全面了解光模塊通信產業鏈！

發布時間：2024-03-25作者來源：金航標瀏覽：2657

在光模塊通信產業鏈的上游，包括光芯片、電芯片和光器件等供應商。光器件供應商數量較多，國內自主生產比例較高，但光芯片和電芯片的工藝技術門檻較高，研發成本巨大，導致國外大廠主導高端市場份額。

光模塊身處中游，屬于技術壁壘相對較低的封裝環節。光模塊由光芯片、光器件、集成電路芯片、印制電路板、結構件等封裝而成，是實現電信號和光信號互相轉換的核心部件，屬于光模塊產業鏈中游的后端垂直整合產品。

光模塊下游包括互聯網及云計算企業、電信運營商、數據通信和光通信設備商等。其中互聯網及云計算企業、電信運營商為光模塊最終用戶。

光器件和光芯片是光模塊的兩大核心部件，成本占比[敏感詞]。光器件是光模塊的重要組成部分，在成本中占比[敏感詞]，主要包括TOSA、ROSA及構成TOSA、ROSA的組件，如TO、波分復用器、TO座、TO帽、隔離器、透鏡、濾光片等配套件。光芯片包括COC（載體芯片）、LDCHIP（光發射芯片）及PDCHIP（光接收芯片）；集成電路芯片包括驅動芯片、信號處理芯片及相關器件。

光模塊可按照傳輸速率、復用技術、封裝方式等進行分類，其中400G及800G光模塊主要用QSFP-DD、OSFP封裝方式。

光芯片國內廠商競爭領域集中于25Gb/s以下產品，25Gb/s及以上產品國產化率尚有不足

歐美日國家光芯片廠商具有技術經驗先發優勢

歐美日國家光芯片廠商具有技術經驗先發優勢，逐步實現產業閉環，并建立起較高的行業壁壘，擁有可量產25Gb/s速率以上光芯片的技術。國內廠商在芯片制造中對外延技術的掌握尚未成熟，因此高端外延片主要依賴進口，導致發展受限。分速率市場來看，國內廠商目前能夠規模量產2.5Gb/s、10Gb/s激光器芯片，25Gb/s激光器芯片僅少部分廠商實現批量發貨，50Gb/s、硅光方案大部分廠商仍處于驗證試產階段。

電芯片國產化率偏低，核心供應廠商仍以海外企業為主

1.中際旭創

2.光迅科技

光迅科技是全產業鏈布局的光通信器件供應商，主營光電子器件、模塊和子系統產品的研發、生產及銷售，為傳統電信領域光通信龍頭企業。公司前身為1976年成立的郵電部固體器件研究所，并于2004年改制完成，整體變更為武漢光迅科技股份有限公司，2009年公司于深交所上市。

3.天孚通信

4.源杰科技

5.新易盛

聚焦光模塊十數年，通過收購完善全球化布局。公司成立于2008年，于2011年7月成立全資子公司四川新易盛，并在同年12月完成股份制改革。于2016年在深交所創業板上市，后通過成立全資子公司香港新易盛和美國新易盛完善海外市場布局，并在2022年完成AlpineOptoelectronics100%股權交割。

通過十余載的技術深耕，完善多場景產品布局。目前業務已涵蓋數據中心、電信網絡（FTTx、LTE和傳輸）、安全監控以及智能電網等領域。公司于2016年實現100G光模塊交付，在2019年實現400G光模塊批量出貨，目前已具備800G光模塊出貨能力，是國內少數可實現800G高速率光模塊批量交付的企業。

6.光庫科技

未來發展方向及趨勢

算力時代背景下，數據中心成為能耗大戶，光模塊技術的升級不僅僅是簡單的速率翻倍，更需要解決高速率帶來的的功耗、成本問題。2021年我國數據中心耗電量為2166億千瓦時，約為三峽電站同期年發電量1036.49億千瓦時的2倍；2022年，我國數據中心耗電量達到2700億千瓦時，占全社會用電量約3%；根據中國能源報統計，預計2025年該比重將接近5%。

