光通信电芯片处于光通信产业链的上游，是光通信系统的核心元器件，与光芯片、其他基础构件进一步加工形成光组件、光模块。
在光通信领域，电芯片是光电协同系统的“神经中枢”，主要承担信号优化，传输链路的增强，以提升传输效能并实现复杂的数字信号处理。整体来看，光通信电芯片在半导体集成电路领域内属于技术要求较高的细分类别。《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）》指出，光通信电芯片与光芯片相比投资更大、研发和生产周期更长。按照类型、速率、应用场景三个维度将电芯片做如下分类：
（1）按类型分类
在光通信系统中，各类型电芯片在光模块的发射端和接收端承担不同的信号处理任务，共同保障光信号的高效转换与传输。各类型电芯片具体描述如下：
①激光驱动器芯片（LDD）
激光驱动器芯片是光通信系统中发射端的关键电子元件。激光驱动器芯片能够提供稳定的电流或电压，确保激光器持续发射出具有恒定消光比和功率的激光脉冲，满足通信系统对信号稳定性和可靠性的要求。
此外，一些高性能的激光驱动器芯片还具备高级的信号补偿能力、干扰抑制能力和在信号传输间隙期间维持电路稳定性的设计，以适应多用户网络场景中的动态需求。这些芯片通常配备有自动功率控制电路、温度补偿电路等功能，能够在信号传输过程中快速调整到最佳状态，保证信号传输的质量和效率。
②跨阻放大器芯片（TIA）
跨阻放大器芯片是光通信接收端信号链的第一级处理单元，其功能是将光探测器芯片产生的微弱电流信号转换放大为电压信号。光探测器芯片接收到光信号后，产生的电流信号比较微弱，需要使用跨阻放大器芯片将电流信号转换放大为电压信号，以便于后续的信号处理。
跨阻放大器芯片不仅需要具备宽广的信号处理能力，确保高带宽的需求得到满足，同时还要具备高灵敏度，以精确捕捉到微弱的信号。为了适应不同信号强度的变化，跨阻放大器芯片通常配备有自动增益控制电路，能够自动调整放大倍数，以及高精度的光功率监控电路，以确保信号质量的稳定性。
③限幅放大器芯片（LA）
限幅放大器芯片是光通信接收端的信号调理中枢，用于对跨阻放大器芯片输出的电压信号进行再放大及幅度限制、波形整形及噪声滤除，输出符合数字处理要求的稳定电信号。在光通信领域，限幅放大器芯片与跨阻放大器芯片协同工作，共同确保接收端信号的质量和强度。光电流信号经跨阻放大器转换为电压信号后通常幅度较弱，需要限幅放大器通过高增益放大将其提升至适合后级处理器处理的电信号。
同时，为确保信号无损放大，限幅放大器需具备高带宽、低噪声等特性，避免因带宽限制或噪声影响导致信号处理错误。此外，限幅放大器通常还配备有幅值检测功能，可对微弱的输入信号进行峰值幅度检测，并在信号丢失时输出告警，配合光功率电流监控功能，实现对接收通讯链路中信号质量的有效监控。
④时钟数据恢复器芯片（CDR）
时钟数据恢复芯片是实现高速信号高质量传输的关键技术。CDR 的核心功能是从接收到的信号中提取时钟及相位信号,并重建数据与时钟之间的相位关系，从而对信号进行重定时整形，滤除信号抖动，提高信号质量。相比 DSP 技术，模拟 CDR 具有低功耗、低时延、低成本的优势，工作速率及信号补偿能力弱于 DSP。
随着 CDR 技术的不断进步发展，CDR 技术也在不断向更高速率演进升级，从传统的 NRZ CDR 向 PAM4 CDR 演进，如公司正在开发应用于 50G PON的 50G NRZ CDR 及 25GB PAM4 CDR，以替代高成本、高功耗的 DSP 技术路线。
⑤数字信号处理器芯片（DSP）
数字信号处理器芯片在超高速光模块中扮演重要角色。随着速率提升至800G/1.6T，电芯片需通过 DSP 算法对 PAM4 信号进行实时补偿，以克服信号的干扰和失真。但 DSP 的引入也带来额外功耗和延迟，因此主要适用于长距离相干传输或超高速数据中心互联。
⑥光通信收发合一芯片
光通信收发合一芯片通过系统级整合与混合信号设计，将激光驱动器（LDD）、限幅放大器（LA）、时钟数据恢复器（CDR）及数字诊断监控（DDM）、数模/模数转换器、温度传感器等功能模块集成于单颗芯片，实现光模块收发链路的全功能融合。其中，限幅放大器负责提高接收信号质量，激光驱动器精确控制激光器的发射光强度，时钟数据恢复器用于同步接收到的数据时钟及相位信号并对数据进行重定时整形，而数字诊断监控功能则提供实时的系统状态监控和诊断。时钟数据恢复器作为高速率收发芯片的重要电路模块，通过提取数据中的时钟信号并对数据进行重定时，能够显著减少信号在传输过程中产生的抖动，进而有效提升信号质量。
