中国光模块能否追赶上美国？

原作者：Martin Vallo

Yole Développement（Yole）固态照明技术与市场分析师

光模块作为数据传输中的重要一环，光模块等新基建设施是不可或缺的技术底座。光模块市场空间广阔，国产目前市场情况究竟如何？

过去50年中，每十年就会推动一次移动技术创新。移动带宽需求伴随各种应用而增加，目前已从语音通话和短信发展到超高清（UHD）视频和各种增强现实/虚拟现实（AR / VR）应用。尽管COVID-19对电信基础设施供应链产生了严重影响，但这推动了全球消费者和企业用户对网络和云服务产生新的需求。社交网络、商务会议、超高清视频流、电子商务和游戏将推动应用的持续增长。

连接到互联网设备的平均人数正在增加。随着具有更高功能和智能的新数字设备的出现，Yole Développement（Yole）分析师发现数字设备的采用率正在逐年升高。不断扩展M2M（机器对机器） 应用，如智能电表、视频监控、医疗保健监控、互联驱动器和自动化物流，为设备和连接的增长做出了重大贡献，并推动了数据中心基础设施的扩展。至2023年，M2M将占全球连接设备和连接的一半。继M2M之后，智能手机将会成为第二快增长的领域，2018-2023的复合年增长率为7%。

随着连接设备的大规模扩展，几十年来，网络流量一直在以惊人的速度增长，并且跨越了网络架构的各个层面。Yole固态照明技术与市场分析师Martin Vallo认为，全球IP流量将在未来五年内增加三倍。到2022年，仅互联网视频份额就将占到70%以上。

光纤网络由一组光纤链路连接的光网络设备组成，能够向最终客户端提供传输和光通道的相关功能，将信号传输给最终客户端。目前，市场已开发不同的光网络设备来针对不同应用，这意味着城域网和数据中心将拥有不同级别的网络基础设施。

光模块通过标准大体分为数据通信（Datacom）和电信（Telecom）两类，根据传输距离的变化，再通过技术进一步分类。数据通信与数据中心中的云服务相关联，通常不包括语音服务。电信是超过特定距离（通常超过100公里）的任何通信，包括语音服务、无线网络和数据通信。普遍来说，随着成本的降低，远距离通信技术会随着时间的推移而迁移到城域通信领域。

如今，由于数据中心（DCI）互连成为趋势，城域网络是市场上最具吸引力的应用。光纤通信技术的进步使更高速度成为可能，其中400G正在加速发展，800G开始部署。400G/800G以太网正在云数据中心布局，400G/800G ZR将在数据中心中发挥重要作用。Yole分析师还注意到，100G光学器件将大规模部署到云数据中心或企业网络架构的较低架构级别。从云迁移到边缘数据中心是最新趋势之一，通过这种转移来更接近最终用户需求，将低延迟带进更多新应用程序之中。

数字通信网络容量的指数级增长和光端口数量的不断增长，对光模块技术产生了巨大影响。光模块未来的目标是减小外形尺寸，从而降低功耗并增加密度，通过这种改进，服务提供商能够充分降低每比特的价格。不同传输距离的数据速率趋势不同，机架间的有源光缆（AOC）方面正在从40G转向100G和400G；介于短距离和长距离的数据中心连接（>100 米），拥有越来越多的 200G 和 400G 可插拔收发器；长距离传输上，则首次将DWDM应答器直接插入数据中心交换机以进行数据中心间链路，并革命性地部署了400G ZR。

在激光技术上，光模块中使用了两种类型的激光设备，分别为垂直腔表面发射激光器（VCSEL）和边缘发射激光器（EEL）。VCSEL基于砷化镓（GaAs）材料，主要见于用于短距离应用（>30m）的有源光缆，需要注意的是有源光缆是价格最低的光互连和"即插即用"解决方案。对于当今的机架内互连（<30m），直接连接铜缆（DAC）仍然占主导地位，但正在转向基于50G PAM4的有源光缆。直接连接铜缆主打零功耗、低成本和结构简单，这种技术可以不使用有源电子或光学器件。实际上，80%的数据中心通信链路小于100米，因此，该细分市场对成本非常敏感，并且难以渗透先进的光收发器技术。

中距离（500米至2公里）和长距离（10公里及以上）应用中的光模块中的边缘发射激光器一般基于传统的磷化铟（InP）和硅光子学材料。Yole分析师表示，高速模块中，两种不同类型的EEL技术时长被谈及，分别是直接调制激光二极管（DML）和电吸收调制激光器（EML）。由于其设计形式，DML也可称为分布式反馈（DFB）激光器，其采用单芯片和简单的电路，非常适合需要小尺寸和低功耗的电路设计。EML设计在单个芯片中集成了激光二极管和电吸收调制器（EAM）。激光二极管产生连续波，其较低的色度色散可在更长的距离内实现更高的数据传输速率。DML的技术限制将其使用限制在10km及以下，较低的成本使其在1G和40G数据速率下经济可行。EML激光器处理跨度非常大，非常适合400G和100G应用。

