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1、2022年光模块行业深度研究报告1、光模块是数通与电信网络高速互联的关键器件1.1、光模块是光通信系统核心部件之一，完成光电信号转换功能全球信息互联规模不断扩大，纯电子信息的运算与传输能力的提升遇到瓶颈，光 电信息技术正在崛起。在传统的通信传输领域，早期通过电缆进行信号传输，但 电传输损耗大、中继距离短、承载数据量小、信号频率提升受限，而光作为载体 兼有容量大、成本低等优点，商用传输领域已逐步被光通信系统替代。 光通信系统主要包括光设备（及子系统）、光纤光缆和光器件。其中光纤光缆包 括光纤和有源线缆。光设备包括电信设备和数通设备。光器件包括光芯片、有源 器件和无源器件等，光模块是光器件的一种。
2、光器件的作用是通过光电元件实现光信号的发射、接收、信号处理等功能，在光 通信产业链中占据约 18%的产业价值。如果将光通信产业链按照光器件、光设 备、光纤光缆进行产业价值的拆分，根据 2021 中国光网络大会的统计计算，光 器件作为光通信中的核心，占据 18%的产业价值。光纤光缆的产业价值为 31%、 光设备的产业价值为 51%。光模块是光通信系统的核心器件之一，由各种无源器件以及光电芯片组合封装。 光模块构成了数据中心互连、5G 承载网络和全光接入网络的基础单元，主要完 成光电/电光转换功能。近年来随着速率的逐渐提升，其在系统设备中的成本占 比不断攀升，已成为各应用领域高带宽、广覆盖、低成本
3、和低能耗的关键要素。 为完成光电/电光转换，光模块的电口端插入交换设备或者基站设备，光口端连 接光纤，帮助设备接入光网络。1.2、光模块封装方式繁多，应用场景丰富，核心部件为光电芯片光模块通常由光发射组件、光接收组件、驱动电路和光/电接口等组成，其核心 功能是电/光和光/电信号的转换，由光电芯片完成。在发送端，一定速率的电信 号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号，通过光功率自动 控制电路，输出功率稳定的光信号。在接收端，一定速率的光信号输入模块后由 光探测器转换为电信号，经前置放大器后输出相应速率的电信号。光模块的主要器件包括： 1）TOSA（Transmitter Opti
4、cal Subassembly）：实现电/ 光转换，主要包括 激光器以及相关无源器件，有 TO-CAN 、Gold-BOX 、COC 、COB 等封装形式。 2）ROSA（Receiver Optical Subassembly）：实现光/ 电转换，主要包括光探 测器（PIN 光电二极管/APD 雪崩光电二极管）以及相关无源器件，封装类型一般和 TOSA 相同。PIN 可 用于中短距离距的光模块，APD 主要应用于长距光模 块。 3）CDR（Clock and Data Recovery）：时钟数据恢复芯片，作用是在输入信号 中提取时钟信号，并找出时钟信号和数据之间的相位关系，补偿信号在走线、
5、连 接器上的损失。在高速场景需要光/电口调制模式转换的情况下需要采用 DSP 芯 片。4）LDD（ Laser Diode Driver）：将 CDR 的输出信号，转换成对应的调制信号， 驱动激光器发光。不同类型的激光器需要选择不同类型的 LDD 芯片。在短距的 多模光模块中（例如 100G SR4 ），一般来说 CDR 和 LDD 是集成在同一个芯片 上的。 5）TIA（ Transimpedance amplifier）：跨阻放大器，探测器将光信号转换为 电流信号，TIA 将电流信号处理成一定幅值的电压信号。 6）LA（Limiting Amplifier） ：限幅放大器，将跨阻放大器的信
6、号限制成等幅 的电信号，给 CDR 和判决电路提供稳定的电压信号。 7）MCU ：负责控制光模块运行，完成模块信息的监控，例如温度、电压、电路 以及功率等等，通过这些参数判断光模块的工作状况，便于光通信链路的维护。其中，光模块的核心光芯片包括激光发射芯片（通常是 TOSA 中的激光器）和接 收芯片（通常是 ROSA 中的探测器）。电芯片包括 CDR、DSP、LDD、TIA、LA 等。光模块封装方式多样化：随着光电子器件的发展和集成度的不断提高，光电器件 的性能和传输带宽逐渐增加。为应对不同使用场景，光模块实现了更高速率传输 和更小的尺寸，因此其封装方式一直以来也不断发展，持续演进。针对不同的速
