元宇宙时代催生共封装光学元件：中国厂商机会显现
8月29日，字节跳动15亿美元买了个头盔公司Pico，是为张一鸣的一小步，却是中国VR（虚拟现实）行业的一大步。君不见，如今VR头盔、VR找房、VR看房、VR会议等场景应用不断推出。
8月31日以“5G深耕，共融共生”为主题的2021世界5G大会开幕，预示着从消费互联网到产业互联网都将迎来线上线下一体化的元宇宙（Metaverse）时代。
从数据传输角度看，要实现大量变化数据的实时传输，需要的数据量和网络带宽是普通视频需求的几十倍。
Yole刚刚发布的《数据通信与电信市场2021光纤收发器报告》解读了光纤通信的全球市场格局，并对该领域的技术进行了分析，还给出了数据通信和电信中光收发器2017年至2026年的市场预测。
AR/VR终端成为元宇宙第一入口
从全球市场看，5G商用势如破竹，随着市场对元宇宙的理解逐渐加深，它将成为全新的泛娱乐模式，其特有的沉浸、实时、多元的特色模式会更受到市场的欢迎与肯定。
从硬件技术层面看，普通手机端和PC都无法很好完成元宇宙所需的拟真与沉浸任务。因此VR/AR技术拥有的3D显示、高分辨率水准、大视场角设备将进一步提升直观体感交互，是目前最佳的现实与虚拟世界的接口。
在5G、云计算等技术的支撑下，AR / VR终端是元宇宙的第一入口。5G商用时代不仅增强了现有的虚拟体验，还将拓展出全新的应用场景。VR应用的游戏、观影、直播等强势需求正在加速赋能下游各行业。
IDC统计表明，2020年全球虚拟显示终端出货量约为630万台，VR终端出货量占90%，预计2023年AR终端出货量有望超越VR，在2024年超7500万台终端出货量中AR占比将升至55%。
在新冠疫情及宏观经济形势下，全球虚拟显示市场规模接近千亿，AR与内容应用成为首要增长点。随着5G、云计算、VR/AR等技术的快速发展，从消费互联网到产业互联网的应用场景也已打开。元宇宙正加速演化为可以映射现实世界、又独立于现实世界的虚拟空间，现实中的人可以使用数字身份在元宇宙中娱乐、社交、学习和工作等，完全打破生活和游戏的边界。
英伟达CEO黄仁勋也说，云游戏、元宇宙及数据中心等业务的巨大潜力有待开发，而据中心规模的计算时代已经到来。
数据中心规模不断扩大，对带宽容量的需求巨大；许多超大型和云数据中心预计在未来几年将采用100G的服务器端口速度。这些更高的服务器速度可以由2芯或8芯并行光收发器来实现40G、100G、200G和400G通道速率。
网络和云服务需求有增无减
Yole固态照明技术与市场分析师Martin Vallo博士表示：“在过去50年中，移动技术创新每十年都会推出一次。移动带宽需求已经从语音通话和短信发展到超高清视频和各种AR/VR（增强现实）应用。尽管新冠疫情疾病对电信基础设施供应链的影响深远，但全球范围内的消费者和企业用户仍在不断地创造新的网络和云服务需求。社交网络、商务会议、UHD视频流、电子商务和游戏将推动应用的持续增长”。
现在，平均每户和人均连接到互联网的设备数量正在增加。随着具有更高功能和智能的新型数字设备的出现，分析师们观察到，这些设备每年的采用率都在提高。机器对机器应用的扩展，如智能仪表、视频监控、医疗监控、连接驱动器和自动化物流，在很大程度上促进了设备和连接的增长，并推动了数据中心基础设施的扩展。
从光收发器市场对比可以看出，2020年光收发器市场产生的收入达到约96亿美元，预计2026年将达到209亿美元，2020-2026年复合年增长率为14%。这一增长是由大型云服务运营商和国家电信运营商大量采用100G以上的高数据速率模块推动的，为的是增加光纤网络容量。
2020-2026年光收发器市场增长预期
新技术为共封装光学元件铺平道路
多种技术正在推升数据中心基础设施以及长途和地铁网络的数据传输速率向400G、600G、800G甚至更高发展。
400GbE部署正在跨数据中心网络进行升级，后面还有800GbE、1TbE、1.6TbE……。许多云提供商和电信运营商现在都在寻找800Gbps的光纤生态系统，以增加带宽容量，以跟上不断增长的数据需求。800G光学模块可以支持更多配置，例如2x 400GbE、4x 200GbE或8x 100GbE。
今天的以太网交换机专用集成电路（ASIC）以50G PAM-4调制技术驱动的50Gbps通道速率运行。在线卡中，通常需要重定时器将PAM-4数据从交换机同步到光接口。在400G光学模块中，额外的硅Gearbox芯片可用于将50G PAM-4电气输入和输出（I/O）转换为每波长光学I/O 100G，以便连接到100G光学模块。根据应用和传输情况，400G可提供各种光学接口，包括400G SR4、400G DR4、400G FR4和400G LR4。
Yole预计，800G模块将得到高度普及，因为其利用了400GbE系统中已经证明的100G单波长光学元件，因此可以在QSFPDD（双密度四通道小型可插拔封装）和QSFP（四通道小型可插拔）尺寸中实现技术和成本效益。
就所需的电密度、光密度和热而言，当前的尺寸能力将受到限制，无法支持超过800G的容量。功耗是另一个挑战，其最大的贡献者是开关ASIC和光学模块之间的电气接口，尤其是QSFPDD和QSFP。由于采用分立电子器件实现，功耗和热管理正成为未来可插拔光学元件的限制因素。
