光器件行业深度报告:激光上游赋能千行百业,算力时代网络底座基石

互推小编 2023-07-31

（报告出品方/作者：中航证券，刘牧野）

一、我国激光产业蓬勃发展，逐渐实现上游光器件国产替代

欧美在激光产业具有先发优势，我国逐渐实现国产替代

激光的发明可以追溯到20世纪早期，很快便被广泛应用于各个领域，并深刻地影响了科学、技术、经济和社会的发展及变革，是20世纪与原子能、半导体、计算机齐名的四项重大发明之一，推动现代光子物理学科的两大分支能量光子学和信息光子学的蓬勃发展。欧美地区作为激光技术、激光设备的起源与发展重要区域，具有先发优势和领先地位。其激光产品应用的技术先进程度、渗透优势更为明显，在机械、汽车、航空、钢铁、造船、电子等大型制造产业中，基本完成了激光加工工艺对传统加工工艺的替代更新，进入“光加工”时代，同时涌现出一批知名的激光领域企业。在我国政策指引与基础共性研究取得长足进步的背景下，我国激光产业的质量、技术与服务在竞争中慢慢提高，逐步实现由依赖进口向自主研发、替代进口到出口的转变。

长期政策支持+普及率提升，我国激光产业市场规模攀升

激光技术是我国制造业转型升级的关键支撑技术之一，长期以来受到国家产业政策的重点鼓励和大力支持。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006- 2020 年）》、《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《“十三五”国家科技创新规划》、《2017 年度增材制造重点专项项目申报指南》等国家政策、发展规划和项目指南均强调重点支持激光产业的发展，为产业持续快速发展提供了广阔的产业政策空间和良好机遇。

激光技术普及率提升，我国激光设备、激光器市场增速远高于全球平均水平。激光技术的应用比许多传统制造技术更具成本优势，使激光设备在我国得以迅速普及，叠加国产激光产品的崛起正在逐步取代进口的激光产品，我国激光设备和激光器蓬勃发展。我国激光设备2022年市场规模预计将达920亿元， 2023年后至2026年将维持20%左右的同比增速。根据Laser Focus World数据，2017-2021年，全球激光器市场规模从138亿美元增长至 185 亿美元，复合年均增速约为7.6%；同期我国激光器市场规模从70亿美元增长至127亿美元，复合年均增速约为16.2%，远高于全球增速。

上游光芯片、光器件准入门槛高，是激光产业的基石

激光产业链上游是利用半导体原材料、高端装备以及相关的生产辅料制造激光芯片、光电器件等，是激光产业的基石，准入门槛较高。产业链中游是利用上游激光芯片及光电器件、模组、光学元件等作为泵浦源进行各类激光器的制造与销售，包括直接半导体激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、光纤激光器等；下游行业主要指各类激光器的应用领域，包括工业加工装备、激光雷达、光通信、医疗美容等应用行业。

A股光电子器件上市公司一览

光芯片：国内光芯片标的稀缺，现阶段以高端芯片国产替代为目标。海外光芯片公司拥有先发优势，普遍具有从光芯片、光收发组件、光模块全产业链覆盖能力，建立起较高的行业壁垒。而我国与国外产业领先水平存在一定差距离，尤其是高速率光芯片严重依赖进口。以激光器芯片为例，我国能够规模量产 10G 及以下中低速率激光器芯片，但 25G 激光器芯片仅少部分厂商实现批量发货，25G 以上速率激光器芯片大部分厂商仍在研发或小规模试产阶段。光器件：市场整体呈现充分竞争格局，各类器件种类繁多，生产厂商众多，行业的市场化程度高。

激光器决定光束质量和功率，是激光产业核心部件

激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率，是下游激光设备最核心的部件。激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械机构四个部分组成，其中光学系统主要包括泵浦源（激励源）、增益介质（工作物质）和谐振腔等光学器件材料。

