通信設備行業(yè)深度報告：光模塊系列深度（一）：光電之門踏浪前行

通信設備77%58%38%19%0%-19% 2022-092023-012023-05數據來源：聚源光模塊系列深度（一光電之門，踏浪前行——行業(yè)深度報告AI大模型引算力芯片供不應求，為高端光模塊帶來顯著需求增益。根據我高速率光模塊占比呈提升趨勢，帶動頭部廠商盈利改善。目前200G/400G/800G中心上，在光通信向高速率發(fā)展的趨勢下，需 行業(yè)深度報告2/2/361、光模塊景氣度正逢周期拐點，五大因素篩選優(yōu)質α 41.1、從下游市場現狀推斷光模塊β進入上行周期 41.2、五大因素篩選優(yōu)質α：企業(yè)的核心競爭力 2、乘AI之風，高端高速率光模塊揚帆起航 2.1、AIGC蓬勃發(fā)展是光模塊需求增益的重要源泉 2.2、800G光模塊東風已至，有望拉動云廠商資本支出 2.3、“新封裝+新材料+新技術”周期的交織 222.3.1、新封裝：CPO降耗降本，前景可期 222.3.2、新材料：薄膜鈮酸鋰在調制器中優(yōu)勢顯著 242.3.3、新技術：硅光子技術 263、投資建議 273.1、光模塊龍頭廠商 273.2、核心光器件供應商 304、風險提示 34圖1：近20年全球數據中心行業(yè)發(fā)展呈現“四中心三拐點”的特征 4圖2：我國數據中心市場規(guī)模（億元） 5圖3：不同場景下的異構算力需求 6 6圖5：中國智能算力規(guī)模（EFLOPS）有望維持高增長 6圖6：預計2020-2025年全球計算設備算力總規(guī)模CAGR達50.4%（EFLOPS） 6圖7：數據中心“東西向”流量占主導 6圖8：傳統(tǒng)三層網絡結構和兩層葉脊結構的區(qū)別 6圖9：數據中心交換芯片吞吐量演進趨勢 7圖10：“布局集群化”趨勢下超大型IDC占比不斷提升 8圖11：2022年以來400G數通光模塊加速部署 8圖12：我國網絡基站建設情況（萬個） 9圖13：影響光模塊收入增速的相關性因素（坐標左軸代表收入增速，右軸代表其他） 圖14：400G以太網光模塊銷售（$M）或將步入放量階段 圖15：光模塊原材料成本結構中光芯片占比高 圖16：美國算力規(guī)模占據全球第一 圖17：中際旭創(chuàng)海外光模塊毛利率顯著高于國內 圖18：2022年全球公有云IaaS市場競爭格局集中 圖19：2020年全球通信網絡設備市場競爭格局集中 圖20：全球大模型技術發(fā)展脈絡 圖21：2020年以來全球大模型數量飛速增長（中美主導） 圖22：傳統(tǒng)數據中心內部網絡為三層架構 圖23：兩層葉脊架構 圖24：Facebook的五級Clos架構 圖25：DGXA100有8個計算接口 圖26：DGCA100兩層網絡架構 3/3/36圖27：英偉達展示的DGXA100/H100組網架構（一個單元32個節(jié)點，256塊H100） 圖28：全球光模塊細分市場規(guī)模（$m）及同比增速 圖29：中性情形下2022-2027年前15家云計算公司的資本支出（$millions）CAGR有望達17% 圖30：云計算公司資本支出與光模塊廠商收入的變動具有正相關性 圖31：800G網絡架構下AI計算集群的上下行速率比為1:1 圖32：數據中心主流光模塊的升級路徑帶來800G需求 圖33：3種800G光模塊光接口架構 圖34：800GSR場景方案之8x100GSR8DML/EML 20圖35：800GSR場景技術方案之8x100GPSM8SiPh 20圖36：800GDR/FR場景方案之4x200GPSM4EML/SiPh 20圖37：800GDR/FR場景技術方案之4x200GCWDM4EML 