光模块-系列报告之二：AI算力时代光模块新技术演进路径

从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局光模块产品升级迭代路线：小型化、高速率、低功耗不断升级。数据中心侧：随着数据流量爆发与下游应用的丰富，带动高速光模块速率的持续升级，当前全球主要玩家800G进入产品向高速率升级，驱动多种技术路线变革。心进一步向大型化、集中化转变，将带动高速率及中长距离光模块的快速发展。目前全球主要的云厂商已在数据进而导致整体成本提升，驱动更高速率光模块的多种技术演进。图表1：光模块发展趋势图表2：光模块封装形资料来源：RF技术社区、长城证券产业金融研究院资料来源：CPOCPO：AI算力下高效能比方案大模型时代催生高算力需求大模型时代催生高算力需求大模型时代带来高算力需求，降低功耗将为超算厂商带来竞争优势。据openAI测算，自2012年以来，全球头部AI模型训练算力需求3度高达10倍。高算力需求会带来功耗上的提高，超算厂商的成本也会随之上升。因此，在算力需求快速提升的背图表3：大模型时代算力需求资料来源：《COMPUTETRENDSACROSSERASOFMACHINELEARNING》、长城证券产业金融研究院图表5：CPO交换机示意图图表5：CPO交换机示意图根据AyarLabs数据，以32×100Gbps为例，现在所使用的交换机功耗436W，而CPO交换机通过共同封装大幅度缩短电连接，功耗仅230W。资料来源：CNDS、易飞扬通信、长城证券产业金融研究院CPO技术：光电一体封装，大幅降低功耗CPO技术具有低功耗、高性能、高质量、高传输的优势随着5G时代高带宽的计算、传输、存储的要求，以及硅光技术的成熟，板上和板间也进入了光互联时代，通道数也大图表图表4：CPO缩短距离后保持高质量传输传统的连接方式，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模块。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过SerDes通道，送到网络交换芯CPO是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。资料来源：锐捷官网、长城证券产业金融研究院CPO的低功耗或将成为AI高算力下高效能比方案：2）体积/传输质量：满足超高算力后光模块数量过载问题。同时将光引擎移至交换芯片附近，降低传输距离，一方面CPO出货量从800G开始，未来市场空间广阔CPO出货量从800G开始，未来市场空间广阔CPO发展目前处于起步阶段，未来市场空间广阔。LightCounting认为，CPO出货量预计将从800G和1.6T端口开始，于2024至2025年开始商用，2026至2027年开始规模上量，主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。CIR预计到2027年，共封装光学的市场收入将达到资料来源：中际旭创2022年年报、CIR《MarketsforCo-Packagedoptics2022-2030》、长城证券产业金融研究院资料来源：中际旭创2022年年报、Yole、长城证券产业金融研究院全球CPO端口的销售量将从2023年的5万增长到2027年的450万。2027年，CPO端口在800G和1.6T出货总数中占比接近30%。Yole报告数据显示，2022年CPO市场产生的收入达到约3800万美元，预计2033年将达到亿美元，2022-2033年复合年增长率为46%。CPO应用于超大型云服务商数通短距场景，有效解决高速率高密度互联传输CPO应用于超大型云服务商数通短距场景，有效解决高速率高密度互联传输CPO将有效解决高速高密度互联传输。LightCounting在2022年12月报告中称，AI对网络速率的需求是目前的10倍以上，在这一背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%，将有效解决高速高密度互联传输场景。