深入了解光模塊產(chǎn)業(yè)鏈及各類光器件在其中的重要應(yīng)用

光模塊行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

光模塊介紹光模塊（OpticalModules）作為光纖通信中的重要組成部分，是實現(xiàn)光信號傳輸過程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件。光模塊工作在OSI模型的物理層，是光纖通信系統(tǒng)中的核心器件之一。它主要由光電子器件（光發(fā)射器、光接收器）、功能電路和光接口等部分組成，主要作用就是實現(xiàn)光纖通信中的光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能。發(fā)送接口輸入一定碼率的電信號，經(jīng)過內(nèi)部的驅(qū)動芯片處理后由驅(qū)動半導(dǎo)體激光器（LD）或者發(fā)光二極管（LED）發(fā)射出相應(yīng)速率的調(diào)制光信號，通過光纖傳輸后，接收接口再把光信號由光探測二極管轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過前置放大器后輸出相應(yīng)碼率的電信號。光模塊行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀隨著數(shù)字化時代的到來，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備行業(yè)的發(fā)展也在逐漸加速。光模塊作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重要組成部分，也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。1.高速光模塊市場將持續(xù)擴大2023年，隨著5G時代的到來和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速推進，高速光模塊市場將持續(xù)擴大。未來，高速率光模塊將成為光模塊市場的一個重要增長點。2.光模塊的集成化發(fā)展趨勢將繼續(xù)加強未來，光模塊將會朝著更高的集成度方向發(fā)展。光模塊的集成化將成為未來光模塊行業(yè)的一個重要趨勢。通過提高集成度，可以大幅減小光模塊的體積和功耗，提高光模塊的性能和穩(wěn)定性。因此，集成光模塊將會成為未來光模塊行業(yè)的一個重要發(fā)展方向。3.智能光模塊或成為新的發(fā)展趨勢智能化是未來技術(shù)的重要發(fā)展方向，光模塊行業(yè)也不例外。未來，光模塊將不僅僅是簡單的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，而是具備更強大的智能化能力。例如，通過智能化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的自動檢測和自動修復(fù)，實現(xiàn)更快速、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。未來的光模塊的智能化發(fā)展將會進一步提升網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的智能化水平，滿足更多的應(yīng)用需求。4.模塊光纖化和數(shù)字化另一個光模塊行業(yè)的趨勢是模塊光纖化和數(shù)字化。這個趨勢的背景是，現(xiàn)在的光纖網(wǎng)絡(luò)日益普及，光模塊與光纖之間的匹配變得越來越重要。光模塊廠商不僅要提供高速率和高容量的光模塊，還要提供與各種光纖類型匹配的光模塊，這也就需要模塊的光纖化和數(shù)字化。模塊的光纖化意味著在模塊內(nèi)部嵌入光纖，使光模塊可以更好地匹配光纖，從而提高傳輸效率和減少損耗。數(shù)字化則是指將模塊中的信號數(shù)字化，提高信號的穩(wěn)定性和可靠性，同時也更易于信號的處理和傳輸。5.光模塊市場競爭將進一步加劇隨著光模塊市場的擴大和競爭的加劇，市場將更加多元化和競爭激烈?？傊饽K行業(yè)的發(fā)展趨勢涉及到許多方面，包括高速率、高容量、光纖化、數(shù)字化和綠色環(huán)保等。光模塊行業(yè)市場需求及發(fā)展趨勢“東數(shù)西算”工程擴大光模塊市場需求“東數(shù)西算”工程驅(qū)動光通信產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，有效改善時延問題，提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。光通信器件按照物理形態(tài)的不同，產(chǎn)業(yè)鏈可以分為光組件、光芯片、光器件（無源和有源）、光模塊、光通信設(shè)備。而光模塊作為光通信產(chǎn)業(yè)鏈的中游，在“東數(shù)西算”工程中承擔(dān)信號轉(zhuǎn)換任務(wù)，可實現(xiàn)光信號的產(chǎn)生、信號調(diào)制、探測、光路轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等功能。光通信將賦能千行百業(yè)，市場前景較大。