都长在磷化铟衬底上。
探测器的逻辑相同:铟镓砷(In₀.₅₃Ga₀.₄₇As)与磷化铟晶格匹配,禁带约 0.75 eV,能吸收 1310 和 1550 纳米的光,是光模块接收端 PIN 和 APD 探测器的吸收层。
失效条件:硅光方案把调制器、波导、探测器(锗探测器)做在硅上,但发光仍然要靠磷化铟激光器,只是数量变少(第 3 章)。在硅上直接外延或键合 III-V 材料的研究在推进,若能大规模量产,对磷化铟衬底的需求结构会改变。
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2晶体、外延与芯片
铟 + 红磷多晶合成单晶生长衬底MOCVD 外延芯片工艺激光器 / 探测器
晶体为什么难长
磷化铟的熔点是 1,062 °C。难点在磷:在熔点附近,磷的平衡蒸气压约 26 个大气压(一份晶体生长专利给出的数值),熔体会不断分解出磷蒸气。生长时必须让炉内的压力高于这个值,才能保持化学计量比。常用的方法有两类:
- 液封直拉法(LEC):在高压炉里,用一层熔融的氧化硼盖住熔体,抑制磷挥发,再像直拉硅一样提拉单晶。温度梯度大,晶体里的热应力大,位错密度较高。
- 垂直梯度凝固法(VGF)与垂直布里奇曼法(VB):熔体装在坩埚里,从底部的籽晶开始缓慢凝固。温度梯度小,位错密度低,但生长慢,而且容易出现孪晶,一旦出现,整根晶锭的单晶率就下降。
磷化铟比硅软、比砷化镓脆,切片和抛光时容易碎;晶锭的直径也比硅小得多。衬底尺寸长期以 2 英寸和 3 英寸为主,正在向 4 英寸和 6 英寸过渡。面积随直径的平方增加,6 英寸的面积是 3 英寸的 4 倍。
外延与芯片
衬底之后,用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底上长出多层量子阱结构,原料是三甲基铟、三甲基镓等金属有机源和磷烷、砷烷。三甲基铟和三乙基铟本身也在中国 2025 年第 10 号公告的出口管制清单上(见小金属页第 6 章)。再经光刻、刻蚀、镀膜、解理,做成几种芯片:
| 芯片 | 结构 | 用在哪里 |
|---|---|---|
| DFB 激光器 | 在有源区旁刻出布拉格光栅,只让一个波长激射 | 直接调制,用于较低速率、较短距离的光模块和电信接入网 |
| EML | DFB 激光器与电吸收调制器单片集成:激光器连续发光,调制器按电信号吸收或透过 | 每通道 100G、200G 的高速光模块(例如每只 800G DR8 模块用 8 颗 100G EML) |
| CW 激光器 | 大功率连续波激光器,本身不调制 | 硅光方案的光源:调制在硅芯片上完成,一颗 CW 激光器分给多个通道 |
| PIN / APD 探测器 | 铟镓砷吸收层;APD 带雪崩增益 | 光模块接收端 |
每只模块用多少颗芯片,取决于具体设计:800G DR8 用 8 颗 100G EML 的说法来自 FS.com 的产品资料;硅光模块常用两颗 CW 激光器,也有单激光器设计。下一章的换算把这些都作为可调参数。
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3从一片衬底到多少只光模块
一片圆形晶圆能放下多少颗长方形芯片,可以用一个常用的近似公式估算:直径 、边缘排除宽度 、单颗芯片面积 时,
第一项是面积之比,第二项扣掉边缘放不下的不完整芯片。再乘以良率,得到合格芯片数;除以每只光模块需要的芯片数,得到模块数。拖动下面的参数。
默认参数下,一片 3 英寸衬底能出几千颗合格的 EML,够装几百只 800G 光模块。反过来看,如果一年要出货几千万只高速光模块,就需要每年几万到十几万片衬底,具体取决于方案和良率。这解释了两件事:
- 衬底的金额小,数量却是硬约束。每只模块分摊的衬底成本很低(第 4 章),但没有衬底,后面的外延、芯片和模块都无法开工。