光模塊能耗占據數據中心交換網絡能耗比重的40%-50%。根據FibalMall數據顯示，數據中心應用中400G光模塊能耗為10-12W，800G能耗為15-18W，未來1.6T能耗將是400G的2倍，預計高達20-24W；同時Cisco的數據顯示2010-2022光引擎能耗提升約26倍。顯而易見，光模塊能耗的激增給數據中心的成本端帶來巨大壓力，解決其能耗問題成為當下光模塊技術更新的關鍵。

1.LPO

LPO（Linear-drive Pluggable Optics，線性驅動可插拔光模塊），采用線性驅動技術代替傳統DSP（數字信號處理）/CDR（時鐘數據回復）芯片，可實現降功耗、壓成本的作用，但代價在于拿掉DSP后會導致系統誤碼率提升，通信距離縮短，因此LPO技術只適合用于短距離的應用場景，例如數據中心機柜到交換機的連接等。

傳統DSP可對高速信號在光-電、電-光之間轉換后出現的失真問題進行修復，從而降低失真對系統誤碼率的影響，但功耗大成本高：1）400G光模塊中，7nmDSP的功耗約為4W，占整個模塊功耗的50%；2）400G光模塊中，DSPBOM成本約占20%-40%。LPO技術去除了DSP，將其相關功能集成到設備側的交換芯片中，只留下具有高線性度的Driver（驅動芯片）和TIA（Trans-ImpedanceAmplifier，跨阻放大器），用于對高速信號進行一定程度傳統DSP可對高速信號在光-電、電-光之間轉換后出現的失真問題進行修復，從而降低失真對系統誤碼率的影響，但功耗大成本高：1）400G光模塊中，7nmDSP的功耗約為4W，占整個模塊功耗的50%；2）400G光模塊中，DSPBOM成本約占20%-40%。LPO技術去除了DSP，將其相關功能集成到設備側的交換芯片中，只留下具有高線性度的Driver（驅動芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），用于對高速信號進行一定程度的補償。

LPO技術的優勢包括：1）低功耗：OFC2023Macom展示出的單通道100G單模800GDR8、多模800GSR8Linear-drive方案中多模功耗節省70%，單模功耗節省50%。根據Macom的數據，具有DSP功能的800G多模光模塊的功耗可以超過13W，而采用MacomPuredrive技術的800G多模光模塊的功耗不到4W。2）低延遲：沒有DSP后處理步驟減少，數據傳輸延遲減少，Macom的Linear-drive方案中延時可降低75%。3）低成本：800G光模塊中去除DSP后系統總成本可降低約8%。4）可熱拔插：LPO封裝沿用傳統熱拔插技術，便于后期維護。

LPO產業發展來看，目前國內布局LPO的廠商包括新易盛、劍橋科技、中際旭創、海信寬帶等。高線性度的Driver、TIA芯片主要供應商包括Macom、Semtech、Maxim以及Broadcom。1）新易盛于OFC2023上展出了800GLPO光模塊，包括多模和單模應用。2）劍橋科技先后兩次收購分別獲得了Macom和Lumentum日本公司的部分資產和研發團隊，預計23年7-10月首批LPO400G/800G光模塊產品可實現小批量供貨。3）中際旭創有LPO相關技術儲備和產品開發，且已向海外重點客戶推出解決方案和送測。

2.CPO

CPO（Co-packagedoptics，共封裝光學），是指將網絡交換芯片和光模塊共同裝配在同一個插槽上，形成芯片和模組的共封裝。

與傳統可熱拔插式技術相比，CPO技術的優勢包括：1）低延遲，低功耗：由于光模塊和交換芯片在同一個封裝內，信號傳輸路徑更短，可以實現更低的延遲。另外光電共封裝技術可以減少信號傳輸的功耗，并提高整體系統的能效。2）高帶寬：光電共封裝技術支持高速光通信，可以提供更大的數據傳輸帶寬。3）小尺寸：相比傳統的光模塊和電子芯片分離封裝的方式，光電共封裝技術可以實現更緊湊的尺寸，有利于在高密度集成電路中的應用。

CPO發展進程處于起步階段，算力時代背景下AI對網絡速率需求提升，市場空間未來有望突破。LightCounting在2022年12月報告中稱，AI對網絡速率的需求是目前的10倍以上，在這一背景下，CPO有望將現有可插拔光模塊架構的功耗降低50%，將有效解決高速高密度互聯傳輸場景。Yole報告數據顯示，2022年，CPO市場產生的收入達到約3800萬美元，預計2033年將達到26億美元，2022-2033年復合年增長率為46%。