CIR表示，基于CPO的设备最初将用于超大规模数据中心，此外，CPO预计将在一年左右的时间进入其他类型的数据中心，未来将进一步在边缘和城域网络、高性能计图表8：国内CPO厂商布局情况当前技术/产品进展和800G硅光模块已开发成功并进入送测阶段，C器件等核心产品方面持续深耕模块产品型号实现全覆盖，50GPON光模块、8通硅光模块和CPO产品正在研发中积极开发下一代数据中心用硅光模块以及下一代无线公司已经加入多个国际标准组织参与NPO/CPO的技术加大硅光集成技术的研发投入力度，建立高水平的高器件、室内光缆和线缆材料等横向、纵向产业布局资料来源：中际旭创2022年报、天孚通信2022年报、博创科技2022年报、联特科技2022年报、仕佳光子2022年报、长城证券产业金融研究院发展历程：铌酸锂材料已有百年研究过程发展历程：铌酸锂材料已有百年研究过程铌酸锂材料的研究已经接近100年，可以划分为三个阶段：第一阶段（1928-1965年）：国外对铌锂结构特性开展初步研究；1937年，Sue等实验合成了铌酸锂，未引起广泛关注；直至1949年，美国Bell实验室的Matthias和Remeika发现其高温铁电特性法成功生长出厘米级铌酸锂晶体；1965年，Bell实验室的Nassau和LevinstAbrahams等建立新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型，一直沿用至今。）：1964-1967年，美国Bell实验室对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开第三阶段（1970年至今）：我国从1970年代开始铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。1980年，南开大学与西南技术物理所合作发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能，该晶体被称为“中国之星”；同年，南京大学突破了周期极化首次对铌酸锂结构特性开展初步研究实验合成了铌酸锂成功生长出厘米级铌酸锂晶体找到制备单畴铌酸锂的方法，建立新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开展一系列研究对铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能，突破了周资料来源：康冠光电官网、长城证券产业金融研究院资料来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院铌酸锂晶体性能优异，在调制器制备方案中优势明显资料来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院铌酸锂晶体性能优异，在调制器制备方案中优势明显铌酸锂晶体具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。1）铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、声光效应等多种光电性能；2）铌酸锂晶体的性能可调控性强，是由铌酸锂的晶格结构和丰富的缺陷结构所造成，铌酸锂晶体的诸多性能可以通4）光透过范围宽，具有较大的双折射，而且容易制备高质量的所以基于铌酸锂晶体的声表面波滤波器、光调制器、相位调制器、光隔离器、电光调a开关等光电器件在电子技术、当前有三种电光调制器制备方案，铌酸锂性能优势明显，能够充分满足传输距离长、容量大的需求。工艺成熟等优点。同时，传输距离长达100公里以上，容量超过100G，在10图表10：三种主要调制器方案对比用熟薄膜铌酸锂技术方案新突破，体积显著变小，利于实现高度集成薄膜铌酸锂技术方案新突破，体积显著变小，利于实现高度集成铌酸锂方案虽有性能优势，但也存在不足。1）性能提升空间：受限于铌酸锂材料中的自由载流子效应，传统铌酸锂基光电调制器信号质量、关键性能参数的提升逐渐遭遇瓶颈，且与CMOS工艺不兼容。3）成本及价格问题：铌酸锂调制器价格数倍于磷化薄膜铌酸锂调制器不仅继承了铌酸锂材料的性能优势，而且在体积、成本等方面有所改善。1）薄膜铌酸锂调制器在性能和性价比上得到新的提升，在保留铌酸锂调制器原有的性能优势的同时使带宽获得2）尺寸显著变小，解决了体材料铌酸锂体积较大难以集成的问题，可以实现高度集成；3）随着尺寸的减小也使单位面板传输密度大大提高，成本方面有进一步下降的空间。