通信设备行业深度报告：光模块系列深度（一）：光电之门踏浪前行

通信设备77%58%38%19%0%-19% 2022-092023-012023-05数据来源：聚源光模块系列深度（一光电之门，踏浪前行——行业深度报告AI大模型引算力芯片供不应求，为高端光模块带来显著需求增益。根据我高速率光模块占比呈提升趋势，带动头部厂商盈利改善。目前200G/400G/800G中心上，在光通信向高速率发展的趋势下，需 行业深度报告2/2/361、光模块景气度正逢周期拐点，五大因素筛选优质α 41.1、从下游市场现状推断光模块β进入上行周期 41.2、五大因素筛选优质α：企业的核心竞争力 2、乘AI之风，高端高速率光模块扬帆起航 2.1、AIGC蓬勃发展是光模块需求增益的重要源泉 2.2、800G光模块东风已至，有望拉动云厂商资本支出 2.3、“新封装+新材料+新技术”周期的交织 222.3.1、新封装：CPO降耗降本，前景可期 222.3.2、新材料：薄膜铌酸锂在调制器中优势显著 242.3.3、新技术：硅光子技术 263、投资建议 273.1、光模块龙头厂商 273.2、核心光器件供应商 304、风险提示 34图1：近20年全球数据中心行业发展呈现“四中心三拐点”的特征 4图2：我国数据中心市场规模（亿元） 5图3：不同场景下的异构算力需求 6 6图5：中国智能算力规模（EFLOPS）有望维持高增长 6图6：预计2020-2025年全球计算设备算力总规模CAGR达50.4%（EFLOPS） 6图7：数据中心“东西向”流量占主导 6图8：传统三层网络结构和两层叶脊结构的区别 6图9：数据中心交换芯片吞吐量演进趋势 7图10：“布局集群化”趋势下超大型IDC占比不断提升 8图11：2022年以来400G数通光模块加速部署 8图12：我国网络基站建设情况（万个） 9图13：影响光模块收入增速的相关性因素（坐标左轴代表收入增速，右轴代表其他） 图14：400G以太网光模块销售（$M）或将步入放量阶段 图15：光模块原材料成本结构中光芯片占比高 图16：美国算力规模占据全球第一 图17：中际旭创海外光模块毛利率显著高于国内 图18：2022年全球公有云IaaS市场竞争格局集中 图19：2020年全球通信网络设备市场竞争格局集中 图20：全球大模型技术发展脉络 图21：2020年以来全球大模型数量飞速增长（中美主导） 图22：传统数据中心内部网络为三层架构 图23：两层叶脊架构 图24：Facebook的五级Clos架构 图25：DGXA100有8个计算接口 图26：DGCA100两层网络架构 3/3/36图27：英伟达展示的DGXA100/H100组网架构（一个单元32个节点，256块H100） 图28：全球光模块细分市场规模（$m）及同比增速 图29：中性情形下2022-2027年前15家云计算公司的资本支出（$millions）CAGR有望达17% 图30：云计算公司资本支出与光模块厂商收入的变动具有正相关性 图31：800G网络架构下AI计算集群的上下行速率比为1:1 图32：数据中心主流光模块的升级路径带来800G需求 图33：3种800G光模块光接口架构 图34：800GSR场景方案之8x100GSR8DML/EML 20图35：800GSR场景技术方案之8x100GPSM8SiPh 20图36：800GDR/FR场景方案之4x200GPSM4EML/SiPh 20图37：800GDR/FR场景技术方案之4x200GCWDM4EML 20图38：800G光模块应用场景方案预测 21图39：不同速率DWDM模块渗透率发展趋势（按销售收入） 21图40：不同速率数据通信模块渗透率发展趋势（按销售收入） 21图41：常见的几种CPO封装方案，第三种将硅光芯片作为中阶层，电信号通过硅光芯片中的金属层互连 22图42：NPO/CPO是将交换芯片和光引擎进行封装的技术 23图43：封装的目的是缩短距离，保证高速信号的高质量传输，满足系统的误码率要求 23图44：预计到2028年CPO全面部署 23图45：预计CPO市场规模2022-2033年复合年增长率为46% 24图46：2021-2025年全球光模块用铌酸锂调制器市场空间 