- 硅光方案减少了每只模块的磷化铟用量。同样 8 个通道,EML 方案要 8 颗激光芯片,硅光方案只要 1—2 颗 CW 激光器;CW 激光器的单颗面积较大、功率要求高,但总的磷化铟面积仍然少得多。所以硅光比例上升时,同样数量的模块对衬底的需求下降。
失效条件:上面是按理想面积估算,实际用量明显更高。据 Omdia 估计(财联社转引),2025 年全球磷化铟衬底需求约 200 万片(折合 2 英寸),比按光模块数量的理想换算高一个数量级:衬底还用于电信、传感和研发,实际良率更低,部分芯片面积更大。另外,实际产出还受晶圆边缘质量、外延的均匀性和测试产能限制;大尺寸衬底在初期良率较低,面积增加 4 倍不等于合格芯片增加 4 倍。
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4成本结构:利润在哪个环节
把链上几个环节的利润率放在一起(口径不同,只比较数量级):
| 环节 | 公司 | 利润率 | 期间与来源 |
|---|---|---|---|
| 磷化铟衬底 | AXT | 毛利率 12.7%(2024 年 24.0%) | 2025 年,公司年度业绩 |
| 激光器芯片(数据中心) | 源杰科技 | 数据中心业务毛利率约 72%;电信业务约 31% | 2025 年,公司年报 |
| 激光器芯片与光模块 | Lumentum | 非美国通用会计准则营业利润率 32.2% | 2026 财年第三季度(截至 2026 年 3 月),公司业绩 |
衬底厂的毛利率最低,而且受出口许可影响(AXT 2025 年的下降主要来自许可);数据中心激光器芯片的毛利率最高。原因和半导体材料页第 4 章相同:
- 衬底占芯片成本的比例小。按第 3 章的换算,一片衬底分摊到几千颗芯片上,每颗芯片的衬底成本只是芯片售价的很小一部分。TrendForce 报道,管制后 6 英寸磷化铟晶圆的平均价格上涨 250%,到约 5,000 美元一片;按原价约 1,430 美元计,每片多出约 3,600 美元;一片 6 英寸衬底能出上万颗合格芯片(第 3 章),分摊到每颗芯片只多出几毛钱到一美元左右。
- 芯片的设计、外延和工艺需要长期积累,并要通过模块厂和云服务商的认证;高速 EML 和大功率 CW 激光器的合格供应商很少,所以有定价权。
- 衬底是标准化程度较高的产品,但合格的供应商只有三家左右,扩产慢;它的议价能力在短缺时上升,JX 金属在宣布扩产时表示将与客户讨论价格调整(Semiconductor Today)。
失效条件:利润率随周期和政策变化。如果衬底短缺持续,衬底价格可以继续上涨,利润会向上游转移;如果芯片厂大量扩产、价格竞争加剧,芯片环节的高毛利也会下降。纵向一体化(住友电工自产衬底和芯片、Coherent 自产衬底)会让利润在公司内部转移,不出现在单一环节的报表上。
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5供给瓶颈:集中度、许可与扩产
集中度:几种口径
| 口径 | 住友电工 | AXT(含北京通美) | JX 金属 |
|---|---|---|---|
| 路透社(经 TrendForce 引用,2026 年) | 两家合计接近 80% | 约 10% | |
| Yole(2020 年数据,经研报转引) | 约 42% | 约 36% | 约 13% |
| 日经(TechNews 转引,2026 年 7 月) | 约四成 | — | 约四成 |
各家口径差别很大:有的按产量、有的按销售额,有的只算对外销售,有的包括自用;JX 金属的份额从约 10% 到约四成不等。共同点是三家合计约九成。另有两点影响市场上实际可买到的衬底:住友电工有相当一部分衬底用于自己的光芯片和光模块;AXT 的生产主体在中国,出口要逐笔申请许可。国内还有云南锗业的子公司云南鑫耀等厂商。
许可:出货的节奏
AXT 的经历说明了许可怎样决定出货:2025 年 2 月磷化铟列入管制清单后,它的北京子公司在 6 月拿到首批出口许可;第三季度获批一批大订单后,磷化铟收入环比增长超过 250%,达到三年来的最高;第四季度拿到的许可少于预期,部分许可在 2026 年初到达(公司业绩发布)。需求没有变,出货随许可的到达时间波动。
