深入了解光模块产业链及各类光器件在其中的重要应用

光模块行业现状与发展趋势

光模块介绍光模块（OpticalModules）作为光纤通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。光模块工作在OSI模型的物理层，是光纤通信系统中的核心器件之一。它主要由光电子器件（光发射器、光接收器）、功能电路和光接口等部分组成，主要作用就是实现光纤通信中的光电转换和电光转换功能。发送接口输入一定码率的电信号，经过内部的驱动芯片处理后由驱动半导体激光器（LD）或者发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，通过光纤传输后，接收接口再把光信号由光探测二极管转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。光模块行业发展现状随着数字化时代的到来，互联网行业的快速发展，网络通信设备行业的发展也在逐渐加速。光模块作为网络设备的重要组成部分，也在不断创新和发展。1.高速光模块市场将持续扩大2023年，随着5G时代的到来和数字化转型的加速推进，高速光模块市场将持续扩大。未来，高速率光模块将成为光模块市场的一个重要增长点。2.光模块的集成化发展趋势将继续加强未来，光模块将会朝着更高的集成度方向发展。光模块的集成化将成为未来光模块行业的一个重要趋势。通过提高集成度，可以大幅减小光模块的体积和功耗，提高光模块的性能和稳定性。因此，集成光模块将会成为未来光模块行业的一个重要发展方向。3.智能光模块或成为新的发展趋势智能化是未来技术的重要发展方向，光模块行业也不例外。未来，光模块将不仅仅是简单的数据传输设备，而是具备更强大的智能化能力。例如，通过智能化技术实现网络故障的自动检测和自动修复，实现更快速、更稳定的网络连接。未来的光模块的智能化发展将会进一步提升网络通信设备的智能化水平，满足更多的应用需求。4.模块光纤化和数字化另一个光模块行业的趋势是模块光纤化和数字化。这个趋势的背景是，现在的光纤网络日益普及，光模块与光纤之间的匹配变得越来越重要。光模块厂商不仅要提供高速率和高容量的光模块，还要提供与各种光纤类型匹配的光模块，这也就需要模块的光纤化和数字化。模块的光纤化意味着在模块内部嵌入光纤，使光模块可以更好地匹配光纤，从而提高传输效率和减少损耗。数字化则是指将模块中的信号数字化，提高信号的稳定性和可靠性，同时也更易于信号的处理和传输。5.光模块市场竞争将进一步加剧随着光模块市场的扩大和竞争的加剧，市场将更加多元化和竞争激烈。总之，光模块行业的发展趋势涉及到许多方面，包括高速率、高容量、光纤化、数字化和绿色环保等。光模块行业市场需求及发展趋势“东数西算”工程扩大光模块市场需求“东数西算”工程驱动光通信产业链的发展，有效改善时延问题，提高数据传输质量。光通信器件按照物理形态的不同，产业链可以分为光组件、光芯片、光器件（无源和有源）、光模块、光通信设备。而光模块作为光通信产业链的中游，在“东数西算”工程中承担信号转换任务，可实现光信号的产生、信号调制、探测、光路转换、光电转换等功能。光通信将赋能千行百业，市场前景较大。根据赛迪顾问数据，产业链利润率方面看，网络运维等价值量虽然较大，但整体利润率较低；行业主要利润集中于光芯片等科技含量较高的环节中。目前我国高端光芯片厂商相对较少，相关国产企业主要集中于光模块中。根据Yole数据，我国光模块厂商全球市占率超过40%，其中上市公司中以中际旭创（电信为主）、光迅科技（数通为主）及新易盛（电信+数通市场）份额居前列；根据Lightcounting数据，预计2022年后，100G光模块虽然仍是需求的主流型号，但随着海外云厂商资本开支的不断提升，200G/400G/800G硅光模块预计将持续进行行业迭代，高速率光模块出货量或将大幅提升。“东数西算”工程驱动光模块需求量增长。此工程具有长距离运输、数据中心密度提升、算力要求高的特点，带来光模块需求放量，同时也提高对光模块速率的要求。根据信通院数据，预计随“东数西算”项目的推进，光模块市场规模有望进一步打开。光模块行业发展趋势随着5G、云计算、大数据、物联网等新一轮技术的商业化应用，用户对光通信网络的带宽提出了更高的要求，光电子器件行业技术正处于升级革新阶段，带动光模块行业向高速率化、集成化、智能化方向发展。1）数据中心的发展推动数通光模块市场迅速发展。数据流量及数据交汇量的增长推动数通光模块市场的发展，数据中心市场扩容推动数通光模块市场的发展。2）5G网络的商业化应用推动电信光模块市场快速发展。5G技术推动电信光模块市场的发展，5G市场持续扩容推动电信光模块市场的发展。3）光纤接入推动光模块市场快速发展。光纤接入市场持续扩容推动光模块市场的发展，光纤升级改造推动光模块新一轮发展。