图表11：磷化铟与传统铌酸锂调制器对比资料来源：光纤在线、长城证券产业金融研究院资料来源：光纤在线、长城证券产业金融研究院薄膜铌酸锂潜在市场空间接近百亿铌酸锂晶体市场稳步增长，铌酸锂调制器2024年潜在市场规模或近百亿级。l全球铌酸锂晶体市场稳步增长，2022年市场规模达1.46亿美元。光学级是铌酸锂晶体的主要类型，260%。根据QYReseach数据，2016年全球铌酸锂晶体市场营收为1.24亿美元（约8亿元），预计2022年达到1.46亿美元（约10亿元），CAGR为2.26％。其中，光学级是铌酸锂晶体的主要类型，2016年全球光学级铌酸锂晶体销售收入约0.75亿美元，约占全球销售收入的60％。l薄膜铌酸锂调制器2024年潜在市场规模或近百亿级。随着高速相干光传输技术不断从长途/干线下沉到区域/数据中心等领域，用于高速相干光通信的数字光调制器需求将持续增长，2024年全球高速相干光调制器出货量将达到200万端，按照每个端口平均需要1～1.5个调制器，若薄膜铌酸锂调制器体渗透率可达50%，对应的市场空间约145.53124.48124.482016资料来源：QYResearch、长城证券产业金融研究院全球高速相干光调制器出货量/万200每个端口所需调制器/个1调制器总数/万个薄膜铌酸锂售价（美元/个）薄膜铌酸锂市场空间/亿元资料来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院薄膜铌酸锂材料：相干下沉应用打开薄膜铌酸锂的应用空间薄膜铌酸锂材料：相干下沉应用打开薄膜铌酸锂的应用空间相干光传输技术开始从骨干网下沉，铌酸锂调制器有望迎来较大的发展机遇。磷化铟，薄膜铌酸锂调制器具备其它材料无法比拟的带宽优势。应用场景方面，在流量爆发式增长提升传输距离和容量要求的大背景下，相干光传输技术开始从骨干网相干光通信领域的铌酸锂调制器有望迎来较大的发展机遇。相干下沉应用打开薄膜铌酸锂的应用空间。电信侧，相干技术从过去的骨干网（>1000km）下沉到城域网（100~1甚至边缘接入网（<100km数据中心侧，相干技术已定的调制方式，可以实现超高容量和超远距离的信息传图表15：2022年及2023年Q1薄膜铌酸锂相关厂商布局情况当前技术/产品进展发生产能力，积极推动LPO相关项目的进展，资料来源：光库科技2022年报、新易盛2023投资者调研、长城证券产业金融研究院硅光技术：具有集成度高、成本下降潜力大、波硅光技术：具有集成度高、成本下降潜力大、波资料来源：前瞻产业研究院、长城证券产业金融研究院APD接收器硅光技术资料来源：前瞻产业研究院、长城证券产业金融研究院APD接收器硅光技术硅光技术演进路线及应用硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行》程，》》程，》资料来源：讯石光通讯网、长城证券产业金融研究院硅光技术凭借在功耗、成本、结构、集成等多个方面的突出优势，被誉为“突破摩尔定律曙光出现”，但当前世界范围内硅光技术在光开关、光波导、硅基探测器(Ge探测器)及光调制器(SiGe调制器)等已实现了突破情况下，却仍处于简化工艺流程提升效率的第二阶段向第三阶段的进化期。制器件及APD接收器等。不过由于产业尚处于起步阶段，业内并未出现权威的行业规范与技术标准，各主流厂商采用硅光技术设计生产元器件时采用的技术路线不尽相同，最终的技术方案还有待优化完善。件资料来源：南智光电官网、长城证券产业金融研究院列列资料来源：南智光电官网、长城证券产业金融研究院列列列++列+++片当下是混合集成，单片集成是未来技术发展方向。l硅光的混合集成方案主要包括激光器直接放置技术和晶圆预先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面，通过焊球完成电连接，实现光源与硅光波导器件的混合集成。晶圆键合技术是将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方，由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路，完成片上光源与硅光子芯片的混合集成。