光通信技术在电信市场和数据中心的应用分析

导语：随着数据流量指数级增长，凭借传输带宽高、抗干扰性强、长距离衰减少等优势，光纤逐步取代传统铜缆成为网络通信的主流传输介质，“光进铜退”趋势明显。在5G建设进入热点期以及数据中心扩容需求的双轮驱动下，我国光通信产业链面对周期性发展机遇。我国光模块厂商在封装成本及工艺方面全球领先，有望把握25G/100G向400G升级过程扩大市场份额，同时上游的光芯片厂商也将在半导体国产化替代的浪潮推动下发展壮大。

1、光通信介绍

光通信，即以光为载体进行信息传输的通信方式，相较于传统铜缆通信，光通信在带宽、速率、抗干扰、抗腐蚀、体积重量等方面都体现出明显优势。随着光通信技术不断成熟，整体成本逐步降低，“光进铜退”成为近年来通信行业的主要趋势，光通信在电信市场和数据中心已得到广泛应用。

简化来看，光通信系统由光通信设备和传输光纤两部分构成。光纤是光的传输通路，光模块一般配置于光通信设备中，是完成光电转换功能的核心，通常集收发光信号功能为一体。

光模块通常由TOSA（Transmitter Optical Subassembly，光发射次模块）/ROSA（Receiver Optical Subassembly，光接收次模块）/BOSA（Bidirectional Receiver Optical Subassembly，光收发一体模块）等组件封装而成，内部芯片包括光芯片、电芯片等等。各组成部分功能如下：

在发射端，光模块的TOSA（光发射次模块）包括CDR（Clock Data Recovery，时钟和数据恢复）、LD（Laser Driver，激光驱动）、激光器芯片、合路器等器件。发射端传输原理如下：1）首先，数字信号通过CDR完成时钟和数据恢复，以确保正确的数据采样；2)LD（激光驱动器）根据时钟恢复后的数据来驱动、激发Laser（激光器芯片）发出载有信号的激光；3）合路器将多路光聚合为一路，实现更快的传输速率，将信号输入至光纤。

在接收端，光模块的ROSA（光接收次模块）包括分路器、光电探测器、TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器）、CDR等组件。接收端传输原理如下：1）首先，光纤中的光信号通过分路器将信号分成多路；2）光电探测器接收光信号转换为电信号；3）TIA放大器将电信号放大以便后续处理；4）CDR完成时钟和数据的恢复，并传导至光通讯设备。

2、光通信产业链

光通信在产业链上可以分为四个环节：光芯片/电芯片等核心元件生产，光器件封装，光模块封装和光通信设备生产。

核心元件生产：主要包括光芯片与电芯片，其中，光芯片是光模块内部实现光电转换的核心，电芯片是光模块内部电信号处理和调制的核心元件。

光器件封装：将光芯片、电芯片等部件封装形成光器件，按照是否需要实现光电信号转换，可分为有源器件和无源器件。光器件是光芯片和光模块的过渡产品。

光模块封装：将各种光器件及其他部件封装形成光模块，是光通信中实现光电转换的核心，产品处于快速迭代升级阶段，国产厂商拥有成本及工艺优势。

光通讯设备生产：将光模块等集成为光通讯设备，并直接向终端客户出货，存在资本垄断优势，目前华为、中兴、烽火等国内主流厂商已经具备全球优势。

3、终端需求

电信市场和数据中心市场是光通信的主要下游市场，近年来随着4K/8K显示屏幕的出现，HDMI光纤线缆等应用也开始进入市场。

电信市场：5G建设进入热点期，前传全面升级25G

光通信在电信市场主要应用于传输承载网、固网接入网和无线接入网。5G时代，为实现灵活调度、组网保护等功能，以及大带宽、低时延等方便的性能保障，通信网络架构从两级演进为三级 ，新增中传光模块需求，且前传和回传光模块速率需求升级，因此，5G建设对光模块的数量需求急剧增长，且光通信芯片由10G升级到25G。2019年至2023年，我国三大运营商5G宏基站建设规模达400万站，将带动电信光模块需求显著增长，25G系列芯片需求随之激增。