20圖38：800G光模塊應用場景方案預測 21圖39：不同速率DWDM模塊滲透率發(fā)展趨勢（按銷售收入） 21圖40：不同速率數據通信模塊滲透率發(fā)展趨勢（按銷售收入） 21圖41：常見的幾種CPO封裝方案，第三種將硅光芯片作為中階層，電信號通過硅光芯片中的金屬層互連 22圖42：NPO/CPO是將交換芯片和光引擎進行封裝的技術 23圖43：封裝的目的是縮短距離，保證高速信號的高質量傳輸，滿足系統(tǒng)的誤碼率要求 23圖44：預計到2028年CPO全面部署 23圖45：預計CPO市場規(guī)模2022-2033年復合年增長率為46% 24圖46：2021-2025年全球光模塊用鈮酸鋰調制器市場空間 25圖47：鈮酸鋰產業(yè)鏈圖譜 25圖48：硅光子市場規(guī)模預測（US$million） 26圖49：中際旭創(chuàng)產品矩陣 27圖50：中際旭創(chuàng)重組后的發(fā)展歷程 28圖51：公司產品矩陣 29圖52：公司光通信芯片系列產品種類豐富（涵蓋APD/EML/DFB/PD） 31圖53：公司具備技術、客戶資源等六大優(yōu)勢 31表1：傳統(tǒng)三層網絡架構下的交換機分類 7表2：數據中心典型的光互連場景 7表3：5G中回傳新型光模塊潛在需求 表4：OpenAI大模型參數量及預訓練數據量逐代提升 表5：模型測算不同單元數量對應的光模塊數量 表6：模型測算由英偉達高端算力芯片銷售帶來的光模塊需求增益 表7：800G光模塊國內廠商布局情況 22表8：鈮酸鋰調制器在100G及以上長距離骨干網相干通信場景下具有優(yōu)勢 24表9：調制器性能對比 25表10：公司的產品矩陣覆蓋了廣泛的下游領域 29表11：公司產品矩陣種類豐富，涵蓋多種應用場景 32表12：公司在性能、成本以及生產制造方面具備技術優(yōu)勢 32表13：公司的產品矩陣以鈮酸鋰調制器件為主 33表14：重點公司盈利預測與估值 34 行業(yè)深度報告4/364/36中心領域。這兩大應用場景的規(guī)模增速是影響光模塊需求景氣度的核心指標。（1）數據中心迎來周期向上拐點，把握一個特征兩目前正由云中心向算力中心演變。數據中心產業(yè)整體發(fā)展周期呈現出“四中心三拐中心不僅為客戶提供管理服務，還提供計算和存儲環(huán)境。其托管的不再是客戶的設大數據等新數字技術的加速發(fā)展顯著驅動了數據云存儲及智能算力需求的增長， 行業(yè)深度報告5/5/362021年以來數據中心增長的邏輯主要在于算力需求的擴張。從國內來看，高新新一輪資本開支增長。 行業(yè)深度報告6/6/364002000中國智能算力規(guī)模及預測同比140%120%100%80%60%40%20%圖6：預計2020-2025年全球計算設備算力總規(guī)模CAGR58000522004640040600348002900023200174001160058000560002025-20302025-2030：CAGR=76.2%2020-2025：CAGR=50.4%33006153094292019202020212025E2030E全球計算設備算力總規(guī)模2019年以來數據中心呈現出“東西向流量占比高”的特征，以及“架構扁平多是客戶端和服務器之間的通信。而隨著分布式計算、大數據興起，這些應用會在 行業(yè)深度報告7/7/36因此當存在大量東西向流量時，三層架構下的傳輸效力受限于匯聚層和核心層交換機的設備性能。表1：傳統(tǒng)三層網絡架構下的交換機分類層葉脊網絡對光模塊的需求相對傳統(tǒng)網絡大幅提升，同時推動高速率產品在數據中心中的應用。