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1、 光模块专题报告电信与数通市场双轮驱动，引发新一轮需求高峰 1.光模块是光通信的核心器件1.1.光进铜退是全球通信产业的发展趋势现代通信起始于 1873 年摩尔斯发明的电报，实现了用电传输文字信息， 再之后到有线电话、电视、无线电话的发明和应用都是基于有线或无线电的通 信方式。但是由于电子信号本身的较易受电磁干扰和只能串行通信的特性，无 法实现高速率信号长距离的传输，于是人们展开了对光通信的探索。光通信实 现应用的标志是上世纪七十年代美国康宁根据高锟的设想成功研制了第一条 20dB/Km 的低损耗单模光纤，由此开始，光通信进入了蓬勃发展阶段。光通信 以光子作为信息传输的载体，光子本身具有极快的
2、响应能力、极强的并行能力， 而且无电荷，将其作为信息的载体无电磁干扰情况又具备极好的保密性，依靠 这些特性，光通信在信息传输上具备长距离、高速率、大容量、高可靠性的优 势。随着全球信息技术产业的持续发展，通信网络中的数据流量规模愈加庞大， 互联网接入带宽速率与数据流量规模同步增长，以铜线为载体的传输方式无法 满足升级需求，于是光纤逐渐取代铜线，在 5G、云计算、物联网等技术推动的 数据流量高速增长下，“光进铜退”已经是全球通信产业的发展趋势。光通信在通信网络中的应用首先在较长传输距离的运营商广域网和城域 网中，后随着成本的降低，逐渐下沉到中短距离的局域网中，在园区和企业内 部网络中都有应用。近
3、年来，云计算需求的增长推动了数据中心的规模扩大和 技术升级，为了提升数据中心内部和外部的数据传输速度，应对数据量指数级 的增长，光通信广泛应用在数据中心内部的通信设备间，随着数据中心产业规 模的不断提升，未来有望成为光通信的最大市场。1.2.光模块是光通信实现的基础目前由于技术的限制，如今的 IT 设备只能识别电信号，不能够识别光信 号，仅通过光纤是无法实现设备之间通信的，需要通过光纤收发器或光模块协 助设备进行发送端和接收端的电光、光电转换。光纤收发器是独立的设备，一 般使用在较远距离传输中，两端的设备使用网线分别连接两端的光纤收发器， 光纤收发器之间通过光纤进行传输，也被称之为光电转换器，
4、是一种相对经济 的方案，但要考虑供电、光纤、网线等问题，且传输损耗较高。光模块是一个 功能模块，是不能单独使用的无源设备，必须插在 OLT、交换机、服务器等设 备上配套使用。相比于光纤收发器，光模块支持热插拔，配置相对灵活，能够 简化网络，减少故障点，而且性能上更为稳定和高效，所以使用通信设备搭配 光模块也是目前运营商和数据中心广泛采用的光通信方案。伴随着光通信产业的发展，光模块也在不断进化，小型化、低成本、高速 率等特性是产品迭代的主要方向。光模块最早出现在 1999 年，是采用 SC 光头 1X9 封装的产品，用法是集成在通信设备的电路板上作为固定化的光模块使用， 之后 1X9 封装的产品
5、逐渐转向小型化和可热插拔的方向上发展。SFF 模块源自 于小型化的尝试，其仍然是采用固定化的用法，用 LC 头直接集成在电路板上。 可热插拔的方向上诞生的光模块是 GBIC，当时广泛应用于交换机和路由器等网 络设备，其和固定化的光模块相比优势明显，可以作为一个独立的模块使用， 方便更新、维护和故障定位。然而随着网络的发展，网络设备的光口数量需求 不断增加，GBIC 的体积较大导致设备的光口密度较小，无法适应网络快速发展 的趋势。经过技术的探索和优化，GBIC 的升级版本，兼顾小型化和可热插拔功 能的 SFP 光模块研制成功，体积仅为 GBIC 的 1/2-1/3，实现了网络设备光口密 度的提升