通过将限幅放大器芯片（LA）、激光驱动器芯片（LDD）、时钟数据恢复器（CDR）、数字诊断监控模块（DDM）等分立功能集成到单一芯片中，光通信收发合一芯片不仅减少了互连损耗和封装复杂度，还可显著降低功耗，同时利用混合信号设计实现模拟电路与数字逻辑的共存，从而大幅缩小芯片面积、降低成本。
（2）按速率分类
光通信电芯片的速率演进直接决定了光通信网络的传输效率与容量。随着AI 智算中心及传统数据中心需求的爆发，电芯片技术从低速率向高速率持续升级，逐步形成多层级速率体系。电芯片与光模块之间的速率并非总是直接对应，特定速率的电芯片，通过不同数量的通道聚合，可以对应不同速率级别的光模块。光模块常见速率155M-2.5G，10G、40G（4*10G），25G、100G（4*25G）、100G（4*25G），50G、100G（2*50G）、200G（4*50G），100G、400G（4*100G）、800G（8*100G），200G、800G（4*200G）、1.6T（8*200G）。
以 100Gbps 光模块为例，其既可采用单通道 100Gbps 电芯片实现，也可通过 2 通道 50Gbps 电芯片或 4 通道 25Gbps 电芯片并行传输实现。前者通过提升单通道传输速率减少了所需的光通道数量，后者则依赖多通道并行传输来叠加速率。这种非一一对应的速率关系在高速率模块中更为显著。例如，800Gbps 光模块可通过 8 通道 100Gbps 电芯片方案或 4 通道 200Gbps 电芯片方案实现。
（3）按应用场景分类
①固网接入应用场景
在固网接入应用场景，电芯片需要针对光线路终端（OLT）和光网络单元（ONU）的不同功能需求进行设计。
在光纤接入网中，光线路终端（OLT）与光网络单元（ONU）是无源光网络（PON）架构的核心组件。OLT 作为局端设备部署于运营商机房，承担网络控制中枢的角色，负责通过 ODN（光分配网络）与多个 ONU 建立连接，实现动态带宽分配、测距及协议转换等功能。ONU 作为用户侧终端，实现光信号与电信号的转换，提供用户业务接入。
OLT 电芯片是固网接入的“心脏”。在 OLT 设备中，光收发电芯片需同时与多个 ONU 通信，各 ONU 因传输距离差异会导致信号到达 OLT 时功率波动较大。OLT 光收发电芯片需支持纳秒级突发模式接收技术，快速完成信号增益调整与时钟恢复，确保不同功率信号的稳定接收。同时，为了确保长距离（如 20 公里）信号传输的完整性，电芯片需通过低噪声放大、均衡等技术提升信号质量，以适应不同规格型号的海量 ONU 设备。
ONU 电芯片的设计核心在于通过突发模式设计，在有限功耗预算下实现高可靠的光电信号转换。即电芯片核心处理单元在空闲时段进入深度睡眠模式，以尽可能降低功耗；而关键时钟电路保持激活状态以维持快速唤醒能力，进而在传输信号时实现“深度睡眠-瞬时激活”状态的无缝切换。通过对比可见，OLT 电芯片与 ONU 电芯片的协同实现了光纤接入网“核心智能+边缘灵活”的架构优势。
随着万兆网络逐步投入商用，OLT 电芯片与 ONU电芯片将进一步推动全光网络向更低时延、更高可靠方向演进，支撑万兆光网在工业互联网、智慧城市等场景的规模化部署。
②无线网络和数据中心应用场景
在无线网络和数据中心应用场景，电芯片的性能与传输距离密切相关。根据传输距离的差异，电芯片可分为短距（SR）、中长距（LR）、长距（ER）和超长距（ZR/ZR+）等，每一类在技术设计、器件选型和应用场景上均有独特要求。
SR 电芯片主要面向企业网、数据中心机架内互联等短距离场景。这类场景对成本和功耗极为敏感，同时对端口密度要求较高。近年来，随着 AI 算力需求激增，电芯片设计聚焦于高密度并行通道，以满足数据中心机架内高吞吐量需求。
LR 电芯片主要服务于城域接入网、无线基站前传/中传等场景，传输距离通常在 0-10 公里之间。这类场景要求电芯片在中等距离下兼顾性能和成本。