扩产:各家的计划
扩产计划都很大,为什么短缺仍会持续几年?下面的示意模型说明时滞的作用:需求按固定速度增长;供给在决定扩产后要经过时滞 才开始增加,之后按扩产速度增长。拖动参数看缺口。
失效条件:需求的增速不是固定的。硅光比例上升(第 3 章)、云服务商资本开支放缓,都会使对磷化铟的需求增速低于光模块的增速;反过来,共封装光学(CPO)若比预期更早放量,需求会更快。
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6需求:数据中心、硅光与 CPO
光模块的需求来自 GPU 集群的网络:每台服务器、每台交换机之间都要用光模块和光纤连接,集群越大、带宽越高,需要的光模块越多(详见光通信页第 4 章)。几组数据:
- 以太网光模块:LightCounting 的估计在 2026 年内多次上调。4 月估计 2025 年销售额增长约 82%、2026 年增长 65%;7 月称供应链压力进一步加大,把 2026 年的预测上调到 73%;10 月的口径是 2025 年增长近 90%,2026 年预计增长 120%(Lightwave 报道)。
- 共封装光学(CPO)与近封装光学(NPO):TrendForce 预计,两者合计的市场从 2025 年约 1 亿美元增长到 2030 年超过 390 亿美元。CPO 把光引擎和交换芯片封装在一起,光源通常是外置的大功率激光器,所以需要的是 CW 激光器而不是 EML:源杰科技在研面向 CPO/NPO 的 300 毫瓦 CW 光源,Lumentum 也在推面向 CPO 的超高功率激光器(界面新闻)。
- 电信:光纤到户(PON)和 5G 前传使用 DFB、EML 和 APD,需求平稳,毛利较低(源杰科技 2025 年电信业务毛利率约 31%,收入基本持平)。
需求结构的变化方向是:每通道速率提高(100G → 200G)、硅光和 CPO 比例上升。前者要求更高性能的 EML 和更大功率的 CW 激光器,良率更低,单颗芯片面积可能更大;后者减少每只模块的激光器颗数。两者对衬底用量的影响方向相反,最终用量取决于两者的比例。
失效条件:数据中心需求集中在少数云服务商和 GPU 厂商,资本开支的变化会很快传到光模块订单;光模块的库存周期也会放大波动。
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7案例
2025 年:AXT 的营收与许可 已核实
2025 年 AXT 营收 8,830 万美元(2024 年 9,940 万美元),毛利率 12.7%,净亏损 2,130 万美元。第三季度磷化铟收入环比增长超过 250%,第四季度许可少于预期。公司首席执行官在 2026 年 2 月的业绩发布中称,今年要把磷化铟产能翻倍。子公司北京通美的科创板上市申请在 2026 年 7 月主动撤回,改为筹划在香港上市(中证网)。
对应的规律:出口许可决定了出货的时间,而不是需求(第 5 章)。对下游来说,供应来源的集中和许可的不确定性同样重要。
2025—2026 年:JX 金属三次扩产 已核实
JX 金属从 1980 年代开始生产磷化铟衬底。2025 财年它批准了三项扩产和投资计划,合计约 250 亿日元;2026 年 6 月又宣布到 2030 财年在茨城县的两处工厂投资约 1,200 亿日元,使产能达到 2025 财年的 7—10 倍,是公司历史上最大的一笔投资(TrendForce 引日经)。
对应的规律:短缺时,价格上涨带来的新增供给首先来自已有的合格供应商(半导体材料页第 5 章);新供应商需要更长时间。
2024—2026 年:Coherent 的 6 英寸磷化铟 已核实