4）新兴产业的发展带来光通信市场的发展潜力。以第五代通信网络、物联网、云计算、大数据、智能电网等为代表的新一代信息技术，正成为下一轮经济发展的重要推动力量，消费电子、自动驾驶、工业自动化等领域会伴随着技术革新而全面爆发。在消费电子领域，伴随着超高速率、超大容量、海量连接的新一代技术的发展，音频视频、在线游戏、3D感应、虚拟现实、智能穿戴产业将快速发展，消费电子时代有望全面爆发。在自动驾驶、工业自动化领域，5G技术的超低时延、海量连接的特点，为实现4G技术无法实现的自动驾驶、工业自动化提供了可能。目前，消费电子、自动驾驶、工业自动化等新兴产业还处于早期发展阶段，随着新一代信息技术的加速演进及应用，有望迎来全面爆发。光模块作为通信领域的基本构成单元，有望同步迎来爆发式增长。据FROST&SULLIVAN统计，全球光模块市场规模从2015年的75.1亿美元增长到2020年的105.4亿美元，年复合增长率约为7.0%，预计至2024年有望达到138.2亿美元。其中数通市场的增速高于电信市场，数通市场光模块市场规模由2015年的31.5亿美元增长到了2020年的54.2亿美元，年复合增长率为14.5%，占比由2015年的41.9%提高至2020年的51.4%。由于下游5G网络和数据中心的建设需求将持续增加，电信市场和数通市场的光模块将继续增长，数通市场受益于数据中心建设，增速更快，电信市场受制于电信运营商本身的发展战略，对光模块的需求相对稳定。预计至2024年全球光模块在数通市场、电信市场的应用比例分别为61%、39%。预计至2026年全球光模块市场规模达209亿美元。据Yole统计，2020年全球光模块市场规模达96亿美元，其中电信市场43亿美元，占比45%，数通市场53亿美元，占比55%。随着5G商用时代的来临，在高数据速率模块应用、大型云服务和国家电信运营商推动的驱动下，光模块市场将进入新的增长周期，据Yole预测2026年光模块市场产生的收入有望达到209亿美元，2020-2026年的整体复合年增长率预计为14%；其中电信市场收入规模为58亿美元，2020-2026年复合年增长率为5%，数通市场收入规模为151亿美元，2020-2026年复合年增长率为19%。光模块行业产业链光通信产业链光通信通常指光纤通信，即以光作为信息载体的通信方式，是现代通信的支柱之一，主要应用为电信网络领域和数据通信/云计算领域。光通信(OpticalCommunication)是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式。相比于传统的电通信，光通信具有巨大传输带宽、极低传输损耗、较低成本和高保真等优势，光通信系统作为信息基础设施，在世界上得到了充分发展和大量应用。光通信产业链可以分为上游光学材料与器件、中游光模块与设备、下游业务应用。整个光通信产业链从材料及元器件制造开始，由光通信材料与基础元器件厂商制造晶体、芯片等元件，再通过激光器、探测器等制造商将各类基础元器件与芯片整合为光模块；继而由通信设备厂商将各种光器件与模块集成为通信设备；最后电信运营商等采购通信设备进行组网工作，为终端用户提供通信服务。光模块行业产业链光模块的功能是进行光电和电光的转换，是光通信设备最重要的组成部分，光模块是光通信的核心环节，也是光世界与电世界的互连通道。光模块由发送单元、传输单元和接收单元三部分组成。发送单元输入一定功率的电信号，经过内部驱动芯片处理后由驱动激光器或者发光二极管发射出相应功率的调制光信号，并通过光纤进行传输，接收端再把光信号由光探测二极管转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应功率的电信号。光模块行业的上游包括光芯片、光器件、电芯片等构成。光器件行业的供应商较多，但高端光器件目前仍主要由国外供应商提供。光模块行业下游主要是包括电信运营商、互联网及云计算企业等，光模块产品的运用领域涵盖了互联网服务、电信市场等行业。随着数字经济、光纤入户场景的不断拓展，光通信器件产品下游需求越来越高。另外，随着流量增长和技术升级，各类场景对中游成品光模块的速率要求不断增加，光模块产品速率提升趋势显著，迭代也不断加速，为满足日益增长的光通信器件需求，我国已逐步形成了完善的光模块产业链体系。光模块的结构分析光模块遵循芯片—组件(OSA)—模块的封装顺序。激光器芯片和探测器芯片通过传统的TO封装形成TOSA及ROSA，同时将配套电芯片贴装在PCB，再通过精密耦合连接光通道和光纤，最终封装成为一个完整的光模块。新兴的主要应用于短距多模的COB采用混合集成方法，通过特殊的键合焊接工艺将芯片贴装在PCB上，采用非气密性封装。光模块的上游主要为光芯片和无源光器件，下游客户主要为电信主设备商、运营商以及互联网&云计算企业。因此，光模块具有广泛和不断增长的市场空间。