深度解读高功率激光器的“心脏”！

泵浦源芯片是什么

激光器的基本原理是以半导体材料为工作物质实现激光发射。目前，主流的半导体材料包含砷化镓、磷化铟和氮化镓，不同的掺杂方式会发射不同波长的激光。

▲图1 | 高功率激光器，图片来源：互联网

泵浦源芯片是高功率激光器的最核心元器件。高功率激光器广泛应用于激光切割、激光打标、激光焊接等高功率应用场景。

在高功率激光器中，泵浦源（即图中显示的“泵浦二极管”）将产生的光线通过多模耦合器入射到光学谐振腔（即图中“高反射布拉格光栅”和“输出耦合器布拉格光栅”）的特种光纤中。该特种光纤里掺杂了稀土元素（例如镱、铒等），吸收光子能量后发生能级跃迁，然后以辐射形式从激发态跃迁回基态，释放的能量以准直激光束的形式输出。

因此，激光器的BOM包含泵浦源、特种光纤、光栅、透镜、耦合模块等。其中，泵浦源在成本结构中占比达30%。泵浦源芯片，作为泵浦源能够发射激光的功能物质，是泵浦源最核心的元器件。

▲图2 | 高功率激光器结构，图片来源：IPG官网、国金证券研报

▲图3 | 高功率激光器成本结构，图片来源：锐科激光招股书

泵浦源芯片的技术特点

制造环节是泵浦源芯片产业链的“卡脖子”环节。泵浦源芯片的主要生产流程包括设计、制造和封测。然后，将泵浦源芯片组装成泵浦源，交由激光器企业组装成为激光器系统。激光器系统则应用在打标机、切割机等下游应用设备中。

在产业链中，制造环节是我国激光器产业的“卡脖子”环节，技术含量最高、毛利最高、国外依赖度最高。泵浦源芯片的制造，就像烹饪一桌满汉全席。首先，需要最好的“炊具”。MOCVD、光刻机、镀膜机、氧化炉、XRD等设备直接影响芯片性能和效率，尤其是MOCVD设备能否满足高精度、高可靠的外延工艺的要求，至关重要。其次，需要最好的“厨师”。泵浦源芯片工艺涉及外延、光刻、解理、镀膜等，基本都是非标准化工艺，不同的产品需求和生产条件都需要不同的工艺参数，资深的工艺人员均要有数十年的从业经验。没有顶级的“厨师”，不可能实现泵浦源芯片的量产。最后，需要最好的“材料”。衬底、外延物质和大量的“油、盐、酱、醋”都对泵浦源芯片的最终性能产生显著影响，因此制造材料均来自国际大厂经过产品实践认证后的优质产品。

整体而言，泵浦源芯片的制造工艺兼具技术密集、资金密集、人才密集等特点，壁垒极高。

▲图4 | 泵浦源芯片产业链，图片来源：信熹资本，上海北外滩金融研究院

外延工艺是泵浦源芯片制造的“重中之重”。外延工艺是在衬底材料表面生长组分、厚度、掺杂等精确控制的单晶多层二维状结构，最终生长成PN结的功能结构。组分、厚度和缺陷的控制直接决定了激光器发射波长、效率、可靠性、老化等性能。MOCVD是外延工艺最核心的设备。每台MOCVD设备动辄2000~3000万人民币，还只能依靠进口，目前的供货商主要有德国Axitron等。

▲图5 | 泵浦源芯片的外延片示意图，图片来源：长光华芯官网

泵浦源芯片的市场情况

我国是激光器产业的大国，但却是泵浦源芯片的“小国”。根据Laser Focus World发布的数据，2018年全球激光设备市场规模138亿美元，中国激光装备市场规模605亿元，超过全球市场的50%。国内激光装备公司有大族激光、华工科技、金运激光、联赢激光、帝尔激光等，乘着激光行业的发展东风而不断扩大规模。

