光模块通信完整产业链一览！

ittbank 2024-03-22 17:39

【北京12.5号】无线前沿新技术与测试技术峰会 如何应对供应风险和挑战，在行业竞争中赢得先机？

光模块上游主要包括光芯片、电芯片、光器件等供应商，其中光器件供应商较多，国产化率较高，但芯片工艺技术壁垒高，研发成本大，国外大厂占据高端光芯片、电芯片领域市场大部分份额。

光模块身处中游，属于技术壁垒相对较低的封装环节。光模块由光芯片、光器件、集成电路芯片、印制电路板、结构件等封装而成，是实现电信号和光信号互相转换的核心部件，属于光模块产业链中游的后端垂直整合产品。

光模块下游包括互联网及云计算企业、电信运营商、数据通信和光通信设备商等。其中互联网及云计算企业、电信运营商为光模块最终用户。

光器件和光芯片是光模块的两大核心部件，成本占比最高。光器件是光模块的重要组成部分，在成本中占比最高，主要包括TOSA、ROSA及构成TOSA、ROSA的组件，如TO、波分复用器、TO座、TO帽、隔离器、透镜、滤光片等配套件。光芯片包括COC（载体芯片）、LDCHIP（光发射芯片）及PDCHIP（光接收芯片）；集成电路芯片包括驱动芯片、信号处理芯片及相关器件。

光模块可按照传输速率、复用技术、封装方式等进行分类，其中400G及800G光模块主要用QSFP-DD、OSFP封装方式。

光芯片国内厂商竞争领域集中于25Gb/s以下产品，25Gb/s及以上产品国产化率尚有不足

欧美日国家光芯片厂商具有技术经验先发优势

欧美日国家光芯片厂商具有技术经验先发优势，逐步实现产业闭环，并建立起较高的行业壁垒，拥有可量产25Gb/s速率以上光芯片的技术。国内厂商在芯片制造中对外延技术的掌握尚未成熟，因此高端外延片主要依赖进口，导致发展受限。分速率市场来看，国内厂商目前能够规模量产2.5Gb/s、10Gb/s激光器芯片，25Gb/s激光器芯片仅少部分厂商实现批量发货，50Gb/s、硅光方案大部分厂商仍处于验证试产阶段。

电芯片国产化率偏低，核心供应厂商仍以海外企业为主

1.中际旭创

2.光迅科技

光迅科技是全产业链布局的光通信器件供应商，主营光电子器件、模块和子系统产品的研发、生产及销售，为传统电信领域光通信龙头企业。公司前身为1976年成立的邮电部固体器件研究所，并于2004年改制完成，整体变更为武汉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

聚焦光模块十数年，通过收购完善全球化布局。公司成立于2008年，于2011年7月成立全资子公司四川新易盛，并在同年12月完成股份制改革。于2016年在深交所创业板上市，后通过成立全资子公司香港新易盛和美国新易盛完善海外市场布局，并在2022年完成AlpineOptoelectronics100%股权交割。

通过十余载的技术深耕，完善多场景产品布局。目前业务已涵盖数据中心、电信网络（FTTx、LTE和传输）、安全监控以及智能电网等领域。公司于2016年实现100G光模块交付，在2019年实现400G光模块批量出货，目前已具备800G光模块出货能力，是国内少数可实现800G高速率光模块批量交付的企业。

6.光库科技

未来发展方向及趋势

算力时代背景下，数据中心成为能耗大户，光模块技术的升级不仅仅是简单的速率翻倍，更需要解决高速率带来的的功耗、成本问题。2021年我国数据中心耗电量为2166亿千瓦时，约为三峡电站同期年发电量1036.49亿千瓦时的2倍；2022年，我国数据中心耗电量达到2700亿千瓦时，占全社会用电量约3%；根据中国能源报统计，预计2025年该比重将接近5%。