25图47：铌酸锂产业链图谱 25图48：硅光子市场规模预测（US$million） 26图49：中际旭创产品矩阵 27图50：中际旭创重组后的发展历程 28图51：公司产品矩阵 29图52：公司光通信芯片系列产品种类丰富（涵盖APD/EML/DFB/PD） 31图53：公司具备技术、客户资源等六大优势 31表1：传统三层网络架构下的交换机分类 7表2：数据中心典型的光互连场景 7表3：5G中回传新型光模块潜在需求 表4：OpenAI大模型参数量及预训练数据量逐代提升 表5：模型测算不同单元数量对应的光模块数量 表6：模型测算由英伟达高端算力芯片销售带来的光模块需求增益 表7：800G光模块国内厂商布局情况 22表8：铌酸锂调制器在100G及以上长距离骨干网相干通信场景下具有优势 24表9：调制器性能对比 25表10：公司的产品矩阵覆盖了广泛的下游领域 29表11：公司产品矩阵种类丰富，涵盖多种应用场景 32表12：公司在性能、成本以及生产制造方面具备技术优势 32表13：公司的产品矩阵以铌酸锂调制器件为主 33表14：重点公司盈利预测与估值 34 行业深度报告4/364/36中心领域。这两大应用场景的规模增速是影响光模块需求景气度的核心指标。（1）数据中心迎来周期向上拐点，把握一个特征两目前正由云中心向算力中心演变。数据中心产业整体发展周期呈现出“四中心三拐中心不仅为客户提供管理服务，还提供计算和存储环境。其托管的不再是客户的设大数据等新数字技术的加速发展显著驱动了数据云存储及智能算力需求的增长， 行业深度报告5/5/362021年以来数据中心增长的逻辑主要在于算力需求的扩张。从国内来看，高新新一轮资本开支增长。 行业深度报告6/6/364002000中国智能算力规模及预测同比140%120%100%80%60%40%20%图6：预计2020-2025年全球计算设备算力总规模CAGR58000522004640040600348002900023200174001160058000560002025-20302025-2030：CAGR=76.2%2020-2025：CAGR=50.4%33006153094292019202020212025E2030E全球计算设备算力总规模2019年以来数据中心呈现出“东西向流量占比高”的特征，以及“架构扁平多是客户端和服务器之间的通信。而随着分布式计算、大数据兴起，这些应用会在 行业深度报告7/7/36因此当存在大量东西向流量时，三层架构下的传输效力受限于汇聚层和核心层交换机的设备性能。表1：传统三层网络架构下的交换机分类层叶脊网络对光模块的需求相对传统网络大幅提升，同时推动高速率产品在数据中心中的应用。叶脊两层网络的优势在于低延迟、扩展性好、带宽利用率高等，同表2：数据中心典型的光互连场景25GAOC/DAC400GFR4/DR4 行业深度报告展，其作为关键性技术迭代，或成为驱动新一轮光模块需求增长的重要引擎。根据800600400200041% 37% 2018Q42019Q32020Q42021Q3全球超大型IDC个数（个）中国超大型IDC个数（个）中国超大型IDC机架占比中国超大型IDC个数占比40%上升趋势，综合导致了光模块产业进入量价齐升的周期。 行业深度报告9/9/360200920102011201220132014201520162017201820192020202120225G4G3G2G移动基站建设数量yoy50%40%30%20%10%0%4G的两级结构演化到三级结构，对光模块数量产生大规模需求。5G提供的业务具 行业深度报告400G400G着光模块需求的增速。运营商资本开支增速体现了当年对通信网络、算力网络等通信基础设施的投入力度，是反映行业景气度的核心指标。以中际旭创为例，光模块90%70%-10%201420152016201720182019201420152016201720182019202020212022旭创光通信业务收入同比三大运营商资本开支同比我国移动通信基站数量同比我国数据中心市场规模同比40%20%0%-10%-20%先发优势来源于对光通信发展趋势的前瞻性，先于市场进行产品开发布局。