葉脊兩層網絡的優(yōu)勢在于低延遲、擴展性好、帶寬利用率高等，同表2：數據中心典型的光互連場景25GAOC/DAC400GFR4/DR4 行業(yè)深度報告展，其作為關鍵性技術迭代，或成為驅動新一輪光模塊需求增長的重要引擎。根據800600400200041% 37% 2018Q42019Q32020Q42021Q3全球超大型IDC個數（個）中國超大型IDC個數（個）中國超大型IDC機架占比中國超大型IDC個數占比40%上升趨勢，綜合導致了光模塊產業(yè)進入量價齊升的周期。 行業(yè)深度報告9/9/360200920102011201220132014201520162017201820192020202120225G4G3G2G移動基站建設數量yoy50%40%30%20%10%0%4G的兩級結構演化到三級結構，對光模塊數量產生大規(guī)模需求。5G提供的業(yè)務具 行業(yè)深度報告400G400G著光模塊需求的增速。運營商資本開支增速體現了當年對通信網絡、算力網絡等通信基礎設施的投入力度，是反映行業(yè)景氣度的核心指標。以中際旭創(chuàng)為例，光模塊90%70%-10%201420152016201720182019201420152016201720182019202020212022旭創(chuàng)光通信業(yè)務收入同比三大運營商資本開支同比我國移動通信基站數量同比我國數據中心市場規(guī)模同比40%20%0%-10%-20%先發(fā)優(yōu)勢來源于對光通信發(fā)展趨勢的前瞻性，先于市場進行產品開發(fā)布局。以2018年率先行業(yè)推出首款400GQSFP-DDFR產使用時，公司憑借先發(fā)優(yōu)勢（率先導入客戶測300025002000150010005000-5002016201720182019202020212022E2023E2016201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E100G200G2x200G2x400G_800G_1.6T 行業(yè)深度報告芯片作為依賴于進口的光模塊核心部件，影響企業(yè)生產端的產能利用率。芯片和結構件占成本的比例較高，在高端光器件中，芯片成本的占比甚至達到50%證產品良率對資本投入和工藝水平的要求很高，國內光器件企業(yè)的生產在一定程度上依賴于光芯片的進口。國際市場上Finisar、Oclaro等國外企業(yè)具集成電路芯片,光芯片及組件65.01%,光芯片及組件集成電路芯片結構件電力北美市場在全球數據中心及算力方面占據第一大份額，高性能高速率光模塊的市場。高速率高性能光模塊產品被最先應用于北美云廠商的業(yè)務中。因此深化北美市場布局、進入北美云廠商供應鏈是光模塊廠圖16：美國算力規(guī)模占據全球第一圖17：中際旭創(chuàng)其他其他,中國,33%歐洲,35%30%25%20%15%10%20182019202020212022國外毛利率國內毛利率制造工藝對產品良率、功耗等具有重要影響，進而影響產品毛利率。高速光模 行業(yè)深度報告諾基亞,15.40%愛立信,思科,18.10%諾基亞,15.40%愛立信,思科,18.10%對于部分產品需要根據客戶需求進行專門的工藝設計、利用專門的制造流程進其他,22%亞馬遜,亞馬遜,48.90%2.90%谷歌,5.60%阿里云,微軟,14.40%亞馬遜微軟阿里云谷歌IBM其他其他,三星,華為,30.80%2.40%華為,30.80%2.40%5.60%華為華為諾基亞愛立信中興 行業(yè)深度報告表性分支，需要強大的模型和大數據支撐，才能在多個應用場景下生成高質量的內基礎設施投入需以百億計。