3.硅光子技術

硅光子技術是基于硅和硅基襯底材料，利用現有CMOS工藝進行光器件開發和集成的新技術。硅光子技術的核心理念是“以光代電”，即采用激光束代替電子信號傳輸數據，將光學器件與電子元件整合至一個獨立的微芯片中，提升芯片之間的連接速度。

將硅光材料和器件集成在同一硅基襯底上，形成由光調制器、探測器、無源波導器件等組成的集成光子器件。相較磷化銦（InP）等有源材料制作的傳統分立器件，硅光光模塊無需ROSA（光接收組件）、TOSA（光發射組件）封裝，因而硅光器件體積與數量更小、集成度更高。2）低成本：相較于傳統的分立式器件，硅光模塊的集成度更高，封裝與人工成本降低；此外硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，意味著硅基芯片成本得以大幅降低。3）兼容成熟CMOS工藝：硅光子技術能利用半導體在超大規模、微小制造和集成化上的成熟工藝積累優勢。

2022-2028年硅基光電子芯片年化復合增速有望實現44%。根據Yole數據，2022年硅基光電子芯片規模約6800萬美元，預計2028年市場規模將增長至6億美元以上，2022-2028年化復合增長率將實現44%，其主要增長動力是用于高速數據中心互聯、和對更高吞吐量及更低延遲需求的機器學習的800G可插拔光模塊。

硅光子技術產業鏈的上游包括光芯片設計、SOI襯底、外延片和代工廠，中游為光模塊廠商，下游分為數通領域和電信領域。Intel、中際旭創、Coherent、Cisco和Marvell等廠商同時具備PIC設計和模塊集成能力，且與下游云廠商和AI等巨頭客戶保持緊密合作，優勢顯著，在供應鏈中的引領作用較為明顯。

海外頭部廠商市場份額優勢明顯，國內廠商處于追趕階段。競爭格局來看，數通市場中Intel占比處于領先地位，份額高達61%，隨后的Cisco、Broadcom分別占比20%和7%。電信市場中，Cisco占據49%的市場份額，緊隨其后的Lumentum和Marvell分別占比30%、18%，電信市場增長主要來自用于長途網絡的相干可插拔模塊。

國內光模塊廠商相繼布局硅光技術領域，未來有望打開市場空間。隨著AIGC領域對算力和高速率光模塊需求的提升，國內多家廠商如中際旭創、新易盛等企業相繼布局硅光技術領域，未來有望進一步打開市場空間。

4.薄膜鈮酸鋰

電光調制器可以將電信號轉換為光信號，從而實現光信號的調制。通常來說，電光調制器有三類，基底分別采用：硅光、磷化銦和鈮酸鋰材料。其中硅光調制器適用于短程數據通信光模塊，磷化銦調制器適用于中長距離光通信網絡光模塊，鈮酸鋰適用于100Gbps及以上的長距骨干網和單波100／200Gbps的超高速數據中心。

三種材料比較對比來看，磷化銦材料成本較高。硅材料在光通信波段具有透明性和高折射率，制備工藝與CMOS兼容，可以制備大規模的硅集成光路，但硅材料不具備電光效應，硅基調制器只能采用熱調制或載流子效應調制，從而限制了其速率。鈮酸鋰具有顯著的電光效應，非常適合制作高速電光調制器，但早期并沒有合適的工藝可以制備薄膜鈮酸鋰晶圓，因此鈮酸鋰調制器只能使用體材料做分立元件，分立的鈮酸鋰體材料光學器件體積大，工藝與CMOS不兼容，不便于集成。傳統鈮酸鋰調制器行業競爭格局較為穩定，全球僅有富士通、住友和光庫科技三家公司可以批量供貨。