激光器可按照增益介质、泵浦方式等多种标准进行分类

激光器存在多种分类方式，较为常见的分类依据有增益介质、运转方式、输出波长、泵浦方式等。按增益介质划分，气体激光器中具有代表性的是CO₂气体激光器，固体激光器中具有代表性的是宝石激光器、YAG激光器、光纤激光器及半导体激光器等。

材料加工与光刻是激光最大应用市场，科研与军事市场增长潜力最大

材料加工与光刻一直是激光最大应用市场，科研与军事市场增长潜力最大。根据Strategies Unlimited，2020年全球激光产业市场规模约为167.6亿美元，2021年市场规模有望继续取得17%左右的增长达到196亿美元。2020年材料加工与光刻市场、通信与光存储市场、科研与军事市场、医疗与美容市场、仪器与传感器市场及娱乐、显示与打印市场占比分别为39.8%、25.5%、14.8%、7.7%、8.7%、3.6%， 2021年预计分别增长17%、10%、32%、14%、18%及18%。

二、激光上游赋能千行百业，算力时代网络底座基石

工业：工业激光器2026E达88亿美元，光纤激光器占比过半

工业激光器作为材料加工领域应用的主要激光器，预计2026年市场规模将稳步提升至88亿美元。在以亚太地区为代表的全球先进制造业快速发展背景下，激光应用领域不断拓展，应用程度持续加深，高端工业领域对激光设备的需求激增。亿渡数据预计2021年工业占我国激光设备下游应用63%，未来仍将是助推激光产业发展的重要驱动力。作为激光加工设备的核心部件，工业激光器元器件行业将面临良好的发展机遇。Laser Focus World预测2020年全球工业激光器市场规模为51.6亿美元，而Industry Perspective预计2021年至2026年年均复合增长率为11.3%，2026年整体市场规模可达88.08亿美元。

从应用领域来看，工业激光器主要用于金属切割、焊接和打标，合计占比超过65%；此外，精密金属加工、显示、半导体也是工业激光器的重点应用行业。从激光器分类上看，市场份额最大的是光纤激光器，2018年至2020年的销售占比均超过50%。其中2020年全球光纤激光器销售额占比为52.7%；固体激光器销售额占比16.7%；气体激光器销售占比15.6%；直接半导体/准分子激光器的销售占比15.04%。

激光武器：“快准狠”使“激光武器化”成为必然

高能激光武器利用高功率激光的热效应、光电效应和热力耦合等效应直接使目标失效甚至毁伤，具有快速响应、打击精准、效费比高、作战隐蔽不易追溯等优点，可以在诸如要地防御、导弹拦截、卫星对抗和蜂群对抗等现代局部作战场景中发挥独特作用，逐渐成为可适应未来信息化高技术战争的主战武器之一。根据《Lasers：Global Markets to 2024》，预计到 2024 年，全球定向能激光源和军事激光市场将从 2019 年的 89 亿美元增长到 146 亿美元，2019-2024 的年复合增长率为 10.41%。

光通信：数据量爆发、“光进铜退”趋势下，光通信蓬勃发展

随着云计算、大数据、物联网、人工智能等信息技术的快速发展及加速应用，全球数据流量激增。传统产业及大众生活形式的数字化转变加速，移动支付、移动出行、远程控制、高清视频直播、移动餐饮外卖、虚拟现实等的普及，驱动数据流量和数据交汇量迎来爆发式增长。根据IDC的数据，全球数据流量由 2015 年的 8.59ZB增长至 2019 年的 41ZB，预测 2025 年会增长至 175ZB，2015-2025 年均复合增长率达到 35.18%。