2024 年 3 月,Coherent 宣布在得州谢尔曼和瑞典耶尔费拉的工厂建立 6 英寸磷化铟晶圆制造能力,称每片晶圆的器件数可增加到 4 倍,单颗芯片成本下降 60% 以上。2026 年 3 月英伟达宣布向 Coherent 投资 20 亿美元;6 月谢尔曼工厂扩建动工,晶圆产能计划扩大到 4 倍。
对应的规律:换大尺寸衬底是增加产出的另一条路,不需要按比例增加晶体生长和工艺的次数(第 3 章);但大尺寸晶体更难长,良率爬坡需要时间。
2025 年:国产 CW 激光器放量 已核实
源杰科技 2025 年营收 6.01 亿元,增长 138.5%;数据中心业务收入 3.93 亿元,增长 719%,占营收约 65%,主力产品是硅光方案用的大功率 CW 激光器芯片(70 毫瓦已大批量交付,100 毫瓦已批量交付);100G EML 已完成客户验证,200G EML 在推进验证(公司年报)。
对应的规律:硅光方案让 CW 激光器的需求增长快于 EML;新进入者先从技术要求较低、认证较快的产品切入。
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8重点关注公司
按细分环节列出各环节的主要厂商,地区以中国大陆(A 股)、美国、韩国、日本为主;欧洲的头部厂商(德国 Aixtron、英国 IQE)注明地区后列入。排序看产业地位,不看公司规模。
本表只说明公司在细分环节的产业地位,不给股价、估值和买卖意见,不构成投资建议。份额和产能注明来源与年份;营收占比按最近财年年报口径,没有可靠数据时写"未单独披露"。
| 细分 | 公司 | 地区 · 上市地 | 产业地位 | 相关业务占营收 | 为什么值得关注 |
|---|
总结
1310 / 1550 纳米直接带隙、晶格匹配磷化铟衬底激光器与探测器
三家衬底厂约九成出口许可扩产时滞数量上的瓶颈
光纤的低损耗窗口决定了激光器的波长,波长决定了需要的禁带宽度,晶格匹配又决定了这些材料要长在磷化铟上。磷化铟晶体在高磷蒸气压下生长,尺寸小、良率低,供应集中在三家厂商,其中一家的出货取决于出口许可。一片衬底能做出几千颗激光器芯片,所以衬底在芯片成本中占比很小,利润主要在芯片环节;但衬底是数量上的硬约束,短缺时整个链条的出货都受它限制。各家的扩产计划都很大,时滞却使缺口先扩大、后收窄;硅光和 CPO 降低了每只模块的磷化铟用量,更高的通道速率又提高了对芯片性能的要求。
本页内容仅用于学习,不构成投资建议。标注「示意」的数据按规律构造,不代表真实数据;标注「已核实」的事件和数据见下方来源。本页写于 2026 年 11 月。
来源
- AXT 2025 年业绩、出口许可与扩产:公司业绩发布(2026 年 2 月)、8-K(2025 年 6 月,首批出口许可);北京通美撤回科创板申请:中证网(2026 年 7 月);住友电工与 JX 份额、住友扩产:TechNews(2026 年 7 月,引日经)
- JX 金属扩产、衬底份额(路透社)、6 英寸晶圆价格、CPO 市场:TrendForce(2026 年 6 月)、Semiconductor Today(2026 年 6 月);份额的另一口径:G2AI 整理
- Lumentum 2026 财年第三季度:公司业绩发布(8-K)、业绩电话会记录(Insider Monkey);衬底需求:财联社(引 Omdia);Coherent 6 英寸磷化铟:公司新闻稿(2024 年 3 月)、英伟达博客(2026 年 6 月)
- 源杰科技 2025 年报:财联社(营收与客户集中度)、界面新闻(业务结构、CW 与 CPO 光源);光模块市场:LightCounting(2026 年 4 月)、LightCounting(2026 年 7 月)、Lightwave(2026 年 10 月,LightCounting 最新口径);800G DR8 用 8 颗 EML:FS.com
- 磷化铟物性(熔点、晶格常数、禁带):Wikipedia 引用的手册值;熔点下磷的平衡蒸气压约 26 个大气压:美国专利 US4946544;出口管制清单:商务部、海关总署 2025 年第 10 号公告(新华网转载)