ER 电芯片主要面向区域数据中心互联等长距离场景，技术复杂度显著提升。这类场景需克服光纤色散、非线性效应等物理限制，以确保 40 公里等长传输距离的可靠性。
ZR/ZR+电芯片专为超长距城域网设计，传输距离通常为 80 公里甚至 120 公里。ZR/ZR+电芯片的核心难点在于功耗和工艺一致性，并且超高速信号处理带来的功耗与散热问题突出，因此电芯片需通过严格的老化测试和冗余设计。未来，硅光技术与光子集成电路的融合将推动 ZR/ZR+电芯片向更低成本、更高可靠性方向发展。
2、光通信电芯片行业市场空间
得益于人工智能、数据中心和 5G 通信的快速发展，光通信电芯片的销售额随之不断扩大。根据不同应用场景，电芯片行业市场空间测算如下：
（1）电信侧电芯片市场规模
在电信侧应用场景，主要包括骨干网、城域网、无线接入和固网接入等。2024年，全球电信侧光通信电芯片市场规模为 18.5 亿美元；预计到 2029 年底，全球电信侧光通信电芯片市场规模将达到 37 亿美元，复合年增长率为 14.97%。
（2）数据中心侧电芯片市场规模
在数据中心侧场景，以云计算应用、AI 智算中心应用和园区/企业网为代表，这些场景主要使用数据通信光模块。2024 年，全球数据中心侧光通信电芯片市场规模为 20.9 亿美元；预计到 2029 年底，全球数据中心侧光通信电芯片市场规模将达 60.2 亿美元，复合年增长率为 23.60%。
（3）终端侧光通信电芯片市场规模
汽车光电子、激光雷达、自动驾驶、具身智能等市场在近年成为光通信技术应用的巨大新兴机会。根据 Yole Group 数据，车载激光雷达市场规模预计从 2024年的 8.61 亿美元增加至 2030 年的 38.04 亿美元，其中中国厂商已占据市场主导地位。在技术方面，激光雷达模组与光通信模块具有相似的光电信号转换功能，表明光通信电芯片技术在激光雷达系统也有重要价值。同时，基于 AI 的运用，具身智能机器人也将迎来广阔的应用场景，因此光通信电芯片在算力硬件部分仍将发挥重要的作用。
4、光通信电芯片行业技术水平及特点
（1）多方案协同提升
数据传输速率光通信中，提升数据传输速率主要依靠三种方法的协同作用：单通道速率提升、通道聚合以及调制技术优化。具体而言：
①单通道速率的提升依赖于电芯片技术的进步，提高单条通道自身传输符号的速度。
②通道聚合通过合并多个传输通道并行传输数据，相当于拓宽道路，能线性地增加数据吞吐量。
③调制技术优化是让每个传输符号携带更多的数据比特，本质上是提升每个信号的“信息承载量”。调制技术优化可以通过高阶调制技术实现。其中 NRZ、PAM4 与相干调制是三种关键技术的代表，分别对应不同场景的需求与性能权衡：
A. NRZ 是一种较成熟的调制方式，它通过信号的高电平或低电平来表示二进制数据，每个信号单元仅编码一个比特。NRZ 调制技术成熟、信噪比高，但频谱效率受限，在 100Gbps 及以下速率和城域骨干网长距离传输中具有成本优势。
B. PAM4 则是一种更先进的调制技术，它使用四个不同的电平来表示每个信号，从而在相同的波特率下传输更多的数据。PAM4 的这种特性使其非常适合高速数据传输，因为它可以在不增加信号传输波特率的前提下，通过增加每个信号单元携带的比特数来提升数据速率。PAM4 调制技术可突破 NRZ 的带宽瓶颈，支持 400G/800G 高速光模块，减少通道数量并降低建设成本，但对于信号完整性要求更高。
C. 相干调制是一种通过改变光载波的频率、相位和振幅来传输信息的技术，相比传统光通信仅调制光强度，相干调制能显著提升信号效率和传输性能，可支持跨海、卫星等超长距通信。
电芯片技术演进的核心驱动力在于带宽效率提升与功耗优化的双重需求。其中调制技术是核心突破口。通道聚合则决定了电芯片下游应用光模块的物理尺寸和集成度。从实际应用场景来看，10Gbps 及以下电芯片主要用于百兆、千兆固网接入以及 4G/5G 基站前传、数据中心内部互联，主要适配光纤到户（FTTH）和企业专线等场景。其技术基于 NRZ 调制，成本低且成熟度高。25Gbps 和 50Gbps 电芯片是 5G 前传/中传网络和万兆固网接入的关键技术。