l单片集成方案主要指硅上异质外延III-V材料激光器。与混合集成光源相比，单片集成方案最主要的优1、硅芯片上的光子晶体结构可降低光速，光学数据缓冲存储成为可能。2、全光逻辑控制器件的突破，将帮助实现全光网络交换系统的到来。3、在硅基光子器件中实现单光子探测，将推动量子通信的发展。4、硅基光子技术在液晶显示领域的应用，有望进一步推动微投影技术的发展，催化新的信息显示模式。+++资料来源：讯石光通讯网、电子说、长城证券产业金融研究院资料来源：讯石光通讯网、电子说、长城证券产业金融研究院硅光方案具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势硅光方案具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势。“以光代电”是硅光技术出现的关键思路，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术是利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，具有集成度高特点，并表现出成本、波导传输性能等方面的优势。l集成度高：硅光子技术以硅作为集成芯片的衬底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的CMO艺制作光器件。与传统方案相比，硅光子技术具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的l成本下降潜力大：传统的GaAs/InP衬底因晶圆材料生长受限，生产成本较高。近年来，随着传输速率的进一步提升，需要更大的三五族晶圆，芯片的成本支出将进一步提升。与三五族半导体相比，硅基材料成本较低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。l波导传输性能优异：硅的禁带宽度为1.12eV，对应的光波长为1.1μm。因此，硅对于1硅光方案产业化面临设计架构、制造工艺、封装、配套器件等难题硅光方案产业化面临设计架构、制造工艺、封装、配套器件等难题硅光方案产业化面临设计架构、制造工艺、封装、配套器件等难题。难度大，尤其是波导制备还很难完成;混合集成的成本与设计难度仍然不小。从而影响到良品率与制造成本。硅光模块的低成本优势或许会使得其成为数据中心网络向400G升级的主流产品。硅光模块在高速率传输网中优势明显，需求增速将高于传统光模块硅光模块在高速率传输网中优势明显，需求增速将高于传统光模块硅光模块市场空间广阔，未来在高速光模块市场占有率将达到60%以上。模块市场景气度将迅速提升，预计到2025年市场规模将达到180亿美元左右。硅光模块在高速率传输网中优模块市场规模的复合增长率分别达到95.9%、37.3%。新思界产业研究中心认为，2020年全球硅光普及率较低，仅为15%左右，在5G与数据中心行业拉动下，预计到2025年其市场普及率将达到45%左右，其中，在高速光模块市场中占有率更高，将达到60%以上。图表20：2016-2025年硅光模块市资料来源：电子发烧网、Yole、长城证券产业金融研究院图表21：2020-2025年硅光模块市场份额（%）资料来源：新思界产业研究中心、长城证券产业金融研究院资料来源：中际旭创2022年报、博创科技2022年报资料来源：中际旭创2022年报、博创科技2022年报、新易盛2022年报、华工科技2022年报、源杰科技2022年报、长城证券产业金融研究院硅光技术应用场景及相关厂商布局硅光技术应用场景及相关厂商布局数据中心、5G承载网、光传感等市场将为硅光打开增长空间。传统的可插拔光模块在性价比及功耗方面难有进步空间，而高2）在5G承载网市场中，5G前传是硅光技术的又一市场增长点，Intel已针对5G前传发布具有扩展工作温度范围的100G收发器，支持在-40℃~85℃的工作温度范围内通过单模光纤实现10km链路。3）光传感领域硅光发展潜力巨大，现阶段来看，面向自动驾驶的激光雷达硅光芯片以及面向消费者健康监测及诊断的硅光芯片将是重要增长点。