6、，出现后便得到了最为广泛的应用，并实现了统一接口的通讯方式， 各个厂家的网络设备均可以兼容，能够作为单独的设备进行采购。SFP 诞生后， 在小型化、高速率、低成本等特性优化的道路上，又相继出现了采用 XENPARK、 XPARK、XFP、CFP、SFP+等封装方式光模块产品，体积越来越小，使用越来越 便捷，成本也逐渐下降，所支持的速率也最初的不到 10Gbps 到目前最高的 800Gbps，光模块的各方面的技术水平在 20 年的时间内取得了长足的进步。1.3.硅光技术的应用将是下一代光模块的发展方向近年来，不断缩小的芯片尺寸面临物理极限，遇到的散热问题、漏电流问 题难以解决，微电子面临摩尔定律
7、的困境。硅光技术是解决困境的方案之一， 该技术基于硅光子通信高速、低成本的优势，结合集成电路技术，用光子代替 电子传输信息，硅光技术的出现意义在于能够发挥硅基的 CMOS 工艺的规模效 应，进而在通信设备领域延续摩尔定律。从目前硅光产品的表现来看，通过硅 光集成技术用光代替电进行信息的传输，其在体积、速率、功耗和成本等方面 都将有较大的优势，尤其在目前的节点，5G 的商用推进和云计算需求的提升将 带来数据流量的暴增，数据传输带宽的增加将会对光通信提出更高的要求，硅 光技术作为更好的方案未来有望逐渐取代现有技术。目前以硅光技术为代表的 光电集成已进入产业化阶段，其中硅光模块为商用较早的产品。硅光
8、模块和目 前所广泛使用的传统光模块不同，传统光模块采用分立式，光芯片是通过一系 列的无源耦合器件与光纤实现对准耦合，实现光路的封装。而使用硅光技术的 光模块基于 CMOS 制造工艺，能够在硅基底上使用蚀刻工艺快速加工大规模的 波导器件，并利用外延生长等加工工艺制备调制器、接收器等关键器件，最终 实现将调制器、接收器以及无源光学器件等集成，其具有集成度高、成本低及 传输性能优异的特点。根据前瞻网援引研究机构 Yole 的预测数据，从 2019 年 到 2024 年，硅光通信的市场规模将从 4.8 亿美元增长到 39 亿美元，复合增长 率超过 40%，到 2025 年，仅数据中心市场的硅光模块出货
9、量将达到 2400 万， 市场规模约 36 亿美元。正是看到硅光技术在通信设备领域巨大的发展潜力与空间，海内外的光通 信设备领导厂商和相关行业具备较强竞争力的企业相继入场进行布局，产业发 展迅猛。国外的企业如 Intel、Cisco 及 SiFotonics 等巨头公司起步较早，均 已推出多款基于硅光技术的器件产品，已经在行业内占据头部地位。与海外企 业相比，由于在光通信高端领域的技术相对落后，国内企业布局硅光技术较晚， 主要通过收购拥有该技术的海外公司或者与外企成立合资公司的模式来切入， 目前在研发技术和成果方面与海外巨头相比仍有较大差距，目前仍处于追随状 态。不过我们认为无论是国外企业的技
10、术领跑还是国内企业的入场追赶，从目 前的市场发展阶段和产品的成熟度来看，在功耗、成本、带宽和产能方面硅光技术还有较大的提升空间，距离大规模应用尚需时日，但可以确认的是硅光技 术的未来已来，日后将成为光通信领域的主流应用方向。2.海内外产业链分工明确，国内厂商逐渐崛起2.1.上游高端芯片领域由海外厂商垄断，国产厂商在光模块市场份额 持续提升光模块产业链包含光器件、光模块、光通信应用三部分，光模块处于产业 链中游，上游是光模块成本中占比较大的光芯片和电芯片，以及其他组件等构 成光模块的基本元器件，下游主要配套供应电信和数通市场的相关设备。光模块的产业链上游和高端领域被海外厂商主导。长久以来欧美日的
11、光通 信公司在高端芯片和器件方面都具备较大的技术优势，在市场中占据绝对份额， 国内的光通信厂商还在追赶阶段，高端领域基本属于空白。光芯片是光模块中 技术含量最高，成本占比最大的部分，其中高端光芯片被海外厂商主导，代表 厂商有 Finisar、Lumentum、Oclaro，国内华为海思、光迅科技、华工科技等 在光芯片领域有所布局，但只有海思突破了高端产品，其余厂商的主要光芯片 产品还集中在 10G、25G 及以下速率的产品。2018 年，国内 10G 速率以下光芯 片国产化率已达到 80%，10G 速率光芯片国产化率约 50%，25G 及以上光芯片国 产化率仅 5%。电芯片和光芯片的格局相似，