以2018年率先行业推出首款400GQSFP-DDFR产使用时，公司凭借先发优势（率先导入客户测300025002000150010005000-5002016201720182019202020212022E2023E2016201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E100G200G2x200G2x400G_800G_1.6T 行业深度报告芯片作为依赖于进口的光模块核心部件，影响企业生产端的产能利用率。芯片和结构件占成本的比例较高，在高端光器件中，芯片成本的占比甚至达到50%证产品良率对资本投入和工艺水平的要求很高，国内光器件企业的生产在一定程度上依赖于光芯片的进口。国际市场上Finisar、Oclaro等国外企业具集成电路芯片,光芯片及组件65.01%,光芯片及组件集成电路芯片结构件电力北美市场在全球数据中心及算力方面占据第一大份额，高性能高速率光模块的市场。高速率高性能光模块产品被最先应用于北美云厂商的业务中。因此深化北美市场布局、进入北美云厂商供应链是光模块厂图16：美国算力规模占据全球第一图17：中际旭创其他其他,中国,33%欧洲,35%30%25%20%15%10%20182019202020212022国外毛利率国内毛利率制造工艺对产品良率、功耗等具有重要影响，进而影响产品毛利率。高速光模 行业深度报告诺基亚,15.40%爱立信,思科,18.10%诺基亚,15.40%爱立信,思科,18.10%对于部分产品需要根据客户需求进行专门的工艺设计、利用专门的制造流程进其他,22%亚马逊,亚马逊,48.90%2.90%谷歌,5.60%阿里云,微软,14.40%亚马逊微软阿里云谷歌IBM其他其他,三星,华为,30.80%2.40%华为,30.80%2.40%5.60%华为华为诺基亚爱立信中兴 行业深度报告表性分支，需要强大的模型和大数据支撑，才能在多个应用场景下生成高质量的内基础设施投入需以百亿计。模型大模型的应用阶段也需要消耗大量的算力，通常大模型部署在云端，用户通过 行业深度报告4020020192020202120222023 大模型数量-其他大模型存量-美国大模型存量-中国大模型存量-其他计算节点与机柜交换机，提供数据中心与国际互联网、其他数据中心的连接。汇聚检测，网络分析等。核心层是数据中心内部各个网络之间的统一数据交换中心，交换机为进出数据中心的包提供高速的转发，为多个汇聚层提供连接性。传统的树形的总和。 行业深度报告大规模的MapReduce和数据拷贝。叶脊两层网络架构适应数据流量发展，带动叶脊架构，还有五级Clos架构，为Facebook等超大型数据中心所交换机型号和单元数量。网卡。主要包括ConnectX-6（200Gbs，配合A100）和主要搭配ConnectX6对外通讯，接（Node）有8个接口（port每个节点分别连接8台叶交换机（一台脊交换机，即需要20台脊交换机。每台脊交换机有48个下行接口，供需 行业深度报告表5：模型测算不同单元数量对应的光模块数量182456口为16个，连接16台脊交换机。因此第二层共需要16*32=512根光缆，对应 行业深度报告520/150/225万个200G/4假设2023年200G/400G/800G光模块单位售价分别为200/400/1000美元/只,2024表6：模型测算由英伟达高端算力芯片销售带来的光模块需求增益2023E2024E2023E2024E400G400G2根据Lightcounting预测，光模块的全球市场规模在2022-2027年或将以22,00020,0008,0006,0004,0002,00002016201720182019202020212022E2023E2024E2025E2026E2027EEthernetFibreChannelOpticalinterconnectsCWDW/DWDMWirelessFronthaulWirelessBackhaulFTTxyoy20%0%-5%-10%-15%云计算厂商资本支出与光模块厂商营收呈正相关性。