在该速率区间，调制技术呈现 NRZ 与 PAM4 并存的格局：NRZ 调制主要用于固网接入场景，而 PAM4 调制则主要用于数据中心与 5G-A 中高速场景。单通道速率 100Gbps 和 200Gbps 电芯片是大规模数据中心、骨干网和 AI 智算中心集群互联的核心。当前，单通道速率 200Gbps 电芯片是光通信电芯片商用领域的最高速率层级，支持 800Gbps 及 1.6Tbps 光模块的规模化部署。更高速率电芯片需依赖相干调制技术，未来光通信电芯片将向更高集成度、更低功耗方向演进，为 6G 与 AI 智算中心网络奠定基础。
（2）工艺路径选择遵循“速率-性能-成本”的平衡原则
当前，光通信电芯片行业的工艺路径选择遵循“速率-性能-成本”的平衡原则，形成了 CMOS 工艺主导 25Gbps 及以下速率、锗硅 Bi-CMOS 工艺主导 25Gbps及以上速率的协同格局。从行业技术水平看，成本与性能的差异化布局特征显著。在 25Gbps 及以下速率中，CMOS 工艺凭借其成熟的硅基生态和低成本优势占据核心地位。然而，CMOS工艺的功耗瓶颈使其难以支撑100Gbps及以上的高速率需求。
而在25Gbps以上速率中，锗硅 Bi-CMOS 工艺通过材料创新实现性能跃升。该工艺可进一步降低功耗，尤其适配数据中心及 AI 智算中心集群的高速互连需求。随着行业技术水平的不断发展，未来技术演进将聚焦 CMOS 与锗硅工艺的集成与协同。如硅光技术利用基于硅材料的 CMOS 微电子工艺实现光子器件的集成制备，结合了 CMOS 技术的规模效应特性和锗硅光引擎技术超高速率、超低功耗的优势。这一过程中，CMOS 与锗硅工艺的协同设计，持续驱动光通信技术向更高性能、更低成本的方向迭代。
（3）电芯片设计注重光电匹配协同
光通信电芯片通常与光芯片协同工作。例如，激光驱动器芯片与属于光芯片的激光器或调制器芯片相匹配，而跨阻放大器芯片则与属于光芯片的探测器芯片配对，这些组件结合形成光模块或组件，用于实际应用。为了实现最佳性能，电芯片的特性必须与光芯片的特性相匹配。因此，设计电芯片不仅需要精通通信、电气领域的知识，还需要对光芯片、光电封装的特性有深入的了解，才能更有效地进行光电协同设计和仿真，从而减少电芯片设计的迭代次数，提高产品的适用性和性能。
（4）可靠性质量要求高
光通信电芯片在电信网络领域扮演着基础且关键的角色，是构成网络基础设施的核心元器件。鉴于电芯片的产品质量和可靠性对整个网络的稳定性至关重要，一旦出现问题，可能会对网络造成严重影响，因此对电芯片的质量和可靠性有着极为严格的要求。在电芯片的开发和设计阶段，DFX（Design for X，面向各种生产因素的设计）流程被全面贯彻，这意味着从设计的最初阶段就需要考虑产品的质量和可靠性，以及其可测试性和可筛选性。
在开发过程中，电芯片必须首先通过一系列的工程验证测试（EVT）和设计验证测试（DVT），以及全面的可靠性测试流程，只有在满足所有标准后，才能进入量产阶段。在客户认证阶段，验证流程同样严格且耗时，主要包括对电芯片产品各项性能指标的细致检验、在多样化严苛应用环境中的兼容性测试，以及对多个维度的可靠性评估。电芯片只有在成功通过这些综合测试后，才能逐步提升生产规模。
此外，量产阶段对电芯片的失效率也有严格的要求。行业内通常要求失效率低于 200ppm（每百万单位中的缺陷数），而公司内部控制的标准更为严格，远低于 200ppm。这些高标准确保了电芯片在实际应用中的高性能和高可靠性，保障了电信网络的稳定运行。
（5）多合一设计方案提升
电芯片设计难度光通信收发合一芯片的多合一设计方案极大地提升了芯片设计的技术难度。这种设计策略将原本分散的多个功能模块，如信号放大器、驱动器、时钟数据恢复器以及诊断监控系统集成于单一芯片之中。这样的集成不仅要求设计者在有限的空间内实现复杂的电路布局，还要保证各个模块之间互不干扰，确保信号的完整性和系统的稳定性。
例如，限幅放大器需要在放大信号的同时减少噪声，而激光驱动器则要精确控制光源的功率，以适应不同的传输条件。时钟数据恢复器负责从接收信号中恢复时钟信息，确保数据同步。而集成的诊断监控功能则需要实时反馈系统状态，为系统的维护和故障排除提供支持。
此外，光通信收发合一芯片高度集成的设计减少了对外部组件的依赖，降低了系统设计的复杂性，但同时也对芯片的热管理、电磁兼容性和信号完整性提出了更高的要求。设计者必须采用先进的制造工艺和创新的设计方法，以确保芯片在高强度运行时的性能和可靠性。