模型大模型的應用階段也需要消耗大量的算力，通常大模型部署在云端，用戶通過 行業(yè)深度報告4020020192020202120222023 大模型數量-其他大模型存量-美國大模型存量-中國大模型存量-其他計算節(jié)點與機柜交換機，提供數據中心與國際互聯網、其他數據中心的連接。匯聚檢測，網絡分析等。核心層是數據中心內部各個網絡之間的統(tǒng)一數據交換中心，交換機為進出數據中心的包提供高速的轉發(fā)，為多個匯聚層提供連接性。傳統(tǒng)的樹形的總和。 行業(yè)深度報告大規(guī)模的MapReduce和數據拷貝。葉脊兩層網絡架構適應數據流量發(fā)展，帶動葉脊架構，還有五級Clos架構，為Facebook等超大型數據中心所交換機型號和單元數量。網卡。主要包括ConnectX-6（200Gbs，配合A100）和主要搭配ConnectX6對外通訊，接（Node）有8個接口（port每個節(jié)點分別連接8臺葉交換機（一臺脊交換機，即需要20臺脊交換機。每臺脊交換機有48個下行接口，供需 行業(yè)深度報告表5：模型測算不同單元數量對應的光模塊數量182456口為16個，連接16臺脊交換機。因此第二層共需要16*32=512根光纜，對應 行業(yè)深度報告520/150/225萬個200G/4假設2023年200G/400G/800G光模塊單位售價分別為200/400/1000美元/只,2024表6：模型測算由英偉達高端算力芯片銷售帶來的光模塊需求增益2023E2024E2023E2024E400G400G2根據Lightcounting預測，光模塊的全球市場規(guī)模在2022-2027年或將以22,00020,0008,0006,0004,0002,00002016201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E2027EEthernetFibreChannelOpticalinterconnectsCWDW/DWDMWirelessFronthaulWirelessBackhaulFTTxyoy20%0%-5%-10%-15%云計算廠商資本支出與光模塊廠商營收呈正相關性。隨著云計算的高速發(fā)展，數通市場對光模塊市場的影響逐漸提升，云計算廠商資本支出與光模塊廠商營業(yè)收 行業(yè)深度報告050%40%30%20%10%050%40%30%20%10%bestbestcase:26%CAGRintermediate:17%CAGRworstcase:9%CAGR圖30：云計算公司資本支出與光模塊廠商收入的變動具201820182019202020212022E前15家云計算公司的資本支出同比國內四大光模塊廠商平均營收同比數據來源：光通信觀察公眾號、開源證券研究所（注：四大光模根據800G的網絡架構，800G光模塊的應用場景主要分為SR（100m）、 行業(yè)深度報告可以在數據中心相干光模塊中使用固定波長激光器，以降低成本和功耗。多模光纖成本，將成為該技術持續(xù)演進的關鍵因素。以硅光（SiPh）和直接調制激光器（DML）為代表的單模技術迅速發(fā)展。其中，SiPh 行業(yè)深度報告20/3620/36 行業(yè)深度報告21/3621/36在2025年及之后快速攀升。