在激光器环节，国内企业也取得了高速的发展，基本实现了中低功率激光器的国产替代，并正在向高功率激光器市场不断渗透。2018年，在我国激光器市场中，美国IPG占比49%，但是市场份额正在逐渐缩小，国内知名企业锐科、创鑫、杰普特等分别占比17%、9%和3%，国产替代比例逐步增大。

但是，在泵浦源芯片环节，我国几乎全部受制于国外，是不折不扣的“小国”。Lumentum、II-VI、n-Light、欧司朗等国际巨头把控着该市场。长光华芯是我国唯一一家规模化生产泵浦源芯片的本土企业。

▲图6 | 全球激光装备市场和中国激光装备竞争格局

▲图片来源：Laser Focus World、中国激光产业研究报告、国金证券研报

▲图7 | 2018年中国激光器市场格局，图片来源：2019年中国激光产业报告、国金证券研报

中美贸易战、产业安全等因素使泵浦源芯片的国产替代空间巨大。美国以“芯片”为发端，启动了针对中国的贸易战，对中兴、华为等企业进行限供和断供，对我国诸多产业造成了重大安全隐患。如果美国对我国实行泵浦源芯片的断供，将严重影响我国整个激光产业。

目前，我国激光器行业的市场规模达近百亿元，泵浦源芯片在总成本占比达到30%，市场规模达30亿元，叠加考虑国防军事、科技研发等应用，市场空间进一步增大。中美贸易战让我国深刻感受到“缺芯之痛”，也让下游企业对上游芯片行业实现自主可控的迫切期待。未来，泵浦源芯片的国产替代将是激光产业的重大机会。

泵浦源芯片的投资思考

我国激光器产业向上游拓展，国产替代带来巨大投资机会。过去的十年，我国经历了激光器行业从0到1，从学习模仿到国产替代近50%的高速发展过程。目前，我国基本实现了中小功率激光器的国产替代，并向高功率激光器市场逐步渗透。这样的成绩为我国泵浦源芯片的发展培育了广阔的应用场景，需求侧动力十分强劲。应用场景在哪里，科技创新将发生在哪里。目前，锐科激光等激光器巨头正在纵向一体化地发展泵浦源芯片，长光华芯等创业企业依托最顶尖的行业专家团队，已经成为我国唯一一家规模化生产泵浦源芯片的本土企业。大量的资金和人才为国产替代带来了曙光，形成了巨大的投资机会。

制造工艺能力是企业的核心竞争力，是投资判断的关键。泵浦源芯片的制造是一个技术密集型、资金密集型、人才密集型的环节，在整个产业链中处于核心地位。目前，国外主要巨头均不对外开放泵浦源芯片的制造产线。美国IPG、德国通快等巨头甚至都不对外销售泵浦源芯片。Fabless企业想要应用最先进的制造工艺是不可能的。因此，我国发展泵浦源芯片，只能依靠自身不断完善制造能力，打磨出顶尖的产品。

拥有来自国际大厂的一流技术团队，是评估企业的制造工艺能力的标志。泵浦源芯片的制造工艺极其复杂，技术壁垒极高，闭门造车是没有出路的，目前只能向国外领先企业不断模仿学习。事实上，国外泵浦源芯片行业发展较早，Lumentum、II-VI、n-Light、IPG等通过多年的发展，培养了大量的人才。因此，如果技术团队具有海外知名企业的一线研发经验，对保障研发成功性、缩短研发周期、提高产品质量具有重要作用。对投资者来说，投资拥有国际大厂的一流技术团队，能够降低投资风险。

国家重视科创，促进国内泵浦源芯片的发展。随着国际环境的不断变幻和我国制造业的转型升级需求，国家对科创的重视程度空前。一方面，半导体行业的产业链复杂、投入规模大、周期较长，国家的重视和投入对行业要素配置非常关键。另一方面，国内资本市场不断提高对科创的重视，对短期盈利能力较难、但是产品技术领先、未来前景广的企业的认知不断增强。科创板能够显著缩短投资周期，为投资者提供退出渠道。

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