光模块能耗占据数据中心交换网络能耗比重的40%-50%。根据FibalMall数据显示，数据中心应用中400G光模块能耗为10-12W，800G能耗为15-18W，未来1.6T能耗将是400G的2倍，预计高达20-24W；同时Cisco的数据显示2010-2022光引擎能耗提升约26倍。显而易见，光模块能耗的激增给数据中心的成本端带来巨大压力，解决其能耗问题成为当下光模块技术更新的关键。

1.LPO

LPO（Linear-drive Pluggable Optics，线性驱动可插拔光模块），采用线性驱动技术代替传统DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据回复）芯片，可实现降功耗、压成本的作用，但代价在于拿掉DSP后会导致系统误码率提升，通信距离缩短，因此LPO技术只适合用于短距离的应用场景，例如数据中心机柜到交换机的连接等。

传统DSP可对高速信号在光-电、电-光之间转换后出现的失真问题进行修复，从而降低失真对系统误码率的影响，但功耗大成本高：1）400G光模块中，7nmDSP的功耗约为4W，占整个模块功耗的50%；2）400G光模块中，DSPBOM成本约占20%-40%。LPO技术去除了DSP，将其相关功能集成到设备侧的交换芯片中，只留下具有高线性度的Driver（驱动芯片）和TIA（Trans-ImpedanceAmplifier，跨阻放大器），用于对高速信号进行一定程度传统DSP可对高速信号在光-电、电-光之间转换后出现的失真问题进行修复，从而降低失真对系统误码率的影响，但功耗大成本高：1）400G光模块中，7nmDSP的功耗约为4W，占整个模块功耗的50%；2）400G光模块中，DSPBOM成本约占20%-40%。LPO技术去除了DSP，将其相关功能集成到设备侧的交换芯片中，只留下具有高线性度的Driver（驱动芯片）和TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），用于对高速信号进行一定程度的补偿。

LPO技术的优势包括：1）低功耗：OFC2023Macom展示出的单通道100G单模800GDR8、多模800GSR8Linear-drive方案中多模功耗节省70%，单模功耗节省50%。根据Macom的数据，具有DSP功能的800G多模光模块的功耗可以超过13W，而采用MacomPuredrive技术的800G多模光模块的功耗不到4W。2）低延迟：没有DSP后处理步骤减少，数据传输延迟减少，Macom的Linear-drive方案中延时可降低75%。3）低成本：800G光模块中去除DSP后系统总成本可降低约8%。4）可热拔插：LPO封装沿用传统热拔插技术，便于后期维护。

LPO产业发展来看，目前国内布局LPO的厂商包括新易盛、剑桥科技、中际旭创、海信宽带等。高线性度的Driver、TIA芯片主要供应商包括Macom、Semtech、Maxim以及Broadcom。1）新易盛于OFC2023上展出了800GLPO光模块，包括多模和单模应用。2）剑桥科技先后两次收购分别获得了Macom和Lumentum日本公司的部分资产和研发团队，预计23年7-10月首批LPO400G/800G光模块产品可实现小批量供货。3）中际旭创有LPO相关技术储备和产品开发，且已向海外重点客户推出解决方案和送测。

2.CPO

CPO（Co-packagedoptics，共封装光学），是指将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽上，形成芯片和模组的共封装。

与传统可热拔插式技术相比，CPO技术的优势包括：1）低延迟，低功耗：由于光模块和交换芯片在同一个封装内，信号传输路径更短，可以实现更低的延迟。另外光电共封装技术可以减少信号传输的功耗，并提高整体系统的能效。2）高带宽：光电共封装技术支持高速光通信，可以提供更大的数据传输带宽。3）小尺寸：相比传统的光模块和电子芯片分离封装的方式，光电共封装技术可以实现更紧凑的尺寸，有利于在高密度集成电路中的应用。