7、 率和场景，可以选择 SFP+、SFP28、QSFP28、CFP2、QSFP-DD、OSFP 等多 种封装形式。电信和数通的用户可以根据网络的性能、拓扑结构和成本考量，设 计灵活的解决方案。光模块封装体积持续下降：以 CFP 系列封装类型为例，早期的 100G CFP 光模 块，通过 10 个 10G 的通道，达到 100G 的传输速率，而 100G CFP4 光模块通 过 4 个 25G 通道，实现 100G 传输，所以传输效率更高，稳定性更强。同时 CFP4 光模块的体积为 CFP 的四分之一，传输效率有明显提升，而且耗电量下降，系 统成本方面也比 CFP2 更低。目前流行的 100G Q
8、SFP28 封装小于 CFP4。整体来看，随着封装结构的变化，光模块功耗越来越低，产品体积也越来越小， 在这个过程中，光模块向着高速率、远距离、低功耗、低成本、小型化以及可热 插拔的方向去发展。光模块传输速率持续增长：从传输速率来看，早期的 90 年千兆时代的 GBIC， 到支持 10G 的 SFP，再逐步进化为 SFP+、QSFP+、QSFP28，到现在的 800G OSFP，光模块传输速率得到了数量级的提升。光模块技术进步带来传输效率不断提高：数据流量的持续增长推动了光模块传输 速度的不断升级。但是交换机端口密度的限制，要求光模块传输速度升级的同时 降低模块体积。因此，从早期的 X2 型封
9、装，到支持 800G 的 OSFP 与 QSFP-DD， 其带宽密度（数据速率/模块宽度）提升了数十倍。 光模块的技术迭代也推动了单位比特成本与能耗的不断下降，平均每四年下降一 半。如果光模块厂商不能及时推出更高速率与更小体积的新一代光模块，则会面 临产品价格下降与毛利率降低的风险。1.3、数通与电信市场是光模块的主要应用场景随着科技的飞速发展，5G、大数据、区块链、云计算、物联网以及人工智能等 应用持续推进，数据流量得到空前的增长。光纤的普及，使目前全球的通信市场 基础设施都朝着全光网络的方向发展，光通信设备的保有量越来越大，光模块的 应用随之增多。 当前光模块应用场景主要可以分为数据通信和
10、电信网络两大领域。数据通信领域 主要是指互联网数据中心以及企业数据中心。电信网络主要包括光纤接入网、城 域网/骨干网以及 5G 接入、承载网为代表的移动网络应用。数通场景：企业数据中心与互联网数据中心的主机房内放置大量网络交换机、服 务器群等，它们是综合布线和信息化网络设备的核心，也是信息网络系统的数据 汇聚中心。服务器间的连接、交换机间的连接、服务器与交换机间的连接就需要 使用光模块、光纤等传输载体来实现数据的互通。 企业与大型互联网公司是数通市场的主要终端客户，其中大型互联网公司在建设 数据中心时通常直接采购光模块。 电信场景：移动接入网侧， RRU 和 BBU 设备互联需要依赖于光模块和
11、光纤跳 线。承载网络的城域接入层、汇聚层、核心层/省内干线为实现 5G 业务的前传 和中回传功能，其中各层设备之间主要依赖光模块实现互连。固网光通信中，光纤接入、城域网、骨干网均采用光模块支撑高速连接。为了在 长距离通信中节省光纤光缆的使用量，常用到波分复用（WDM）技术。因此 CWDM 光模块和 DWDM 光模块得到广泛采用，通过外接波分复用器，将不同波长的光 信号复合在一起，通过一根光纤进行传输。 电信运营商是电信市场的主要终端客户，一般通过设备商间接采购光模块。2、5G与云计算产生新增需求，800G与硅光引领行业发展2.1、行业驱动：光模块行业受益于数字流量对光通信带宽需求的持续提升5G
12、 网络的高带宽、云计算的海量数据、AI 智能所需的高算力相互促进，深入到 各行各业之中，创造出新的用户体验、新的行业应用以及新的产业布局，极大地 促进了数据的产生以及流动。 根据爱立信的数据，全球每月数据流量在 2019 与 2020 年分别达到 180 和 230 艾字节（exabytes）。到 2026 年，该数据将增长至 2020 年的三倍以上，达到 780 艾字节。光电子、云计算技术等不断成熟，将促进更多终端应用需求出现，并对通信技术 提出更高的要求。受益于信息应用流量需求的增长和光通信技术的升级，光模块 作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。根据 LightCounting 的