虽然硅光子仍被认为是一种新兴技术，但实际在很多应用中取得了良好发展，这项技术能在在数据中心应用中发挥关键作用（>80公里）。业界正在开发不同的方法，将InP激光器直接异构集成到硅芯片上。其优点是可扩展的集成，消除了光封装的成本和复杂性。但硅光子激光器的挑战仍然存在，这种激光器在高温下会损失效率，是必须研究的课题。共封装光学器件（CPO）是一种新方法，这种方法将光学器件和开关ASIC紧密地结合在一起来克服这种高温效率损失。值得一提的是，CPO技术被认为是整个生态系统的新部署模型，也是可插拔光学器件的替代方案。

在数通方面，北美云商资本开支维持高位，互联网厂商相继加大资本开支投入，同时 5G 高速传输带来更多需求，数据中心进一步向大型化、集中化转变，当前大型数据中心带动 200G/400G 高速光模块需求快速释放。另外，元宇宙也正在带动流量与数据传输需求，根据东吴证券预计，元宇宙的发展将带动云计算、大数据等需求进一步提升，将进一步推动光模块市场向高速高端光模块迈进。

政治摩擦也正在影响着全球的光模块行业，尤其是此前对华为和中兴通讯的禁令。实际上，对于许多激光和光学公司来说，中国代表着最大的市场和增长机会。伴随摩擦的升级，中国国内正在寻求更加安全可控的技术维持供应链的增长，在此之下美国光学公司的收入损失将远超中国光学公司。另外，中国在全球产业链中发挥着巨大的作用，如果美国继续征收新的关税，会对光通信供应链产生极大不利。

Yole表示，2020年，光模块产生全球总收入约为96亿美元，预计到2026年将至少翻一番，约210亿美元，并且2020-2026年的复合年增长率将高达14%。未来5年内，数据中心大量使用以太网收发器，将会推动市场增长到约121亿美元。超大规模云服务提供商将不断增长对数据通信市场的容量需求，灵活可调光模块的需求成为新宠，以有效响应不可预测的带宽需求并管理电信费用。COVID-19正在影响全球的光学制造业，尤其是来自中国和其他亚洲国家、欧洲和北美的晶圆厂。因此，许多供应在2020年被推迟。然而，中国数据中心运营商对光模块的需求非常强劲，地方政府支持5G和云数据中心的部署。

不过，LightCounting在最新的报告中指出，整体来看，我国的光模块市场发展仍处于增长阶段，但近期中国市场5G招标放缓。目前全球TOP10光模块企业，中国已占6家，相比之下10年前仅有1家入选。排名第10~15名的，还有多家中国光模块企业。

LightCounting预测，至2026年400G高速光模块市场的年均复合增速达20.5%，另外2021年400G光模块市场空间将超10亿美元，同比增长140%。

据了解，国内的光模块厂商已在头部位置，但高端光、电芯片等领域仍有一定的差距。购买光电芯片生产模块是行业现状，不过也有了一些实质性的进展，25G DFB/EML光芯片和25G/50G电芯片进入量产实用阶段。高端光模块的生产制造方面国产也正在持续突破。

数据显示，2021年前三季度，移动互联网流量大幅增长，前三季度移动互联网累计流量达 1608亿GB，同比增长35.8%。电信端基站下半年建设逐步加速，5G全产业链的快速推进，带来光模块更高的需求，前传光模块需求快速放量。

民生证券研究表示，光器件行业传统下游是电信市场和数通市场，电信市场受固网接入以及 5G 需求拉动，数通市场主要的驱动力来自于数据流量高速增长以及下游光模块产品快速的代际更迭所带来的机遇，两者共同构筑了行业发展的基本盘。

当前，光器件产品正开始向 2B 侧非通信市场（例如医疗检测等领域）渗透，并加速向 2C 侧消费电子和激光雷达等领域延伸，较2B市场2C市场需求更大，产品更新迭代更快，我们预计光器件行业即将迎来发展拐点。未来随着这些新兴领域的需求加速放量，将充分打开光器件行业的成长空间。 

国内部分光器件厂商业务及细分领域

来源：民生证券研究院

民生证券分析表示，从光器件下游的光模块领域来看，国内光模块厂市场份额提升显著，光通信产业链整体向中国转移的大趋势日趋明显。从光器件行业本身来看，国内企业正加速崛起。在光通信产业链持续向国内转移的大背景下，国内光通信企业发展势头迅猛，技术角度在部分高端领域持续取得突破，未来有望进一步替代国外厂商的份额，享受光通信领域的国产化替代机遇。