CPO发展进程处于起步阶段，算力时代背景下AI对网络速率需求提升，市场空间未来有望突破。LightCounting在2022年12月报告中称，AI对网络速率的需求是目前的10倍以上，在这一背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%，将有效解决高速高密度互联传输场景。Yole报告数据显示，2022年，CPO市场产生的收入达到约3800万美元，预计2033年将达到26亿美元，2022-2033年复合年增长率为46%。

3.硅光子技术

硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新技术。硅光子技术的核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中，提升芯片之间的连接速度。

将硅光材料和器件集成在同一硅基衬底上，形成由光调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光子器件。相较磷化铟（InP）等有源材料制作的传统分立器件，硅光光模块无需ROSA（光接收组件）、TOSA（光发射组件）封装，因而硅光器件体积与数量更小、集成度更高。2）低成本：相较于传统的分立式器件，硅光模块的集成度更高，封装与人工成本降低；此外硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，意味着硅基芯片成本得以大幅降低。3）兼容成熟CMOS工艺：硅光子技术能利用半导体在超大规模、微小制造和集成化上的成熟工艺积累优势。

2022-2028年硅基光电子芯片年化复合增速有望实现44%。根据Yole数据，2022年硅基光电子芯片规模约6800万美元，预计2028年市场规模将增长至6亿美元以上，2022-2028年化复合增长率将实现44%，其主要增长动力是用于高速数据中心互联、和对更高吞吐量及更低延迟需求的机器学习的800G可插拔光模块。

硅光子技术产业链的上游包括光芯片设计、SOI衬底、外延片和代工厂，中游为光模块厂商，下游分为数通领域和电信领域。Intel、中际旭创、Coherent、Cisco和Marvell等厂商同时具备PIC设计和模块集成能力，且与下游云厂商和AI等巨头客户保持紧密合作，优势显著，在供应链中的引领作用较为明显。

海外头部厂商市场份额优势明显，国内厂商处于追赶阶段。竞争格局来看，数通市场中Intel占比处于领先地位，份额高达61%，随后的Cisco、Broadcom分别占比20%和7%。电信市场中，Cisco占据49%的市场份额，紧随其后的Lumentum和Marvell分别占比30%、18%，电信市场增长主要来自用于长途网络的相干可插拔模块。

国内光模块厂商相继布局硅光技术领域，未来有望打开市场空间。随着AIGC领域对算力和高速率光模块需求的提升，国内多家厂商如中际旭创、新易盛等企业相继布局硅光技术领域，未来有望进一步打开市场空间。

4.薄膜铌酸锂

电光调制器可以将电信号转换为光信号，从而实现光信号的调制。通常来说，电光调制器有三类，基底分别采用：硅光、磷化铟和铌酸锂材料。其中硅光调制器适用于短程数据通信光模块，磷化铟调制器适用于中长距离光通信网络光模块，铌酸锂适用于100Gbps及以上的长距骨干网和单波100／200Gbps的超高速数据中心。

三种材料比较对比来看，磷化铟材料成本较高。硅材料在光通信波段具有透明性和高折射率，制备工艺与CMOS兼容，可以制备大规模的硅集成光路，但硅材料不具备电光效应，硅基调制器只能采用热调制或载流子效应调制，从而限制了其速率。铌酸锂具有显著的电光效应，非常适合制作高速电光调制器，但早期并没有合适的工艺可以制备薄膜铌酸锂晶圆，因此铌酸锂调制器只能使用体材料做分立元件，分立的铌酸锂体材料光学器件体积大，工艺与CMOS不兼容，不便于集成。传统铌酸锂调制器行业竞争格局较为稳定，全球仅有富士通、住友和光库科技三家公司可以批量供货。

