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光模块处于光通信行业的中游环节,是光设备与光纤连接的核心器件。
受益于5G和数据中心双引擎驱动以及海外网络建设需求的恢复,光模块行业景气度近年来重回上升通道。
据Yole预测,2025年,数通及电信市场光模块规模合计达178亿美元,较2019年年复合增长率15%。数通、电信光模块市场规模将分别增至121亿美元、56亿美元,较2019年年复合增长20%、7%,数通市场为光模块发展主要驱动力。
2019-2023年,数通商采购光模块金额实现年复合增长率约为20%,成为未来光模块市场增长的主要驱动力。
光模块是光通信网络的重要组成部分。
它是一种以激光作为载体,以光纤作为传输媒介的有源光器件,核心功能是实现光电转换。
目前,传统光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成,本质上属于“电互联”。而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,硅光技术应运而生。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。其核心理念是“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。硅光具有低功耗、高集成和高速率的特点,是后摩尔时代的关键技术选择。当前虽然硅光方案的模块无法完全取代传统方案,但供应份额势必大幅提升,相应市场规模可期,且给了新进入者一定的弯道超车机会。
当前光模块成本高昂已成为阻碍光通信发展的关键问题。在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中,硅光成本优势不大。而在400G以上速率的场景中,传统DML和EML成本较高,硅光模块存在较好的机会,成本优势明显。目前,硅光产品最主要的应用依然是数据中心,100G数通硅光光模块方案已经成熟进入稳步出货阶段,400G开始从2020年的小批量进入到2021年的大批量,硅光模块弹性可期。根据Intel的硅光子产业发展规划,硅光模块产业已经进入快速发展期,2022年,硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块。市场研究公司LightCounting数据显示,硅光技术改变光器件行业的转折点已到来,2025年硅光模块的市场规模将接接近60亿美元,份额将从2018-2019年的14%增长到2025年的45%,未来5年,该市场将实现两位数增长。
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光模块产业链存在上下游的资源壁垒,解决上游芯片供应与取得下游大客户订单是赢得竞争的关键。传统光模块产业链主要由光电芯片-光器件-光模块-数据交换设备厂商四个环节。上游为光芯片及无源光器件,下游需求的两大来源是数通市场和电信市场。传统光模块采用分立式结构,光器件部件多,封装工序复杂且需要较多人工成本。相对传统的分立式器件,硅光模块将多路激光器,调制器和多路探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上,体积大幅减小,有效降低材料成本、芯片成本、封装成本,同时也能有效控制功耗。硅光光模块与传统光模块产业链的主要区别在于光芯片部分,其是高度集成的单芯片,而不是传统的分离多器件的组合。其余产业链环节大致相同,不过硅光模块的高度集成会减少部分配套器件的使用,这一趋势在后续“On-Board”封装方案中体现将更明显。
硅光模块芯片
光模块尤其是高速光模块在通信网络设备成本中占比达到50%~60%,光模块的选择和成本将直接影响网络总体建设成本,光模块成本高昂已成为阻碍光通信发展的关键问题。而在光模块成本中,40%为光芯片成本,其中20%左右是激光器成本,若激光器成本节约3/4,可降低15%的整体成本,同时降低部分人工和组件成本,若在100G短距PSM4中,引入硅光技术,调制器和无源光路可高度集成,可使用1个25G激光器实现4路独立信号的调制和传输,显著节约芯片成本。就芯片环节看,分为晶圆制造、设计、代工、封装测试等环节,基本可复用电子集成电路产业链。
硅光芯片内的功能部件主要通过光子介质传输信息,连接速度更快,因此更适合数据中心和中长距离相干通信等应用场景。关于硅芯片上的光源主要有两种主流的方案,通过外置激光器导入光源(Luxtera)和通过激光器粘合在硅芯片上(Intel),两种方案均已有成熟商用产品。其中在400G光模块场景中,Intel在成功推出100G光模块的基础上,继续使用在硅晶圆上粘合InP光源的方式推出了400GQSFP-DDDR4光模块。我国在光模块产业链中,上游核心芯片和器件一直比较弱,尤其是25Gb/s以上的高速高端芯片领域国产化率极低。
在目前的硅光技术中,依然呈现出这种态势,国产厂商更多依靠封装能力与欧美芯片厂商合作,来切入产业链,后期通过技术积累提升自研芯片技术是重要发展方向。
硅光模块市场格局
硅光领域前景广阔,传统通信设备巨头及相关行业有竞争力的企业纷纷入场布局。