光模块封装技术路径光模块按封装方式可分为QSFP、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CXP、SFP、CSFP、SFP+、GBIC、XFP、XENPAK、X2、SFF等多个类型。其中SFP、QSFP具有高性能低功耗优势，成为目前大规模使用的产品。光模块速率可分为1Gbps、2.5Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、50Gbps、100Gbps、200Gbps、400Gbps、800Gbps等型号。按速率市场分层，低速率光模块需求量最大，可用于宽带用户、服务器、企业网络接入；越高速率光模块需求量越小，主要用于运营商、数据中心的长距离通信。目前100G/400G高数据速率光模块需求的不断增长将协同带动QSFP、QSFP-DD、OSFP光模块市场的增长。按光纤接入类型光模块可分为单模光模块和多模光模块。多模光模块的传输距离较短，通常在500米至2000米，单模光模块的传输距离较远，通常在10千米至160千米。随着信息技术产业的快速发展，数据流量的快速增长，对光模块的性能指标要求越来越高，数据速率、传输距离、功耗、体积成为重要的考量指标。目前光电元器件朝着高速率、宽频谱、小损耗、低功耗、高灵敏度、短时延、弱非线性、高集成度、小尺寸、低价格、硅光子的方向不断完善。光模块的应用领域光模块目前主要应用市场包括数通市场、电信市场和新兴市场，其中数通市场是光模块增速最快的市场，目前已超越电信市场成为第一大市场，是光模块产业未来的主流增长点。电信市场是光模块最先发力的市场，5G建设将大幅拉动电信用光模块需求，新兴市场包括消费电子、自动驾驶、工业自动化等市场，是未来发展潜力最大的市场。光模块下游主要应用于电信承载网、接入网、数据中心及以太网三大场景。电信承载网和接入网同属于电信运营商市场，其中波分复用(xWDM)光模块主要用于中长距电信承载网，光互联(Opitcalinterconnects)主要用于骨干网核心网长距大容量传输，而接入网市场是运营商到用户的“最后一公里”，包括光纤到户无源光网络(FTTHPON)、无线前传(Wireless)等应用场景。数据中心及以太网市场主要包括数据中心内部互联、数据中心互联(DCI)、企业以太网(Ethernet)等场景。根据LightCounting预测，2018年全球光模块市场规模约60亿美元，其中电信承载网市场规模17亿美元，每年以15%的速度增长，接入网市场规模约12亿美元，年增长率约11%，而数据中心和以太网市场规模已达30亿美元，未来5年复合增长率达19%。✳电信市场：主要应用于基站/PON/WDM/OTN/交换机/路由器等设备，根据Yole预测，2020~2025年CAGR大约为5.3%。✳数据中心市场（数通市场）：主要应用服务器/架顶交换机/核心交换机等设备，根据Yole预测，2020~2025年CAGR将超过25%。光芯片和电芯片是光模块的核心部件光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，又分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片发光基于激光的受激辐射原理，按发光类型，分为面发射与边发射:面发射类型主要为VCSEL（垂直腔面发射激光器），适用于短距多模场景；边发射类型主要为FP(法布里-珀罗激光器)、DFB(分布式反馈激光器)以及EML(电吸收调制激光器)，FP适用于10G以下中短距场景，DFB及EML适用于中长距高速率场景。EML通过在DFB的基础上增加电吸收片(EAM)作为外调制器，目前是实现50G及以上单通道速率的主要光源。探测器芯片主要有PIN(PN二极管探测器)和APD(雪崩二极管探测器)两种类型，前者灵敏度相对较低，应用于中短距，后者灵敏度高，应用于中长距。电芯片一方面实现对光芯片工作的配套支撑，如LD(激光驱动器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(时钟和数据恢复电路)，一方面实现电信号的功率调节，如MA(主放)，另一方面实现一些复杂的数字信号处理，如调制、相干信号控制、串并/并串转换等。还有一些光模块拥有DDM(数字诊断功能)，相应的带有MCU和EEPROM。电芯片通常配套使用，主流芯片厂商一般都会推出针对某种型号光模块的套片产品。发射端，电信号通过CDR、LD等信号处理芯片完成信号内调制或外调制，驱动激光器芯片完成电光转换;接收端，光信号通过探测器芯片转化为电脉冲，然后通过TIA、MA等功率处理芯片调幅，最终输出终端可以处理的连续电信号。光芯片和电芯片配合工作实现了对传输速率、消光比、发射光功率等