共封装（CPO）光学技术是一种将光学元件和开关ASIC紧密结合在一起的新方法，旨在克服上述挑战。此外，CPO技术被认为是整个生态系统的一种新部署模式，是可插拔光学元件的替代品。
光学元件和开关ASIC的集成演进
光收发器赶上美国，中国有戏吗？
全球光收发行业受到中美关系恶化的影响很大。美国政府的技术贸易战禁售了中兴通讯和华为，以限制中国对全球经济的影响。对于许多激光和光电子公司来说，中国代表着最大的市场和增长机会之一。
随着中美关系的紧张升级，中国希望通过确保安全可控的技术来保持经济增长，建立自给自足的国内技术部门以抵消供应链受到的影响。美国公司在中国的销售受到了极大影响，美国光子公司的收入损失将远远超过中国同行。
近年来，美国与中国光收发器市场变化明显。过去三年，美国的光收发器行业仅增长了1%，而在中国增长了24%。中国数字通信运营商大量投资于本地光学产品，导致中国收发器市场的急剧增长。中国希望通过确保安全可控的技术供应链建立自给自足的国内技术部门，来保持其经济增长。
美国vs中国光收发器市场
美国光学和电子元件设计师和制造商厂商的价值在于强大的专利组合和标准领导者，加上代工厂和材料平台，涵盖用于汽车的激光雷达、消费3D传感等；中国厂商的价值是大批量部署，以成本动因推进大量国内需求，主要集中在数据通信和电信市场。
由于其在制造业中的价值，中国在全球产业链中也发挥着不可替代的作用。事实上，我们很难将制造链分解为可能带来国家安全问题的高端设备和仍然允许知识产权共享和合资的低端设备。然而，如果美国征收新的关税，这种脱钩可能会发生，并将对整个光通信供应链产生不利影响。
2020年光收发器市场份额
光收发器产业格局有变
中国玩家的强劲增长——特别是InnoLight（旭创科技）。该公司成立于2008年，短短十余年内实现年度销售逾50亿元人民币，成为国内光通信龙头企业，进军世界一流之列。2021年4月，思博伦通信与旭创科技成功实现了对800G光收发器的互操作性验证，这对于下一代高速以太网的演进至关重要，标志着向800G以太网的实施又迈进了一大步。2018年11月，II-VI与Finisar并，全球光电子巨头横空出世；2018年底，Lumentum收购Oclaro后，全球排名恢复第二位；2019年12月；博通收购Avago Technologies出售给富士康的光收发器资产。
2021年6月，华为也加入了竞争，将在武汉建立其第一家晶圆厂，预计从2022年开始分阶段投产InP（磷化铟）激光器，实现光通信芯片和模块的自给自足。
数据通信InP平台供应链
中国数据通信基础设施的加速部署，特别是数据通信和电信400G/800G的趋势，正在推动光学领域的增长。
新冠疫情变数未变
如上所述，虽然新冠疫情的流行是全球经济衰退的重要诱发因素之一，为全球经济蒙上了不确定性的阴影，但新冠疫情并没有让AR/VR止步，反而是一种推动。经济衰退与供应链上产品的消费率或使用率下降有关，光通信、半导体和其他市场都有负面影响。不过疫情引发的新行为驱动了新的带宽需求，特别是用于数据通信和电信市场的光收发器。
新冠疫情带来的数据流量爆炸
从光纤通信应用看，宏观趋势是全球网络IP流量增长，主要是每户和人均设备和连接的平均数量加速增长。每年市场上都会引入和采用各种具有更高功能和智能的新设备，因此，人均设备和连接的平均数量将从2018年的2.4增加到2023年的3.6。
光纤通信应用趋势
光纤通信应用趋势的驱动因素是全球流量的增长，主要是高分辨率视频流服务。以数据为中心的应用、全球互联网视频流量、新兴应用、当前和未来的视频数据速率，其中许多都与AR/VR应用相关。
光纤通信市场趋势
几个技术趋势
从光收发器技术趋势看，首先是100G及以上OTN（光传送网）PMD（物理介质相关子层）在向更高通道速率不断演变。
通道速率的演变
技术与趋势之二是在按应用、数据速率、范围映射的尺寸方面，不同光学模块有不同的用例；不同的尺寸和数据速率可在其他应用中使用。例如各种不同形式的100G光收发器可以用在不同类型网络应用。
技术与趋势之三是从FPP（面板可插拔）到光电共封装器件的演变，以及PCBA（印刷电路板组件）上带有可插拔ELS（外部激光源）模块的光电共封装器件的演变，标准组织不打算为ELS模块定义固定的尺寸。
共封装光模块的演变
技术与趋势之四，数据通信在向更高速度迁移的现状。由于带宽需求持续大幅增加，数据中心连接预计将从25G/100G转向100G/400G。用于光通信技术的DSP（数字信号处理器）的快速发展正在缩短数据中心中使用的单模和多模光学元件的生命周期。
数据通信速度的演变
当前，光收发器的关键器件是100G QSFP28 CWDM（粗波分复用），主要激光二极管是EEL（边发射器）和VCSEL（垂直腔面发射激光器）。不同的激光二极管技术传输距离和传输速度不同。
迎接共封装时代
光芯片和电芯片的共封装已成为下一代技术的重点研究方向，正在推动可插拔光模块转向共封装技术。不过，不同封装形式各有所长，从2.5D到3D共封装封装，集成度越来越高，挑战在于功耗和互连性能，需要在硅光技术、封装技术、散热技术等方面的协同发展实现最佳的应用效果。相信精彩还在后面。