薄膜铌酸锂通过“离子切片”方式，从块状的铌酸锂晶体上剥离出铌酸锂薄膜，并键合到附有二氧化硅缓冲层的Si晶片上。相较于其他光电子材料，如磷化铟（成本受限）、硅光（性能功耗受限）、铌酸锂晶体（尺寸受限），薄膜铌酸锂可实现超快电光效应和高集成度光波导，具有大带宽、低功耗、低损耗、小尺寸等优异特性，并可实现大尺寸晶圆规模制造。薄膜铌酸锂调制器是一种基于铌酸锂材料制作的光学调制器，与传统铌酸锂调制器相比，薄膜铌酸锂调制器在器件尺寸、电光带宽和集成度方面具有明显优势。

薄膜铌酸锂调制器主要在骨干网通信的相干通信端口应用，根据ResearchDive数据预测，2023年全球铌酸锂调制器市场规模将达40.76亿美元，预计2030年将达到65.43亿美元，2022-2030年CAGR将实现6.09%。

5.算力时代下光模块降本降耗趋势凸显

数据中心的高能耗问题由来已久，算力背景下该问题愈显突出。工信部数据显示，2023年我国数据中心耗电量预计将达到2，667.92亿千瓦时，占社会总耗电量的3%。在此背景下我国多地区发布了对数据中心能效指标PUE的限制。在工信部印发的《新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》中要求，到2023年底新建大型及以上数据中心PUE需降低到1.3以下。算力需求提升带动网络带宽成倍提速，数据中心能耗呈指数型增长。根据DigitalInformationWorld发布的最新报告，数据中心为训练AI模型产生的能耗将为常规云工作的三倍。据咨询机构TiriasResearch建模预测，到2028年数据中心功耗将接近4250MW，比2023年增加212倍，数据中心基础设施加上运营成本总额或超760亿美元。

数据中心的能耗主要体现在IT设备和制冷设备。IT设备主要包括服务器和网络设备等。服务器承载了计算和存储业务，搭载了CPU、内存等硬件。网络设备包括交换机、路由器以及防火墙等。IT设备占数据中心整体的能耗达45%，其次为制冷系统，占比达43%。具体到IT设备，其中服务器类约占50%左右，存储系统约占35%，网络通信设备约占15%。

数据中心带宽提升，带动高性能交换芯片和高速率光模块的应用。数据中心交换芯片的演变趋势基本处于每两年翻一番的快速增长，25.6T交换芯片用7nm工艺，51.2T则需要选择5nm工艺节点，预计2025年3nm工艺节点可实现，并支持交换芯片实现102.4T的容量。对于光接口而言，25.6T交换芯片对应64个400G光模块，已于2021年实现。2023年随着64个800G模块的推出，支持交换机升级到51.2T。对于102.T的交换容量，则需要1.6T光模块，光口每波长速率达到200G。

高性能交换芯片和光模块的使用导致网络设备功耗大幅增加。光模块速率的提升带来功耗大幅增加。400G早期功耗为10-12w，预计长期功耗为8-10w，800G功耗约为16w。以英伟达QM9700交换机为例，具有64个400G端口，若满载光模块，单台交换机对应的功耗就高达640w以上。

交换芯片数据吞吐量提升带动SerDes速率的提升，SerDes功耗也呈上升趋势。SerDes是网络设备的核心器件，负责光模块和网络交换芯片的连接。将交换芯片输出的并行数据，转换成串行数据进行传输。在接收端，再将串行数据转换成并行数据。在102.4Tbps时代，SerDes速率需要达到224G，芯片SerDes功耗预计会达到300W。受PCB材料工艺的限制，当SerDes速率增加时，为了保障信号的高质量传输，信号传输距离将会相应缩短。当SerDes速率达到224G时，最多只能支持5-6英寸的传输距离，这使得交换芯片和光模块之间的封装距离需要进一步缩短。

综上所述，AI算力的发展导致高性能交换芯片、高速率SerDes及光模块的渗透率加速提升，带来数据中心网络设备的功耗大幅提升。设备厂商Cisco的数据显示，2010-2022年全球数据中心的网络交换带宽提升了80倍，背后的代价是交换芯片功耗提升约8倍，光模块功耗提升26倍，交换芯片SerDes功耗提升25倍。