“光进铜退”已成为全球信息技术产业的发展趋势。与传统的使用铜线为介质的电通信相比，使用光纤为介质的光通信在传输速率、网络带宽、信号衰减、传播距离、数据容量、功耗、抗干扰、抗腐蚀、体积重量及通信成本方面优势显著，数据传播更具可靠性、高速性、经济性，迎合了数据流量爆发式增长对信息传播的高容量、高速率、高可靠性、广距离、低成本的通信需求，因此光通信成为目前全球主流的通信方式。大规模的数据处理需求为我国光通信行业带来了新一轮发展机遇，根据工信部赛迪研究院和中商产业研究院数据，我国光通信产业市场规模将稳步增长至2022年的1331亿元。

光通信：算力时代CPO降本增效迎发展良机

CPO降本增效，解决算力时代高速传输痛点。CPO是一种新型的光电子集成技术，它将激光器、调制器、光接收器等光学器件封装在芯片级别上，直接与芯片内的电路相集成，借助光互连以提高通信系统的性能和功率效率。与传统的光模块相比，CPO在相同数据传输速率下可以减少约50%的功耗，将有效解决高速高密度互连传输场景下，电互连受能耗限制难以大幅提升数据传输能力的问题。与此同时，相较传统以III-V材料为基础的光技术，CPO主要采用的硅光技术具备成本、尺寸等优势。

在人工智能、机器学习等大算力应用场景快速发展的背景下，CIR认为交换速率将在2025年达到102.4Tbps时代，届时可插拔收发器将被逐渐淘汰。预计 2027年CPO整体市场收入将达到54亿美元，而其上游CPO光学组件销售收入有望在2025年超过13亿美元，到2028年进一步增长至27亿美元。

消费电子：结构光和ToF是主流的主动测量3D传感方式

3D 视觉的主要实现方式包括3D 结构光、 ToF（光飞行时间法）和双目视觉三种方法，使智能设备能够根据 3D 传感复原现实三维世界，并实现后续的智能交互，广泛应用于人机交互、机器视觉、人脸识别、三维建模、AR/VR、安防和辅助驾驶等多个领域。其中3D结构光和 ToF均主动发射光源测量，而双目相机并不主动对外发射光源，仅靠两个摄像头获取图像信息计算视差，因此不需要发射器和接收器。

3D结构光：通过投射仪主动发射红外光到被测物体表面，然后一个或多个相机拍摄被测物体采集结构光图像，再将数据发送到计算单元，根据三角测量原理计算获取位置和深度信息，从而实现3D重建，具有近距离精度高、功耗小、成本低的优势。

ToF（Time of Flight）：通过向目标发射连续的光脉冲经过目标反射，传感器接受返回的光，并记录飞行的时间以计算出到目标的距离，具有测量距离较远、适应动态场景的优势。

双目视觉：通过双摄像机从不同角度同时获得被测物的两幅数字图像，并基于视差原理恢复出物体的三维几何信息，从而得出图像上每个点的深度信息、最终得到三维数据。由于不需要发射器和接收器，硬件成本方面存在优势。

车载激光雷达：目前ADAS仅占下游应用2%

激光雷达主要包括激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四大系统。激光雷达的工作原理是向目标探测物发送激光光束探测信号，然后将目标反射回来的回波信号与发射信号进行比较，进行适当处理后，便可获取目标的距离、方位、角度、速度、姿态、形状等多种参数信息，从而对目标进行探测、跟踪和识别。激光发射系统主要包括半导体激光器、激光器激励源、激光调制器，是激光雷达的核心系统，而半导体激光器作为激光发射系统的核心器件，为整个激光雷达提供激光脉冲。2021年无人驾驶出租车、ADAS激光雷达分别占汽车与工业领域激光雷达市场份额的6%/2%。根据 Yole，2021年，全球用于汽车与工业领域的激光雷达出货量预计达30万台，市场规模高达21亿美元，相较2020年增长了18%。其中，地形测绘仍是激光雷达最大的应用领域，占据60%的市场份额；紧随其后的是工业领域，占据27%的份额；无人驾驶出租车、ADAS、风能和国防等领域占据剩下的13%。