12、25G 及以上的市场基本为海外厂商 垄断，包括 Macom、Semtech、Inphi 等公司。在发射组件、接收组件、光纤连 接器等光组件方面，高端产品涉及精密加工领域，海外厂商 Finisar、Oclaro、 Sumitomo 占据主要份额，国内天孚通信、光迅科技等厂商有一定市场份额。总 体来讲，光模块上游技术壁垒高、参与者少、竞争较小，主要的市场份额还集 中在海外厂商手中，随着 5G 建设周期的到来和数据中心规模的提升，市场对 25G 及以上的高速率芯片需求开始释放，低速率芯片将逐渐被边缘化，目前来 看国内厂商在技术水平上有较大差距，需要持续投入才有望改变局面。在产业链中游的光模块市场中，
13、国内厂商近年来进步显著。在 2010 年全 球光模块厂商排名中，国内只有武汉电信器件（WTD）进入榜单前十，但到了 2020 年，根据电子发烧友援引LightCounting 的数据，预计将有 5 家中国光模 块厂商进入前十，中际旭创将超越 Finisar 成为市占率榜首。国内光模块厂商 的份额持续提升一方面是由于在过去十年中，国内巨大的下游市场需求持续提 升，厂商也在研发上持续投入，跟进国际领先技术，获得市场的接受和认可； 另一方面，由于光模块的价格逐渐透明，特别是在低端市场中海外厂商在较低 的毛利率下无法保持盈利，于是许多海外厂商开始剥离光模块业务或专注于高 端产品领域，并且从 2018
14、年开始陆续出现整合，厂商数量减少，主要开始布 局下一代的硅光通信技术及市场。这一阶段中，国内厂商依靠成本优势持续扩 大份额，并且依靠良好的盈利可以持续投入高端产品的研发，目前在 400G 高 速率光模块的市场中，中际旭创和新易盛都实现了批量出货，未来国内厂商有 望提升在高端光模块领域的市场份额。产业链下游的竞争格局较为稳定，在电信和数通市场中，配套使用光模块 的设备主要是运营商网络设备、交换机、路由器和服务器。全球前五的通信网 络设备厂商为华为、思科、爱立信、诺基亚和中兴通讯，合计占据全球市场份 额的 7 成以上，呈现寡头竞争格局；服务器市场基本为戴尔、新华三、IBM、 浪潮和联想主导，占据市
15、场的半壁江山。在光模块行业的市场竞争中，能够进 入上述厂商供应链体系的企业将具备较大的市场优势。2.2.芯片国产替代需求强烈，行业竞争格局持续优化光模块由光器件、电芯片、PCB 及结构件组成，其中光器件在光模块的成 本中占比超过 7 成，光器件的核心组件为光收发组件，两者合计占光器件成本 约 80%，而光芯片又为光收发组件的核心，决定了光模块的整体性能表现，是 厂商仍至于国家芯片技术水平的体现。当前我国在光芯片方面进口依赖程度较 高，尤其在 25G 及以上速率的光芯片上，国产化率仅约为 5%，完全受制于海外 厂商，不论是在国家战略层面还是商业成本层面，高端光芯片实现国产替代的 需求强烈。近年来
16、国务院、工信部以及发改委频繁出台了相应政策鼓励发展光芯片产 业，明确指出支持相关产业的建设。在 2017 年工信部发布的中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）中明确指出了光芯片和光模块的发展 路线和规划，提出将全面提速 DFBEMLVCSEL 等光芯片的国产化进程，具体要 求 25G 及以上 DFB 芯片在 2020 年的国产化率超过 30%，2022 年 DFB 芯片国产 化率突破 60%；25G 及以上 VCSEL 芯片在 2020 年国产化率达到 10%-20%，2022 年需要再提升 10%；10G EML 芯片的自供率在 2020 年提升至 50%，25G EML 芯 片提升至 30%，到 2022 年，10G EML 芯