根據(jù)賽迪顧問數(shù)據(jù)，產(chǎn)業(yè)鏈利潤率方面看，網(wǎng)絡(luò)運維等價值量雖然較大，但整體利潤率較低；行業(yè)主要利潤集中于光芯片等科技含量較高的環(huán)節(jié)中。目前我國高端光芯片廠商相對較少，相關(guān)國產(chǎn)企業(yè)主要集中于光模塊中。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，我國光模塊廠商全球市占率超過40%，其中上市公司中以中際旭創(chuàng)（電信為主）、光迅科技（數(shù)通為主）及新易盛（電信+數(shù)通市場）份額居前列；根據(jù)Lightcounting數(shù)據(jù)，預(yù)計2022年后，100G光模塊雖然仍是需求的主流型號，但隨著海外云廠商資本開支的不斷提升，200G/400G/800G硅光模塊預(yù)計將持續(xù)進行行業(yè)迭代，高速率光模塊出貨量或?qū)⒋蠓嵘??！皷|數(shù)西算”工程驅(qū)動光模塊需求量增長。此工程具有長距離運輸、數(shù)據(jù)中心密度提升、算力要求高的特點，帶來光模塊需求放量，同時也提高對光模塊速率的要求。根據(jù)信通院數(shù)據(jù)，預(yù)計隨“東數(shù)西算”項目的推進，光模塊市場規(guī)模有望進一步打開。光模塊行業(yè)發(fā)展趨勢隨著5G、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一輪技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，用戶對光通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更高的要求，光電子器件行業(yè)技術(shù)正處于升級革新階段，帶動光模塊行業(yè)向高速率化、集成化、智能化方向發(fā)展。1）數(shù)據(jù)中心的發(fā)展推動數(shù)通光模塊市場迅速發(fā)展。數(shù)據(jù)流量及數(shù)據(jù)交匯量的增長推動數(shù)通光模塊市場的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心市場擴容推動數(shù)通光模塊市場的發(fā)展。2）5G網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化應(yīng)用推動電信光模塊市場快速發(fā)展。5G技術(shù)推動電信光模塊市場的發(fā)展，5G市場持續(xù)擴容推動電信光模塊市場的發(fā)展。3）光纖接入推動光模塊市場快速發(fā)展。光纖接入市場持續(xù)擴容推動光模塊市場的發(fā)展，光纖升級改造推動光模塊新一輪發(fā)展。4）新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來光通信市場的發(fā)展?jié)摿?。以第五代通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、智能電網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)，正成為下一輪經(jīng)濟發(fā)展的重要推動力量，消費電子、自動駕駛、工業(yè)自動化等領(lǐng)域會伴隨著技術(shù)革新而全面爆發(fā)。在消費電子領(lǐng)域，伴隨著超高速率、超大容量、海量連接的新一代技術(shù)的發(fā)展，音頻視頻、在線游戲、3D感應(yīng)、虛擬現(xiàn)實、智能穿戴產(chǎn)業(yè)將快速發(fā)展，消費電子時代有望全面爆發(fā)。在自動駕駛、工業(yè)自動化領(lǐng)域，5G技術(shù)的超低時延、海量連接的特點，為實現(xiàn)4G技術(shù)無法實現(xiàn)的自動駕駛、工業(yè)自動化提供了可能。目前，消費電子、自動駕駛、工業(yè)自動化等新興產(chǎn)業(yè)還處于早期發(fā)展階段，隨著新一代信息技術(shù)的加速演進及應(yīng)用，有望迎來全面爆發(fā)。光模塊作為通信領(lǐng)域的基本構(gòu)成單元，有望同步迎來爆發(fā)式增長。據(jù)FROST&SULLIVAN統(tǒng)計，全球光模塊市場規(guī)模從2015年的75.1億美元增長到2020年的105.4億美元，年復(fù)合增長率約為7.0%，預(yù)計至2024年有望達到138.2億美元。其中數(shù)通市場的增速高于電信市場，數(shù)通市場光模塊市場規(guī)模由2015年的31.5億美元增長到了2020年的54.2億美元，年復(fù)合增長率為14.5%，占比由2015年的41.9%提高至2020年的51.4%。由于下游5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求將持續(xù)增加，電信市場和數(shù)通市場的光模塊將繼續(xù)增長，數(shù)通市場受益于數(shù)據(jù)中心建設(shè)，增速更快，電信市場受制于電信運營商本身的發(fā)展戰(zhàn)略，對光模塊的需求相對穩(wěn)定。預(yù)計至2024年全球光模塊在數(shù)通市場、電信市場的應(yīng)用比例分別為61%、39%。預(yù)計至2026年全球光模塊市場規(guī)模達209億美元。