13、数 据， 2016 年至 2020 年，全球光模块市场规模从 58.6 亿美元增长到 66.7 亿美 元，预测 2025 年全球光模块市场将达到 113 亿美元，为 2020 年的 1.7 倍。2.2、电信市场：千兆光纤接入与5G网络持续建设，电信光模块仍有发展空间10G PON FTTx 规模部署，向 50G PON 演进：根据 LightCounting 的数据，2020 年 FTTx 全球光模块市场出货量约 6,289 万只，市场规模为 4.73 亿美元，随着 新代际 PON 的应用逐渐推广，预计至 2025 年全球 FTTx 光模块市场出货量将 达到 9,208 万只，年均复合增长率为
14、 7.92%，市场规模达到 6.31 亿美元，年均 复合增长率为 5.93%。FTTx 光纤接入是全球光模块用量最多的场景之一，而我国是 FTTx 市场的主要 推动者。受制于电通信电子器件的带宽限制、损耗较大、功耗较高等，运营商逐 步替换铜线网络为光纤网络。目前，全球运营商骨干网和城域网已实现光纤化， 部分地区接入网已逐渐向全网光纤化演进。 PON 技术是实现 FTTx 的最佳技术 方案之一。EPON/GPON 技术采用 1.25G/2.5G 光芯片，10G PON 已经规模部署。随着接 入带宽需求不断攀升，接入网容量持续增长，未来 510 年光接入网的发展目标 是每户接入速率提升至 110G
15、b/s。而未来 5G 的全面部署，以及 5G 小站等新 场景，基于 PON 架构的 5G 承载因具备大幅节省主干光纤等优点，成为备选方 案之一。因此，有线及无线接入网均存在对超 10G 光接入技术实现方案的潜在需求。因此 10G PON 未来存在平滑演进需求，单波 50G PON 技术将是国内接 入网高速技术演进的主要方向。50G PON 是 ITU-T 正在制定的下一代 PON 标准，光接口参数指标定义部分已基 本完成。单波长支持上下行 50Gb/s 速率、相比 10G PON 带宽可提升 5 倍。50G PON 沿用 TDM PON 机制，支持现网已部署的 ODN 基础设施，满足 10G
16、PON 的平滑演进；同时，考虑到智能新业务特性需求，在低时延、切片、节能和可靠 性方面进行了扩展。5G 商业化开启拉动光模块需求：根据 LightCounting 的数据，全球电信侧光 模块市场前传、中传、回传和核心网的波分市场需求将持续上升，2020 年分别 达到 8.21 亿美元、2.61 亿美元和 10.84 亿美元，预计到 2025 年，将分别达到 5.88 亿美元、2.48 亿美元和 25.18 亿美元。电信市场的持续发展，将带动电信 侧光模块需求的增加。根据 GSA 的统计，目前全球范围内，正在投资 5G 的运营商已经覆盖到了 145 个国家/地区，运营商数量更是达到了庞大的 48
17、7 家。而正式推出 5G 移动服务 的运营商数量也达到了 187 家，覆盖全球 72 个国家/地区。5G 承载网络提供更高的传输速率和更低的时延，各级光传输节点间的光端口速 率明显提升，要求光模块能够承载更高的速率。 5G 移动通信网络可大致分为前 传、中传、回传，光模块也可按应用场景分为前传、中回传光模块，前传光模块 速率需达到 25G，中回传光模块速率则需达到 50G/100G/200G/400G，带动高 速率光模块的市场需求。5G 部署初期，前传将以光纤直连和无源 WDM 方案为主，后续随着网络部署规 模逐步扩大，尤其是 C-RAN 小集中和大集中部署模式的规模应用，基于半有源 WDM
18、的部署占比将会显著提升。 5G 中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，接入层和汇聚层将主要采用 25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s 等速率的灰光或彩光模块，核心层及以上将较多采 用 100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s 等速率的彩光模块。传输距离从十几 km 到上 百 km 的场景，近期将以非相干灰光模块为主，同时积极推动低成本相干彩光模 块的研发进度。2.3、数通市场：大型数据中心光互连快速迭代，推动光模块市场结构升级云计算公司是数据中心建设的主要推手：互联网及云计算的普及推动了数据中心 的快速发展，全球互联网业务及应用数据处理集中在数据中心进行，数据流量迅 速增长。根据