数据中心市场：流量爆发式增长，光模块产品迭代需求持续存在

光通信在数据中心市场主要应用于数据中心内服务器与交换机、交换机与交换机之间的互联。随着数据中心大型化趋势和内部架构扁平化发展，数据中心光模块平均3~4年完成一次产品迭代更新。2019年，亚马逊、谷歌等数据中心龙头已进军布局数通400G（需要25G/50G光芯片），随着数据中心需求持续增长，数据中心有望成为光通信行业最大终端需求。

消费电子市场：大带宽传输需求初现，光通信技术可解决传输瓶颈

消费电子市场中，随着智能家居、智能汽车、AR/VR等应用不断发展，传统铜线传输方式在带宽、时延和传输距离等方面的瓶颈日益显现，以光波为载体传输信号能够保证数据高质量传输。HDMI光纤线缆等逐步开始进入市场。

4、市场规模及竞争格局

根据Yole最新研究预测，全球光模块市场规模将由2019年的77亿美元增长至2025年的177亿美元，年均复合增长率达到15%。其中电信市场规模将由37亿美元以7%的复合增长率增长至56亿美元，数通市场将由40亿美元以20%的复合增长率增长至121亿美元，数通光模块占比进一步提升。

光芯片：技术壁垒较高，亟待国产突破

光芯片是光模块内实现光电转换的核心，全球市场规模约6~7亿美元，预计未来3-5年随着数据中心建设加速及5G建设进入热点期，市场规模复合增速将超过10%。

光芯片可分为VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器），DFB（Distribute Feedback Laser，分布式反馈激光器）和EML（Electroabsorption Modulated Laser，电吸收调制激光器）。

目前10G光芯片基本实现国产化，25G及以上高速光芯片市场主要由国外厂商占据，国产化率极低。近年来，国产厂商如三安光电、长瑞光电、陕西源杰等开始进入市场，有望在近年内实现高速光芯片的国产化。

电芯片：海外巨头垄断，国内企业处于起步阶段

电芯片可进行电信号的调节，以配合光芯片工作；也可进行复杂数字信号处理，如调制、相干信号控制、串并/并串转换等。目前电芯片多为集成芯片，也有少量的分立方案在售。

随着数据量的不断增大和设备的存量更新，光模块需求急剧增长的同时，电芯片市场规模也随之增长，预计未来5年电芯片的市场增速将超过5%，光模块电芯片2020年全球市场规模约3-4亿美元。

在光模块电芯片领域，10G及以下电芯片国内供应成熟，主要供应商包括厦门优迅、南通飞昂等。25G及以上电芯片多依赖进口，Macom、Semtech等美国企业技术成熟，国内厂商在高速TIA、CDR和DSP产品领域与国外存在1-2代技术差距；南通飞昂使用锗硅工艺已量产出货。

光模块：国内厂商具有成本和工艺优势，市占率不断提升

目前光模块市场中，国内厂商市占率逐步提高，据Ovum数据显示，2019年，光收发模块方面，中际旭创、光迅科技、海信宽带分别名列全球第二、第四、第六位。

整体来看，光模块生产过程中，国内以中际旭创为代表的企业具备较强成本优势和封装工艺优势，占据全球60-80%市场份额。国内光模块厂家对高速率光芯片国产化需求强烈。

5、未来趋势

上游光芯片及电芯片技术突破是主要发展方向。从产业链整体看，光通信上游光芯片和电芯片位于光通信产业链的核心位置，技术壁垒高、产品价值含量高。我国厂商虽然逐步提升了在光通信市场的整体市占率，但以光模块封装为主，在上游核心部件光/电芯片领域与国际水平差距较大，我国企业具备一定光/电芯片量产能力。

审核编辑：郭婷