據(jù)Yole統(tǒng)計，2020年全球光模塊市場規(guī)模達96億美元，其中電信市場43億美元，占比45%，數(shù)通市場53億美元，占比55%。隨著5G商用時代的來臨，在高數(shù)據(jù)速率模塊應(yīng)用、大型云服務(wù)和國家電信運營商推動的驅(qū)動下，光模塊市場將進入新的增長周期，據(jù)Yole預(yù)測2026年光模塊市場產(chǎn)生的收入有望達到209億美元，2020-2026年的整體復(fù)合年增長率預(yù)計為14%；其中電信市場收入規(guī)模為58億美元，2020-2026年復(fù)合年增長率為5%，數(shù)通市場收入規(guī)模為151億美元，2020-2026年復(fù)合年增長率為19%。光模塊行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈光通信產(chǎn)業(yè)鏈光通信通常指光纖通信，即以光作為信息載體的通信方式，是現(xiàn)代通信的支柱之一，主要應(yīng)用為電信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和數(shù)據(jù)通信/云計算領(lǐng)域。光通信(OpticalCommunication)是以光作為信息載體，以光纖作為傳輸媒介的通信方式。相比于傳統(tǒng)的電通信，光通信具有巨大傳輸帶寬、極低傳輸損耗、較低成本和高保真等優(yōu)勢，光通信系統(tǒng)作為信息基礎(chǔ)設(shè)施，在世界上得到了充分發(fā)展和大量應(yīng)用。光通信產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游光學(xué)材料與器件、中游光模塊與設(shè)備、下游業(yè)務(wù)應(yīng)用。整個光通信產(chǎn)業(yè)鏈從材料及元器件制造開始，由光通信材料與基礎(chǔ)元器件廠商制造晶體、芯片等元件，再通過激光器、探測器等制造商將各類基礎(chǔ)元器件與芯片整合為光模塊；繼而由通信設(shè)備廠商將各種光器件與模塊集成為通信設(shè)備；最后電信運營商等采購?fù)ㄐ旁O(shè)備進行組網(wǎng)工作，為終端用戶提供通信服務(wù)。光模塊行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈光模塊的功能是進行光電和電光的轉(zhuǎn)換，是光通信設(shè)備最重要的組成部分，光模塊是光通信的核心環(huán)節(jié)，也是光世界與電世界的互連通道。光模塊由發(fā)送單元、傳輸單元和接收單元三部分組成。發(fā)送單元輸入一定功率的電信號，經(jīng)過內(nèi)部驅(qū)動芯片處理后由驅(qū)動激光器或者發(fā)光二極管發(fā)射出相應(yīng)功率的調(diào)制光信號，并通過光纖進行傳輸，接收端再把光信號由光探測二極管轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)過前置放大器后輸出相應(yīng)功率的電信號。光模塊行業(yè)的上游包括光芯片、光器件、電芯片等構(gòu)成。光器件行業(yè)的供應(yīng)商較多，但高端光器件目前仍主要由國外供應(yīng)商提供。光模塊行業(yè)下游主要是包括電信運營商、互聯(lián)網(wǎng)及云計算企業(yè)等，光模塊產(chǎn)品的運用領(lǐng)域涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、電信市場等行業(yè)。隨著數(shù)字經(jīng)濟、光纖入戶場景的不斷拓展，光通信器件產(chǎn)品下游需求越來越高。另外，隨著流量增長和技術(shù)升級，各類場景對中游成品光模塊的速率要求不斷增加，光模塊產(chǎn)品速率提升趨勢顯著，迭代也不斷加速，為滿足日益增長的光通信器件需求，我國已逐步形成了完善的光模塊產(chǎn)業(yè)鏈體系。光模塊的結(jié)構(gòu)分析光模塊遵循芯片—組件(OSA)—模塊的封裝順序。激光器芯片和探測器芯片通過傳統(tǒng)的TO封裝形成TOSA及ROSA，同時將配套電芯片貼裝在PCB，再通過精密耦合連接光通道和光纖，最終封裝成為一個完整的光模塊。新興的主要應(yīng)用于短距多模的COB采用混合集成方法，通過特殊的鍵合焊接工藝將芯片貼裝在PCB上，采用非氣密性封裝。光模塊的上游主要為光芯片和無源光器件，下游客戶主要為電信主設(shè)備商、運營商以及互聯(lián)網(wǎng)&云計算企業(yè)。因此，光模塊具有廣泛和不斷增長的市場空間。光模塊封裝技術(shù)路徑光模塊按封裝方式可分為QSFP、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CXP、SFP、CSFP、SFP+、GBIC、XFP、XENPAK、X2、SFF等多個類型。其中SFP、QSFP具有高性能低功耗優(yōu)勢，成為目前大規(guī)模使用的產(chǎn)品。光模塊速率可分為1Gbps、2.5Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、50Gbps、100Gbps、200Gbps、400Gbps、800Gbps等型號。按速率市場分層，低速率光模塊需求量最大，可用于寬帶用戶、服務(wù)器、企業(yè)網(wǎng)絡(luò)接入；越高速率光模塊需求量越小，主要用于運營商、數(shù)據(jù)中心的長距離通信。