19、Cisco 的数据，全球大型数据中心的数量从 2016 年的 338 个增长 到 2021 年的 628 个，2016-2021 年的复合增长率达到 13%。从数据中心的虚 拟化运行实例数量来看，传统数据中心的实例数量占比越来越低，而云计算实例 数量节节走高，2016-2021 年复合增长率达到 19%，因此未来数据中心以及光 模块市场的发展与云计算厂商对于数据中心基础设施的投资息息相关。移动互联网在过往十年的兴起，与未来元宇宙等新兴应用的发展，推动了云计算 厂商持续的数据中心建设。北美主要云计算厂商中，元宇宙领导厂商 Facebook 披露其 2022 年资本支出将增加至 290 到 340
20、 亿美元，比 2021 年的 190 亿美元 同比增长至少 50%。数据中心网络架构的演变提升光模块需求：由于传统的数据中心服务器利用率较 低，浪费了大量的电力能源和机房资源。虚拟化技术可支持实现物理资源和资源 池的动态共享，提高资源利用率，尤其是针对那些平均需求远低于需要为其提供 专用资源的不同负载。服务器虚拟化技术是把一台物理服务器虚拟化成多台逻辑服务器，这种逻辑服务 器被称为虚拟机（VM），每个 VM 都可以独立运行，有自己的 OS、APP，当前 也有自己独立的 MAC 地址和 IP 地址，它们通过服务器内部的虚拟交换机 （vSwitch）与外部实体网络连接。虚拟化技术导致数据在不同服务
21、器之间的灵活流动，数据中心需内部处理的数据 流量远大于需向外传输的数据流量，使得数据处理复杂度不断提高。在虚拟化的基础上，微服务架构开始流行，很多软件开始推行功能解耦，单个服 务变成了多个服务，部署在不同的虚拟机，又导致虚拟机之间的流量大幅增加。 这种平级设备之间的数据流动，通常称为“东西向流量”。而在互联网早期的客 户端/服务器模式中，数据的访问是从用户直接到存放数据内容的固定服务器， 这种数据流动称为“南北向流量”。根据 Cisco 的统计，数据中心内部的“东西 向流量”在 2021 年已经达到了 71.5%的比例。三层或者多层架构由核心层、汇聚层和接入层组成，一直是企业数据中心最常用 的
22、数据中心架构部署模型，更加适合“南北向流量”的数据访问模式。面对越来 越多的“东西向流量”，新的叶脊架构数据中心成为主流。叶脊使用所有的互联 链路，每台叶交换机都连接到了脊交换机上，脊交换机之间和叶交换机之间没有 任何互连，相对于传统的三层网络架构而言，减少了设备寻找或等待连接的需求， 从而减少了延迟及流量瓶颈。由于其特殊的拓扑结构，系统对于光模块的需求得 到了提升。随着数据中心对于带宽需求的提升，叶脊架构中的光模块也在持续升级之中。速 率方面，亚马逊、谷歌、微软、Facebook 等北美超大型数据中心内部互连已经 在 20192020 年开始商用部署 400Gb/s 光模块；国内数据中心正由
23、 100Gb/s 逐步向 400Gb/s 过渡，2022 年有望实现规模部署。根据 IMT2020（5G）推进 组预计，数据中心交换芯片吞吐量预计 2023 年将达到 51.2Tb/s，2025 年之后 达到 102.4Tb/s，800Gb/s 和 1.6Tb/s 更高速率将成为实现高带宽数据交换的重 要选择。2.4、当前热点：100G单波、200G/400G快速起量，光电芯片是代际演进的关键数据中心光互连方案演进，推动 100G 单波、200G 以及 400G 光模块需求：数 据中心光互连持续演进，在当前的 100G 接入、400G 互联时代存在多种演进方 案，推动 100G 单波、200G
24、 以及 400G 光模块需求。在 Server 到 TOR 的接入环节方案中，单波 100G 方案有望得到广泛采用，通过 与交换机侧 200G 光模块 fan out，可以同时达到节省光纤成本和提高交换机端 口密度的目的。此方案对光芯片性能提出更高要求。 TOR 到 leaf 与 leaf 到 spin 的场景下，400G 将成为主流，推动交换机/光模块 的 serdes 互联速率进一步提高，PAM4 得到广泛应用，光模块的电芯片性能同 时得到了提高。 200G 光模块相对 400G 更为成熟，使用风险与成本相对较低，近期将会得到快 速发展，作为 100G 向 400G 的低成本高可靠过渡方案
25、。根据 LightCounting 预测，大型互联网公司的数据中心方案中，200G 光模块在 2022 年有望快速发展，随后 400G 的价值量将超过 200G 并有望在 2024 年超过 100G。800G 光模块将在 2023-2024 年之间开始得到规模化部署。光模块电芯片与交换机接口速率配合演进，是数据中心光互连升级的基础：交换 机是数据中心互联关键设备，也是光模块的数据源。数据通过交换机与光模块的 接口，由光模块完成电光转换。根据 Yole 的预测，从 2017 年到 2025 年，交换 机的交换容量将从 5Tbps 逐年翻倍到 51.2Tbps，与光模块的 serdes 接口速率