100%80%60%40%20%0%2020202120222023E2024E2025E2026E10G100G200G400G600G800G圖40：不同速率數據通信模塊滲透率發(fā)展趨勢（按銷售80%60%40%20%0%2020202120222023E2024E2025E2026E10G40G100G200G400G其他根據交換芯片的演進趨勢、市場需求和技術成熟度，800G光模塊或將在2024 行業(yè)深度報告22/3622/36表7：800G光模塊國內廠商布局情況掉DSP芯片，大大降低在模塊層面的信號已開發(fā)基于硅光子技術平臺的無線前傳25G硅光模塊和數通400G-DR4硅光模塊 行業(yè)深度報告23/3623/36圖42：NPO/CPO是將交換芯片和光引擎進行封裝的技術圖43：封裝的目的是縮短距離，保證高速信號的高質量傳輸，滿足系統(tǒng)的誤碼率要求 行業(yè)深度報告24/3624/36銦調制器主要用在中距和長距光通信網絡收發(fā)模塊，鈮酸鋰電光調制器主要用在種超高速調制器材料平臺中，近幾年出現的薄膜鈮酸鋰調制器具備了其它材料無法全球僅有富士通、住友和光庫科技三家公司可以批量供貨。表8：鈮酸鋰調制器在100G及以上長距離骨干網相干通信場景下具有優(yōu)勢鈮酸鋰調制器鈮酸鋰材料具有光電效應多、性能可調控性強、物理化學性能穩(wěn)定、光透過范圍寬等特點。鈮酸鋰晶體光電效應多。具有包括壓電效應、電光效應、非線性光學效應、光折變效應、光生伏打效應、光彈效應、聲光效應等多種光電性能；鈮酸鋰晶體的性能可調控性強。這是由鈮酸鋰晶體的晶格結構和豐富的缺陷結構所造成，鋰晶體的聲表面波濾波器、光調制器、相位調制器、光隔離器、電器件在電子技術、光通信技術、激光技術等領域中得到了廣泛研究和實際應用。 行業(yè)深度報告25/3625/36表9：調制器性能對比3高高低低高高低8642020212022E2023E2024E2025E 行業(yè)深度報告26/3626/36硅光子技術是基于硅和硅基襯底材料利用現有CMOS工藝超低功耗的雙重優(yōu)勢。硅光子技術與傳統(tǒng)的光器件相比具有材料成本低和砷化鎵（GaAs）材料為例，屬于稀有材料，成本高，且硅基材料成本低，并可利用CMOS在集成電路領域的投資、設施和成本等方面仍面臨一定挑戰(zhàn)，但基于其在成本和功耗方面的優(yōu)勢有望成為未來光器優(yōu)勢。國內外其他同業(yè)公司也在積極投入硅光子技術研發(fā)。600400200020152016201720182019202020212022202320242025SiphotonicsfordatacentersSiphotonicsforotherapplications 行業(yè)深度報告27/3627/36我們認為在行業(yè)β向上的背景下，光模塊龍頭廠商具有投資機會。其邏輯主要尤其是800G/硅光/相干產品，龍頭廠商憑借多年的研發(fā)經驗，早已在客戶端進行送公司是高端光通信收發(fā)模塊及光器件龍頭制造商。中際旭創(chuàng)集高端光通信收發(fā)過全資子公司蘇州旭創(chuàng)和控股子公司成都儲翰開展。其中蘇州旭創(chuàng)致力于高端光通線網絡、電信傳輸和固網接入等領域。成都儲翰專注于接入網光模塊和光組件的生產及銷售，擁有從芯片封裝到光電器件到光電模塊的垂直整并列第一。公司具有長遠的技術前瞻性以及領先的研發(fā)能力?？v觀其發(fā)展歷程，公司201628/3628/36場，與谷歌等頭部客戶具有長期的合作關系。旭創(chuàng)成立初期，即在北美市場設立全資子公司InnolightTechnologyUSA相結合，2016年就已進入海外一流客戶（亞馬遜和谷歌等）供應成都儲翰補齊5G接入網短板，同時發(fā)力數通和電信市場。公司產品矩陣完善，將產和客戶驗廠等工作，做好了量產前的各項準備工作，并將按計劃從泰國廠量產出貨400G和800G等產品。