薄膜鈮酸鋰通過“離子切片”方式，從塊狀的鈮酸鋰晶體上剝離出鈮酸鋰薄膜，并鍵合到附有二氧化硅緩沖層的Si晶片上。相較于其他光電子材料，如磷化銦（成本受限）、硅光（性能功耗受限）、鈮酸鋰晶體（尺寸受限），薄膜鈮酸鋰可實現超快電光效應和高集成度光波導，具有大帶寬、低功耗、低損耗、小尺寸等優異特性，并可實現大尺寸晶圓規模制造。薄膜鈮酸鋰調制器是一種基于鈮酸鋰材料制作的光學調制器，與傳統鈮酸鋰調制器相比，薄膜鈮酸鋰調制器在器件尺寸、電光帶寬和集成度方面具有明顯優勢。

薄膜鈮酸鋰調制器主要在骨干網通信的相干通信端口應用，根據ResearchDive數據預測，2023年全球鈮酸鋰調制器市場規模將達40.76億美元，預計2030年將達到65.43億美元，2022-2030年CAGR將實現6.09%。

5.算力時代下光模塊降本降耗趨勢凸顯

數據中心的高能耗問題由來已久，算力背景下該問題愈顯突出。工信部數據顯示，2023年我國數據中心耗電量預計將達到2，667.92億千瓦時，占社會總耗電量的3%。在此背景下我國多地區發布了對數據中心能效指標PUE的限制。在工信部印發的《新型數據中心發展三年行動計劃（2021-2023年）》中要求，到2023年底新建大型及以上數據中心PUE需降低到1.3以下。算力需求提升帶動網絡帶寬成倍提速，數據中心能耗呈指數型增長。根據DigitalInformationWorld發布的[敏感詞]報告，數據中心為訓練AI模型產生的能耗將為常規云工作的三倍。據咨詢機構TiriasResearch建模預測，到2028年數據中心功耗將接近4250MW，比2023年增加212倍，數據中心基礎設施加上運營成本總額或超760億美元。

數據中心的能耗主要體現在IT設備和制冷設備。IT設備主要包括服務器和網絡設備等。服務器承載了計算和存儲業務，搭載了CPU、內存等硬件。網絡設備包括交換機、路由器以及防火墻等。IT設備占數據中心整體的能耗達45%，其次為制冷系統，占比達43%。具體到IT設備，其中服務器類約占50%左右，存儲系統約占35%，網絡通信設備約占15%。

數據中心帶寬提升，帶動高性能交換芯片和高速率光模塊的應用。數據中心交換芯片的演變趨勢基本處于每兩年翻一番的快速增長，25.6T交換芯片用7nm工藝，51.2T則需要選擇5nm工藝節點，預計2025年3nm工藝節點可實現，并支持交換芯片實現102.4T的容量。對于光接口而言，25.6T交換芯片對應64個400G光模塊，已于2021年實現。2023年隨著64個800G模塊的推出，支持交換機升級到51.2T。對于102.T的交換容量，則需要1.6T光模塊，光口每波長速率達到200G。

高性能交換芯片和光模塊的使用導致網絡設備功耗大幅增加。光模塊速率的提升帶來功耗大幅增加。400G早期功耗為10-12w，預計長期功耗為8-10w，800G功耗約為16w。以英偉達QM9700交換機為例，具有64個400G端口，若滿載光模塊，單臺交換機對應的功耗就高達640w以上。

交換芯片數據吞吐量提升帶動SerDes速率的提升，SerDes功耗也呈上升趨勢。SerDes是網絡設備的核心器件，負責光模塊和網絡交換芯片的連接。將交換芯片輸出的并行數據，轉換成串行數據進行傳輸。在接收端，再將串行數據轉換成并行數據。在102.4Tbps時代，SerDes速率需要達到224G，芯片SerDes功耗預計會達到300W。受PCB材料工藝的限制，當SerDes速率增加時，為了保障信號的高質量傳輸，信號傳輸距離將會相應縮短。當SerDes速率達到224G時，最多只能支持5-6英寸的傳輸距離，這使得交換芯片和光模塊之間的封裝距離需要進一步縮短。

綜上所述，AI算力的發展導致高性能交換芯片、高速率SerDes及光模塊的滲透率加速提升，帶來數據中心網絡設備的功耗大幅提升。設備廠商Cisco的數據顯示，2010-2022年全球數據中心的網絡交換帶寬提升了80倍，背后的代價是交換芯片功耗提升約8倍，光模塊功耗提升26倍，交換芯片SerDes功耗提升25倍。