26、也从 10G 逐步进化到 50G，或者 100G CPO。为了提升传输速率，光模块的数字信号调制方式从 NRZ 发展到 PAM4，波特率 从 25G 提升为 100G，对核心电芯片 CDR 或者 DSP 的性能提出更高要求。 当前的 800G 光模块通常需要支持 8 路 50G 波特率的 PAM4 信号，未来的 1.6T 则需要 8 路 100G 波特率 PAM4 信号。高性能光芯片支持更高速率与更远的传输距离：光模块的光芯片包括激光器芯片 和探测器芯片，其中激光器芯片包括面发射的 VCSEL 芯片，以及边发射的芯片 FP、DFB 和 EML 芯片等；探测器芯片用于接收信号，主要有 PIN 和
27、 APD 两类。对于目前单波 100G 的光接口方面，有 EML、DML 和硅光三类方案，其中 EML 成熟度最高。DFB 和 VCSEL 激光器芯片大规模商用的最高速率已达到 50G。 网络带宽的快速增长和 400GE 端口的逐步成熟，也推动骨干网由 100Gb/s 向 400Gb/s 演进，长距离传输对光芯片性能提出更高要求。1000km 以上的 400Gb/s 相干光模块及核心光电芯片器件是长距 400Gb/s 技术发展的基石和骨 干网速率代际演进的关键。400Gb/s 相干光模块的核心光电芯片材料可选择 lnP、硅基或者薄膜铌酸锂，三种材料各有优势。2.5、未来趋势：800G与相干方案
28、标准正在制定，硅光与CPO是产业研究重点800G 标准正在推进，光电接口亟待升级：800G 光模块相关产品研发及标准化 推进成为业界研究热点，国内外多个标准化组织竞相开展制定。目前 OSFP MSA、 IEEE802.3、QSFP-DD800 MSA 等组织已经启动或者发布 800G 标准。根据 LightCounting 预测，800G 光模块在 2021 与 2022 年得到初步市场应用， 在 2023 年开始，将得到规模化部署。光电接口技术的进步与标准的统一，对于 800G 模块的普及起到关键作用。光接口标准方面，存在 8*100G 直调直检、4*200G 直调直检或者 800G 相干等
29、 不同方案的选择。激光器方案可以采用硅光、DML、EML，应对不同应用场景， 在调制码型（PAM4、16/32/64QAM 等）、激光器数量（8/4/1）等方面有不同 选择，波特率则需要达到 56 或者 112G。 电接口及封装方面，电接口单通道速率与光接口单通道速率相同时光模块的架构 最佳，可获取低功耗、低成本等优势。以此类推，单通道 100Gb/s 电接口将是 8*100Gb/s 光模块的理想电接口；单通道 200Gb/s 电接口将是 4*200Gb/s 光模 块的理想电接口。封装方面，800Gb/s 光模块可能存在 QSFP-DD800、QSFP224、 OSFP、CPO 等不同形式。相
30、干技术应用下沉，光电技术发展有望推动普及：相干光通信中主要利用了相干 调制和外差检测技术，就是利用要传输的信号来改变光载波的频率、相位和振幅， 主要用于高速率、长距离传输。在发送端，采用外光调制的方式将信号以调幅、 调相、调频的方式调制到光载波上，经过后端处理发送出去。到达接收端以后， 首先经过前端处理如均衡等，再进入光混频器与本地光振荡器产生的光信号进行 相干混合，然后由探测器进行探测。从标准来看，当前相干技术发展到了单波长 400G 与 800G，但 800G 目前业内 相关标准尚未成熟，而 400G 相干技术目前有 400ZR、OpenROADM 和 OpenZR+ 三种标准。其中 40
31、0GZR 主要针对数据中心，OpenROADM 针对电信网络， OpenZR+适用范围更加广泛。下一代的相干技术标准 800ZR 也正在制定之中。随着单通道传输速率的提高，现代光通信领域越来越多的应用场景开始用到相干 光传输技术，相干技术从过去的骨干网下沉到城域甚至边缘接入网（100km）。 另一方面在数通领域，相干技术也已经成为数据中心间互联（DCI）的主流方案 （80120km）。光传输网络中使用的相干光模块封装方式采用 CFP 标准，存在端口密度低、体 积功耗大、非标设计等问题。随着先进的 CMOS 工艺 DSP 芯片和集成光子技术 的进步，使得体积更小和更低功耗的可插拔相干封装光模块成