800G和相干800G硅光模塊已開發(fā)成功并進入送測階段，C經形成了以激光加工技術為重要支撐的智能制造裝備業(yè)務、以信息通信技術為重要支撐的光聯接、無線聯接業(yè)務，以敏感電子技術為重要支撐的傳感器以及激光防偽制造技術和工業(yè)激光領域全產業(yè)鏈優(yōu)勢，全面布局激光智能裝備、自動化產線和智慧工廠建設，是中國最大的激光裝備制造商之一。聯接業(yè)務方面。公司擁有業(yè)界先進的端到端產品線和整體解決方案，具備從芯片到器件、模塊、子系統(tǒng)全系列產品 行業(yè)深度報告29/3629/36表10：公司的產品矩陣覆蓋了廣泛的下游領域2.半導體激光表面切割劃片設備、半導體激光隱形切割劃片設聯接業(yè)務方面，在光通信領域公司積極推進硅光技術、積極布局薄膜鈮酸鋰技術并實現全系列光模塊批量交付，在5G業(yè)務領域公司啟動新型光模塊產品布局。在“數據中心+云計算+大數據”一體化的新型算力網絡體系下，公司成功卡位頭部公司核心競爭力在于全面的技術儲備、產品多元化、高質量交付能力、產業(yè)鏈30/3630/36結構和可靠性七大技術平臺；公司具備先進的封裝技術，其封裝平臺包括有源和無擁有從芯片、器件、模塊到子系統(tǒng)的垂直集成能力。尤其是光芯片方面，公司擁有有助打造更加穩(wěn)定的供應鏈，發(fā)揮各環(huán)節(jié)之間的協同效應。我們推薦關注核心器件光芯片的邏輯主要有四點：光模塊速率提升，帶動光芯速率的核心部件，客戶粘性強、壁壘高。產品進入下游審核、驗證以及小批量試用。一旦進入供應鏈后，很難再被可控是大勢所趨。國內廠商主要聚焦應用于電信市場光纖接入和無線接入領域的中低端激光器芯片，而數通領域的高端激光器芯片尚處于起步階段，目前我國光通信芯片等半導體激光芯片擴展。主要產品包括高功率單管系列產品、高功率巴條系列構成的四大類、多系列產品矩陣，成為半導體激光行業(yè)的垂直產業(yè)鏈公司。長光華芯是全球少數研發(fā)和量產高功率半導體激光芯片的公司之一。針對半導體激光行業(yè)核心的芯片環(huán)節(jié)，公司已建成覆蓋芯片設計、外延生長、晶圓處理工藝線建成，公司在行業(yè)賽道中將處于優(yōu)勢的競爭地位。依托公司高功率半導體激光芯片的技術優(yōu)勢，公司業(yè)務橫向擴展，建立了高效率VCSEL激光芯片和高速光通信芯片兩大產品平臺。 行業(yè)深度報告31/3631/362022年公司持續(xù)加大對高功率芯片和模塊方向、VCSEL產品方向、光通信產品方向的投入。產品方面，公司高功率半導體激光芯前公司激光雷達芯片正在頭部客戶驗證和導入。同時公司持續(xù)研發(fā)光通信芯片、光公司發(fā)展戰(zhàn)略包括橫向和縱向擴展。橫向擴展方面，公司依托在高功率半導體激光芯片的研發(fā)、技術及產業(yè)化的“支點”優(yōu)勢，從高功率半導體激光芯片擴展至公司是國內領先的光芯片供應商，目前主要產品為光芯片，主要應用于電信市場、數據中心市場、車載激光雷達市場等領域。其中電信市場可以分為光纖接入、 行業(yè)深度報告32/3632/36率的DFB、EML激光器系列產品和大功率硅光光源產品，主要應用于光纖接車載激光雷達激光器芯片等產品。鍍膜、自動化芯片測試、芯片高頻測試、可靠性測試驗證等全流程自主可控的生產核心技術，擁有覆蓋芯片設計、晶圓制造、芯片加工和測試等自主生產的能力，公司的IDM模式能夠縮短產品開發(fā)周期，實現光芯片制造的自入大技術。公司兩大平臺積累了大量光芯片工藝制程技術和生產經驗，系已有產品生產的保障、未來產品升級及品類拓展的基礎。公司突破技術壁壘，積累八大技術，實現激光器芯片的性能優(yōu)化及成本降低。優(yōu)化產品性能方面，可實現激光器芯片的高速調制、高可靠性、高信噪比、高電光轉換、高耦合效率、抗反射等；降低產品