图表22：国内硅光厂商布局情况股票名称代码当前技术/产品进展布局方向800G和相干系列产品等已实现批量出货，1.6T光模块和800G硅光模块已开发成功并进入送测阶段，CPO技术和3D封装技术也在研发中进一步加大800G、1.6T及以上高速率光模光模块、硅光和相干等技术研究博创科技10GPON光模块系列型号持续扩充，数据中心用400G模块产品型号实现全覆盖，50GPON光模块、800G数通硅光模块和CPO产品正在研发中积极开发下一代数据中心用硅光模块以及下一代无线传输网用光模块新易盛在800G光模块产品已实现批量出货、成功推出基于硅光解决方案的400G光模块产品、400GZR/ZR+相干光模块产品进一步加强数据中心运用领域相关新产品新技术的研发生产能力，积极推动LPO相关项目的进展，力争在LPO相关产品的竞争中占得先机华工科技100G/200G/400G全系列光模块批量交付，800G硅光模块已于2022年第三季度正式推出市场积极推进硅光技术应用，布局薄膜铌酸锂技术及下一代光电合封技术源杰科技具备量产能力立足“一平台、两方向、三关键”的战略部署，继续深耕光芯片行业，着力提升高速率激光器芯片产品的研发能力LPOLPO：成本优势突出，满足AI计算中心线短距、大LPO技术方案：大幅减少系统功耗与时延相较DSP方案，LPO可大幅度减少系统功耗和时延，但只适用于短距传输。lLPO(Linear-drivePluggableOpticsCDR或DSP的设计方案。延迟提升（功耗相较DSP可下降接近50%），但是系统误码率和传输距离有所牺牲，LPO只适用于特定短距离应用场景，如：数据中心服务器到交换机的链接，但未来可能会用于500m以内，满足数据中心最大的l考虑到传统光模块中DSP芯片的BOM成本占比不低，LPO的低价格特性有可能在800G时图表23：光模块价值量构成资料来源：华经产业研究院、长城证券产业金融研究院图表24：LPO技术路线资料来源：EDN电子技术设计、长城证券产业金融研究院LPO具有功耗低、低延迟、低成本、可热插拔的优势。LPO具有功耗低、低延迟、低成本、可热插拔的优势。l功耗低：相比于可插拔光模块，LPO的功耗下降约50%，与C的场景，例如高性能计算中心(HPC)中GPU之间的互联。700美金，DSP芯片的成本约为50-在8%左右。l可热插拔：相比于CPO而言，LPO仍然采用可插拔模块的形式，其可靠性高，维护方便，可以利用成熟的光模块供应链，并未像CPO进行较大的封装形式革新，成为LPO方案受到关注的另一大原因。资料来源：EDN电子技术设计、长城证券产业金融研究院满足AI计算中心线短距、大宽带、低延时要求。满足AI计算中心线短距、大宽带、低延时要求。LPO技术适用于AI大模型预训练。800GLPO技术无需DSP或者CDR芯片，因此相比传统的DSP解决方案大大降低了功耗和延迟。这种低延迟传输能力非常有利于当前机器学习ML和高性能计算HPC等领域交换机之间，交换机到服务器和GPU之间的传输应用，而其系统误码率和传输距离较短的问题，在AI计算中心短距离应用场景下解决，较为适合AI大模型预训练场景，在A图表26：LPO技术方案当前技术/产品进展新易盛目前已实现基于LPO方案的800G光模块产品以及单波200Gbps技术的800G光模块公司在LPO技术领域已深入布局，在2023年3月的OFC2023期间推出了多款相关产品800G和相干系列产品等已实现批量出货，1.6T光模块和800G硅光模块已开发成功并进入送测阶段，CPO技术和3D封装技术也在研发中公司在机构调研中表示，高度重视LPO开发，组成了项目华工科技100G/200G/400G全系列光模块批量交付，800G硅光模块已于2022年第三季度正式推出市场，下一代25GPON光模块产品已与客户开展联调，50GPON启动产品布局公司拥有自主开发的硅光技术，针对CPO、LPO技术已研发立项剑桥科技块和100GZR4光模块的研发和认证，200G/Lambda1.6T高速光模块和400G/800G直驱项目的预研上实现突破公司预计在2023年7月份推出800GLPO产品仕佳光子用于激光雷达光纤激光器种子源的DFB激光器芯片，多家客户性能验证中公司的激光器芯片等产品能够配合LPO技术产品的相关功资料来源：新易盛2022年报及2023投资者调研、中际旭创2022年报及2023投资者调研、华工科技2022年报及2023投资者调研、剑桥科技2022年报及2023投资者调研、仕佳光子2022