随着云计算的高速发展，数通市场对光模块市场的影响逐渐提升，云计算厂商资本支出与光模块厂商营业收 行业深度报告050%40%30%20%10%050%40%30%20%10%bestbestcase:26%CAGRintermediate:17%CAGRworstcase:9%CAGR图30：云计算公司资本支出与光模块厂商收入的变动具201820182019202020212022E前15家云计算公司的资本支出同比国内四大光模块厂商平均营收同比数据来源：光通信观察公众号、开源证券研究所（注：四大光模根据800G的网络架构，800G光模块的应用场景主要分为SR（100m）、 行业深度报告可以在数据中心相干光模块中使用固定波长激光器，以降低成本和功耗。多模光纤成本，将成为该技术持续演进的关键因素。以硅光（SiPh）和直接调制激光器（DML）为代表的单模技术迅速发展。其中，SiPh 行业深度报告20/3620/36 行业深度报告21/3621/36在2025年及之后快速攀升。100%80%60%40%20%0%2020202120222023E2024E2025E2026E10G100G200G400G600G800G图40：不同速率数据通信模块渗透率发展趋势（按销售80%60%40%20%0%2020202120222023E2024E2025E2026E10G40G100G200G400G其他根据交换芯片的演进趋势、市场需求和技术成熟度，800G光模块或将在2024 行业深度报告22/3622/36表7：800G光模块国内厂商布局情况掉DSP芯片，大大降低在模块层面的信号已开发基于硅光子技术平台的无线前传25G硅光模块和数通400G-DR4硅光模块 行业深度报告23/3623/36图42：NPO/CPO是将交换芯片和光引擎进行封装的技术图43：封装的目的是缩短距离，保证高速信号的高质量传输，满足系统的误码率要求 行业深度报告24/3624/36铟调制器主要用在中距和长距光通信网络收发模块，铌酸锂电光调制器主要用在种超高速调制器材料平台中，近几年出现的薄膜铌酸锂调制器具备了其它材料无法全球仅有富士通、住友和光库科技三家公司可以批量供货。表8：铌酸锂调制器在100G及以上长距离骨干网相干通信场景下具有优势铌酸锂调制器铌酸锂材料具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。铌酸锂晶体光电效应多。具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能；铌酸锂晶体的性能可调控性强。这是由铌酸锂晶体的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成，锂晶体的声表面波滤波器、光调制器、相位调制器、光隔离器、电器件在电子技术、光通信技术、激光技术等领域中得到了广泛研究和实际应用。 行业深度报告25/3625/36表9：调制器性能对比3高高低低高高低8642020212022E2023E2024E2025E 行业深度报告26/3626/36硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料利用现有CMOS工艺超低功耗的双重优势。硅光子技术与传统的光器件相比具有材料成本低和砷化镓（GaAs）材料为例，属于稀有材料，成本高，且硅基材料成本低，并可利用CMOS在集成电路领域的投资、设施和成本等方面仍面临一定挑战，但基于其在成本和功耗方面的优势有望成为未来光器优势。国内外其他同业公司也在积极投入硅光子技术研发。600400200020152016201720182019202020212022202320242025SiphotonicsfordatacentersSiphotonicsforotherapplications 行业深度报告27/3627/36我们认为在行业β向上的背景下，光模块龙头厂商具有投资机会。其逻辑主要尤其是800G/硅光/相干产品，龙头厂商凭借多年的研发经验，早已在客户端进行送公司是高端光通信收发模块及光器件龙头制造商。中际旭创集高端光通信收发过全资子公司苏州旭创和控股子公司成都储翰开展。