32、为可能。硅光技术在集成化和低成本具备优势，技术和产业链有待成熟：传统光模块主要 采用高速电路硅芯片、光学组件、III-V 族半导体芯片等器件封装而成，本质上属 于“电互联”。不过随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶 颈，硅光技术有望带来新的互联方式。 硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料(如 SiGe/Si、SOI 等)，利用现有 CMOS 工 艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光技术的核心理念是“以光代电”， 即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的 微芯片中。硅光技术本身可以有多种应用方向，例如光模块、光互连、医学、消费、激光雷 达等领域。在光
33、模块方向，数据中心、远距离光传输和 5G 等领域都可以得到应 用。根据 Yole 预测，数据中心市场是硅光技术未来最主要的市场之一，其重要 应用场景就是光模块，在 2026 年将达到 4.5 亿美金，五年复合增长率为 26%。目前，已量产的硅光方案，基于硅衬底的混合集成是主要方式。主要器 件包括： 在硅衬底表面集成激光器（III-V 族半导体，以 InP 为主）、调制器（铌酸锂 LiNbO3， 具有优异的电光效应）、光探测器（Si 中掺 Ge）、硅波导（Si 对于 1.31m 1.55m 通信波段透明）、波分复用及 解复用器、耦合器等。集成方式来讲有三种： （1）Flip-chip 方案 该方
34、案将激光器 LD 直接倒装焊到硅光芯片上，思路比较简单，工艺也比较成熟。 但是该方案对贴装的精度要求比较高，时间成本较大，并且集成度不够高。 （2）Wafer/Die bonding 方案 该方案将没有结构的 III-V 族材料键合到 SOI 基片上，进一步再对 III-V 族材料进 行加工，形成激光器. 该方案不需要对准调节，其位置准确性由光刻精度保证， 省去了对准调节的时间。此外，如果是将一整个 InP 晶圆贴合到 SOI 晶片上， 可以同时加工多个激光器，利于大规模生产，成本进一步降低。 （3）外延生长 III-V 族材料 该方案在 Si 材料上外延生长 III-V 族材料，进而再对材料
35、结构进行加工，形成激 光器，是真正意义上的单片集成方案，潜力巨大。但是目前该方案不够成熟，还 限于研究阶段。此外，硅光耦合工艺目前也存在多种方案，硅光波导损耗比较大，需要更低的插 损设计，对工艺要求比较高。 （1）无源耦合：通过精密结构定位，实现高效耦合，技术壁垒高，设备精密度 要求非常高。 （2）有缘耦合：点亮激光器，通过不断调整位置，使耦合效率最大，产品一致 性较好，但是耦合工艺所占成本比较高。虽然由于不同方案的良率和耦合损耗问题，硅光模块方案的整体优势尚不明显， 但在超 400G 的短距场景、相干光场景中，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。车
36、联网、AR/VR、直播等 5G 下游 应用的飞速发展和企业云的大趋势带动了数据中心网络从 100G 向 400G 更迭的 需求，硅光模块有望得到快速发展。光电共封装（CPO）刚刚起步，技术仍在探索：CPO 指的是交换 ASIC 芯片和硅 光引擎（光学器件）在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统 功耗、降低成本和实现高度集成。CPO 的发展才刚起步，并且其行业标准形成 预计还要一定时间，但 CPO 的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变 化。硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在 CPO 方案中。800G 传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而 CPO 方案则更多的是
37、技术探索。但是 从 1.6T 开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后续光互联升级可能转向 CPO 和相干方案。LightCounting 认为，CPO 技术最大的应用场景可能不在交换 ASIC 领域，而是 在 HPC 和 AI 簇领域的 CPU、GPU 以及 TPU 市场。到 2026 年，HPC 和 AI 簇 预计将成为 CPO 光器件最大的市场。CPO 的出货预计将从 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。目前，CPO 主要技术方案及应用场景有两类，一是基于 VCSEL