目前100G/400G高數(shù)據(jù)速率光模塊需求的不斷增長將協(xié)同帶動QSFP、QSFP-DD、OSFP光模塊市場的增長。按光纖接入類型光模塊可分為單模光模塊和多模光模塊。多模光模塊的傳輸距離較短，通常在500米至2000米，單模光模塊的傳輸距離較遠，通常在10千米至160千米。隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)流量的快速增長，對光模塊的性能指標(biāo)要求越來越高，數(shù)據(jù)速率、傳輸距離、功耗、體積成為重要的考量指標(biāo)。目前光電元器件朝著高速率、寬頻譜、小損耗、低功耗、高靈敏度、短時延、弱非線性、高集成度、小尺寸、低價格、硅光子的方向不斷完善。光模塊的應(yīng)用領(lǐng)域光模塊目前主要應(yīng)用市場包括數(shù)通市場、電信市場和新興市場，其中數(shù)通市場是光模塊增速最快的市場，目前已超越電信市場成為第一大市場，是光模塊產(chǎn)業(yè)未來的主流增長點。電信市場是光模塊最先發(fā)力的市場，5G建設(shè)將大幅拉動電信用光模塊需求，新興市場包括消費電子、自動駕駛、工業(yè)自動化等市場，是未來發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮氖袌?。光模塊下游主要應(yīng)用于電信承載網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)三大場景。電信承載網(wǎng)和接入網(wǎng)同屬于電信運營商市場，其中波分復(fù)用(xWDM)光模塊主要用于中長距電信承載網(wǎng)，光互聯(lián)(Opitcalinterconnects)主要用于骨干網(wǎng)核心網(wǎng)長距大容量傳輸，而接入網(wǎng)市場是運營商到用戶的“最后一公里”，包括光纖到戶無源光網(wǎng)絡(luò)(FTTHPON)、無線前傳(Wireless)等應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)市場主要包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)、企業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)等場景。根據(jù)LightCounting預(yù)測，2018年全球光模塊市場規(guī)模約60億美元，其中電信承載網(wǎng)市場規(guī)模17億美元，每年以15%的速度增長，接入網(wǎng)市場規(guī)模約12億美元，年增長率約11%，而數(shù)據(jù)中心和以太網(wǎng)市場規(guī)模已達30億美元，未來5年復(fù)合增長率達19%。?電信市場：主要應(yīng)用于基站/PON/WDM/OTN/交換機/路由器等設(shè)備，根據(jù)Yole預(yù)測，2020~2025年CAGR大約為5.3%。?數(shù)據(jù)中心市場（數(shù)通市場）：主要應(yīng)用服務(wù)器/架頂交換機/核心交換機等設(shè)備，根據(jù)Yole預(yù)測，2020~2025年CAGR將超過25%。光芯片和電芯片是光模塊的核心部件光芯片是光模塊中完成光電信號轉(zhuǎn)換的直接芯片，又分為激光器芯片和探測器芯片。激光器芯片發(fā)光基于激光的受激輻射原理，按發(fā)光類型，分為面發(fā)射與邊發(fā)射:面發(fā)射類型主要為VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），適用于短距多模場景；邊發(fā)射類型主要為FP(法布里-珀羅激光器)、DFB(分布式反饋激光器)以及EML(電吸收調(diào)制激光器)，F(xiàn)P適用于10G以下中短距場景，DFB及EML適用于中長距高速率場景。EML通過在DFB的基礎(chǔ)上增加電吸收片(EAM)作為外調(diào)制器，目前是實現(xiàn)50G及以上單通道速率的主要光源。探測器芯片主要有PIN(PN二極管探測器)和APD(雪崩二極管探測器)兩種類型，前者靈敏度相對較低，應(yīng)用于中短距，后者靈敏度高，應(yīng)用于中長距。電芯片一方面實現(xiàn)對光芯片工作的配套支撐，如LD(激光驅(qū)動器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路)，一方面實現(xiàn)電信號的功率調(diào)節(jié)，如MA(主放)，另一方面實現(xiàn)一些復(fù)雜的數(shù)字信號處理，如調(diào)制、相干信號控制、串并/并串轉(zhuǎn)換等。還有一些光模塊擁有DDM(數(shù)字診斷功能)，相應(yīng)的帶有MCU和EEPROM。電芯片通常配套使用，主流芯片廠商一般都會推出針對某種型號光模塊的套片產(chǎn)品。發(fā)射端，電信號通過CDR、LD等信號處理芯片完成信號內(nèi)調(diào)制或外調(diào)制，驅(qū)動激光器芯片完成電光轉(zhuǎn)換;接收端，光信號通過探測器芯片轉(zhuǎn)化為電脈沖，然后通過TIA、MA等功率處理芯片調(diào)幅，最終輸出終端可以處理的連續(xù)電信號。光芯片和電芯片配合工作實現(xiàn)了對傳輸速率、消光比、發(fā)射光功率等