其中苏州旭创致力于高端光通线网络、电信传输和固网接入等领域。成都储翰专注于接入网光模块和光组件的生产及销售，拥有从芯片封装到光电器件到光电模块的垂直整并列第一。公司具有长远的技术前瞻性以及领先的研发能力。纵观其发展历程，公司201628/3628/36场，与谷歌等头部客户具有长期的合作关系。旭创成立初期，即在北美市场设立全资子公司InnolightTechnologyUSA相结合，2016年就已进入海外一流客户（亚马逊和谷歌等）供应成都储翰补齐5G接入网短板，同时发力数通和电信市场。公司产品矩阵完善，将产和客户验厂等工作，做好了量产前的各项准备工作，并将按计划从泰国厂量产出货400G和800G等产品。800G和相干800G硅光模块已开发成功并进入送测阶段，C经形成了以激光加工技术为重要支撑的智能制造装备业务、以信息通信技术为重要支撑的光联接、无线联接业务，以敏感电子技术为重要支撑的传感器以及激光防伪制造技术和工业激光领域全产业链优势，全面布局激光智能装备、自动化产线和智慧工厂建设，是中国最大的激光装备制造商之一。联接业务方面。公司拥有业界先进的端到端产品线和整体解决方案，具备从芯片到器件、模块、子系统全系列产品 行业深度报告29/3629/36表10：公司的产品矩阵覆盖了广泛的下游领域2.半导体激光表面切割划片设备、半导体激光隐形切割划片设联接业务方面，在光通信领域公司积极推进硅光技术、积极布局薄膜铌酸锂技术并实现全系列光模块批量交付，在5G业务领域公司启动新型光模块产品布局。在“数据中心+云计算+大数据”一体化的新型算力网络体系下，公司成功卡位头部公司核心竞争力在于全面的技术储备、产品多元化、高质量交付能力、产业链30/3630/36结构和可靠性七大技术平台；公司具备先进的封装技术，其封装平台包括有源和无拥有从芯片、器件、模块到子系统的垂直集成能力。尤其是光芯片方面，公司拥有有助打造更加稳定的供应链，发挥各环节之间的协同效应。我们推荐关注核心器件光芯片的逻辑主要有四点：光模块速率提升，带动光芯速率的核心部件，客户粘性强、壁垒高。产品进入下游审核、验证以及小批量试用。一旦进入供应链后，很难再被可控是大势所趋。国内厂商主要聚焦应用于电信市场光纤接入和无线接入领域的中低端激光器芯片，而数通领域的高端激光器芯片尚处于起步阶段，目前我国光通信芯片等半导体激光芯片扩展。主要产品包括高功率单管系列产品、高功率巴条系列构成的四大类、多系列产品矩阵，成为半导体激光行业的垂直产业链公司。长光华芯是全球少数研发和量产高功率半导体激光芯片的公司之一。针对半导体激光行业核心的芯片环节，公司已建成覆盖芯片设计、外延生长、晶圆处理工艺线建成，公司在行业赛道中将处于优势的竞争地位。依托公司高功率半导体激光芯片的技术优势，公司业务横向扩展，建立了高效率VCSEL激光芯片和高速光通信芯片两大产品平台。 行业深度报告31/3631/362022年公司持续加大对高功率芯片和模块方向、VCSEL产品方向、光通信产品方向的投入。产品方面，公司高功率半导体激光芯前公司激光雷达芯片正在头部客户验证和导入。同时公司持续研发光通信芯片、光公司发展战略包括横向和纵向扩展。横向扩展方面，公司依托在高功率半导体激光芯片的研发、技术及产业化的“支点”优势，从高功率半导体激光芯片扩展至公司是国内领先的光芯片供应商，目前主要产品为光芯片，主要应用于电信市场、数据中心市场、车载激光雷达市场等领域。其中电信市场可以分为光纤接入、 行业深度报告32/3632/36率的DFB、EML激光器系列产品和大功率硅光光源产品，主要应用于光纤接车载激光雷达激光器芯片等产品。镀膜、自动化芯片测试、芯片高频测试、可靠性测试验证等全流程自主可控的生产核心技术，拥有覆盖芯片设计、晶圆制造、芯片加工和测试等自主生产的能力，公司的IDM模式能够缩短产品开发周期，实现光芯片制造的自入大技术。公司两大平台积累了大量光芯片工艺制程技术和生产经验，系已有产品生产的保障、未来产品升级及品类拓展的基础。公司突破技术壁垒，积累八大技术，实现激光器芯片的性能优化及成本降低。优化产品性能方面，可实现激光器芯片的高速调制、高可靠性、高信噪比、高电光转换、高耦合效率、抗反射等；降低产品