38、激光器的多模方 案，面向 30m 及以内的超算及 AI 机群短距离光互连；二是基于硅光集成的单模 方案，面向 2km 及以内的数据中心机架及机群间光互连。其中，基于硅光集成 的单模方案具有无需气密封装、高带宽、易集成等优势，预计将成为 CPO 的主 流技术方案，部分厂商已取得一定成果或制定了相关规划。 国际标准化方面，CPO JDF 2019 年成立，以需求为主导为制造商提供端到端设 计指南和开放规范，2021年发布3.2 Tb/s Copackaged Optics Optical Module Product Requirements Document，提出 51.2Tb/s 交换芯片合封
39、光引擎设 计框架，光接口支持 400GE FR4/DR4 规格。OIF（Optical Internetworking Forum）也于 2020 年启动 CPO 框架项目计划。从 CPO 目前的技术产业进展来看，尚未形成与传统可插拔光模块的绝对优势， 产业生态和标准化工作都需要更多时间，当交换芯片容量达到 102.4Tb/s 时，或 光接口速率达 4200Gb/s、1.6Tb/s 和 3.2Tb/s 时，或将出现商用机会。2.6、竞争格局：行业巨头兼并收购，国产厂商崭露头角国际大厂份额领先，行业兼并收购频繁。根据 Yole 在 2020 年的统计数据，II-VI 收购 Finisar 之后占
40、据全球 16%的市场份额，位居第一；Lumentum 以 11%的 市场份额紧随其后；中国厂商中际旭创、海信、光讯科技等市占率领先；2020 年市场的 CR5 为 53%，集中度较高。光模块是光通信领域的关键部件之一，该领域近年来频繁发生并购，国际巨头通 过收购相关公司掌握光模块以及相关芯片部件的设计与生产能力。国产厂商崭露头角，全球份额持续提升。中国光模块厂商从 2000 年左右开始发 展，最初的业务来自于光模块外企的部分组装测试业务的转移。到了 2015 年， 已经有多家中国厂商开始了光模块与被动光器件在国内的生产制造。得益于北美 云计算公司光学器件销售的推动，中际旭创等中国供应商在 20
41、17-2021 年间销 售额达到新的高度。在国内数通侧，光模块需求持续增长，中国云计算公司仍有 很大发展空间；在国内电信侧，电信运营商对光网络基础设施的稳步投资也扩大 了中国的国内市场，增长将来自于无线前传、FTTx 等方向。 中国厂商在近年来也持续推动上游激光器、探测器、硅光芯片等新领域，并积极 参与相关工业标准的制定。 根据 LightCounting 测算，2021 年中国光模块以及部件厂商营收达到了新的高 度，全球市场份额从 2010 年的约 15%，增长到 2021 年的 50%以上。3、激光雷达行业高速发展，光模块公司有望开启第二成长曲线3.1、激光雷达应用广泛，下游领域不断拓展激
42、光雷达被广泛用于无人驾驶汽车和机器人领域，被誉为广义机器人的“眼睛”， 是一种通过发射激光来测量物体与传感器之间精确距离的主动测量装置。激光雷 达通过激光器和探测器组成的收发阵列，结合光束扫描，可以对广义机器人所处 环境进行实时感知，获取周围物体的精确距离及轮廓信息，以实现避障功能；同 时，结合预先采集的高精地图，机器人在环境中通过激光雷达的定位精度可达厘 米量级，以实现自主导航。无人驾驶汽车和无人物流机器人技术是人工智能在机器人领域深度应用的产物， 其发展将带来全球性的技术革命，激光雷达将发挥重要作用。该领域已成为各国 政府、全球汽车行业、互联网企业、科技企业的“兵家必争之地”。 除了无人驾
43、驶领域，激光雷达的应用领域也在不断拓展，包括以汽车整车厂、 Tier 1 为代表的前装高级辅助驾驶，以智能服务机器人为代表的避障导航系统， 还有随着 5G 技术逐渐普及而产生的智能交通车路协同应用，都为激光雷达带来 了更广阔的市场。3.2、激光雷达技术路线多样，具备不同特点与适用场合测距方面，ToF 是当前主流方案，FMCW 产业链有待成熟。激光雷达按照测距 方法可以分为飞行时间（Time of Flight，ToF）测距法、基于相干探测的 FMCW 测距法、以及三角测距法等，其中 ToF 与 FMCW 能够实现室外阳光下较远的测 程（100250 m），是车载激光雷达的优选方案。ToF 是目
44、前市场车载中长距激 光雷达的主流方案，未来随着 FMCW 激光雷达整机和上游产业链的成熟，ToF 和 FMCW 激光雷达将在市场上并存。通过激光器和探测器组成的收发阵列，结合光束扫描，可以对广义机器人所处环 境进行实时感知，获取周围物体的精确距离及轮廓信息，以实现避障功能；同时， 结合预先采集的高精地图，机器人在环境中通过激光雷达的定位精度可达厘米量 级，以实现自主导航。 按照技术架构可以分为整体旋转的机械式激光雷达、收发模块静止的半固态激光 雷达以及固态式激光雷达。相比于半固态式和固态式激光雷达，机械旋转式激光雷达的优势在于可以对周围 环境进行 360的水平视场扫描，而半固态式和固态式激光雷
45、达往往最高只能做 到 120的水平视场扫描，且在视场范围内测距能力的均匀性差于机械旋转式激 光雷达。而由于半固态雷达收发模块静止、主要由扫描器发生机械运动，在现有 技术和工艺水平下，其更能满足量产车型对雷达稳定性和寿命的要求。纯固态雷 达不含机械扫描部件，有利于产品寿命，但是目前技术尚未完全成熟。除了无人驾驶，面向乘用车的前装高级辅助驾驶（ADAS）、服务型机器人、车 联网（V2X）等领域也是激光雷达当前或者近期的重要市场。因为使用场景和搭 载激光雷达的载体（无人驾驶汽车、乘用车、机器人等）具有明显差异，这些市 场对激光雷达的性能、价格、体积等维度提出了不同的需求。车联网应用起步最新，使用场景
46、具有多样性，对无人驾驶、高级辅助驾驶、 机器人领域的激光雷达都会有相应需求。3.3、行业高速发展，光模块公司凭借激光光学积累跨界进入根据 Allied Market Research 估计，2026 年全球无人驾驶技术市场规模将达到 5,566.7 亿美元，较 2019 年可实现 39.47%的年均复合增长率。激光雷达是高级 别无人驾驶技术实现的关键，根据沙利文的统计及预测，受无人驾驶车队规模扩 张、激光雷达在高级辅助驾驶中渗透率增加、以及服务型机器人及智能交通建设 等领域需求的推动，激光雷达整体市场预计将呈现高速发展态势，至 2025 年全 球市场规模为 135.4 亿美元，较 2019 年
47、可实现 64.5%的年均复合增长率。发展无人驾驶技术、高级辅助驾驶技术能够实现汽车由人工操控的机械产品向电 子信息系统控制的智能产品的转变，通过使用更为可靠的传感和控制系统可以减 少车辆行驶过程中的人为判断和决策失误，同时事故的减少还有利于缓解交通拥 堵的情况，减少通勤时间。 从无人驾驶领域来看，据麦肯锡研究报告显示，中国将是全球最大的自动驾驶市 场，到 2030 年中国自动驾驶乘用车数量将达到 800 万辆，自动驾驶将占到乘客 总里程（Passenger KiloMeters Travelled，PKMT）的约 13%，基于自动驾驶 的出行服务订单金额将达 2,600 亿美元。根据沙利文的研
48、究报告，至 2025 年，中国激光雷达市场规模将达到 43.1 亿美 元，较 2019 年实现 63.1%的年均复合增长率。激光雷达行业高速发展，给光模块公司带来全新机遇。激光雷达的设计与制造需 要大量光学器件、激光器等技术积累，与光模块产业链公司在光学领域的长期积 累有共通之处，技术平台和产线具有一定复用性。目前光模块产业链公司正在积 极布局激光雷达市场。1）天孚通信依托现有成熟的光通信行业光器件研发平台， 利用团队在基础材料和元器件、光学设计、集成封装等多个领域的专业积累，为 下游激光雷达和医疗检测客户提供配套新产品。2）中际旭创目前已成立专业团 队，对激光雷达核心技术进行了比较深入的研发
49、和探索，以激光雷达代工业务作 为切入点，并逐步推广和提供更高附加值的业务合作模式。3）光库科技目前在 相关市场的定位是提供全面的元器件组合交付能力和发射光源的集成解决方案 专家，成立了激光雷达事业部，为国内外多家基于光纤激光器 1550nm 光源方 案的激光雷达公司提供全系列高性能、低成本、高可靠性的光纤元器件。4、重点企业分析4.1、中际旭创：全球第二的光模块厂商，规模化优势明显公司概况：中际旭创集高端光通信收发模块的研发、设计、封装、测试和销售于 一体，为云数据中心客户提供 100G、200G、400G 和 800G 等高速光模块，为 电信设备商客户提供 5G 前传、中传和回传光模块以及应用于骨干网和核心网传 输光模块等高端整体解决方案。凭借行业领先的技术研发能力、低成本产品制造 能力和全面交付能力等优势，公司赢得了海内外客户的广泛认可，并保持了市场 份额的持续成长。LightCounting 在 2021 年发