本文來自微信公衆号：電子工程世界（ID：EEworldbbs），作者：付斌，頭圖來自：視覺中國
大模型的風已經吹了超過半年，由 GPT-4 引發的軍備賽不僅沒有熄火，反而愈演愈烈。很多人關注智能湧現，也有人關注算力，而實際上，由 AI 帶動的還有光通信産業。
你相信光嗎？事實上，除了電，光也是引領科技潮流向前的重要力量，正如走入千家的光纖、光貓一般，光通信能力不足，AI 也難發揮其力大磚飛的功效。
Yole 最新數據顯示，全球光模塊市場将在 2022 年 ~2028 年間以 12% 的年複合增長率增長，屆時光模塊市場将翻一番，從 2022 年的 110 億美元增長至 2028 年的 223 億美元。這些增長主要由大型雲服務廠商對于光纖網絡容量 CSP 和 800G 高速率模塊需求而推動。 [ 1 ]
無論是券商，還是産業，都曾不止一次傳出消息表示，光模塊與 GPU 是強綁定關系，從英偉達明年 GPU 産能與封裝能力來看，明年英偉達 GPU 供應可達 400 萬顆，而這将撐起 1000 萬隻 800G 光模塊的市場。
一、" 光 " 引領數據中心未來
首先，要強調的是，我們口中時常提起的光模塊（Optical Module）通常指代的是光收發一體模塊（Optical Transceiver）。
光模塊是一個比較泛的詞，具體包括光接收模塊（Transmitter）、光發送模塊（Receiver）、光收發一體模塊（Transceiver）和光轉發模塊（Transponder）等，我們現在說的光模塊是負責光電轉換的那個光收發一體模塊，下文也統稱光模塊。 [ 2 ]
從産業鏈中來看，光模塊的上遊是光芯片（成本占比 30%~60%）、電芯片（成本占比 18%）、PCB（成本占比 5%）、結構件等，将光芯片加工封裝爲光發射組件（TOSA）及光接收組件 （ROSA），再将光收發組件、電芯片、結構件等進一步加工成光模塊。簡單來說，就是光芯片，到光器件，再到光模塊的關系。
光通信産業鏈及市場規模，圖源丨國信證券 [ 3 ]
光模塊處于光通信産業鏈的中遊，主要完成光電轉換和電光轉換，在發送端将光通信設備的電信号轉換成光信号，通過光纖傳輸後，在接收端把光信号轉換成電信号，由設備進行信息處理。光放大器主要應用于光通信設備中，直接對光信号進行光功率放大，從而實現光信号的長距離傳輸。 [ 4 ]
光通信器件分類，圖源丨中國電子元件行業協會 [ 5 ]
光模塊有多種分類方式：
按傳輸速率可分爲≤ 1 Gbit/s、2.5 Gbit/s、10 Gbit/s、25 Gbit/s、50 Gbit/s、100 Gbit/s、200 Gbit/s、400 Gbit/s、800 Gbit/s 等；
按傳輸距離可分爲幾十米、100 m、500 m、2 km、10 km、40 km、80 km、幾百千米、≥ 1000 km 等，按調制格式可分爲強度調制（NRZ/PAM4）、相位調制（DP-QPSK/DP-n QAM）；
按是否支持波分複用（wave-division multiplexing，WDM）可分爲灰光、彩光，按光接口類型可分爲雙纖雙向（duplex）、單纖雙向（Bi Di）；
按工作溫度可分爲商業級（0 ℃～+70 ℃）、工業級（– 40 ℃～+85 ℃）和擴展級（– 20 ℃～+85 ℃）；
按封裝類型可分爲可插拔式（SFP+/SFP28/SFP56/QSFP28/CFP2/QSFP-DD/OSFP 等）和不可插拔式（168-pin/320-pin 等）。 [ 6 ]
光模塊典型功能框圖及基本分類方式，圖源丨《電信科學》 [ 6 ]
目前，光模塊主要包括電信傳輸、數據中心兩大核心應用場景。
電信市場方面，主要應用于基站 /PON/WDM/OTN/ 交換機 / 路由器等設備。
5G 對設備的構架及數量和傳輸速率均有明顯要求。前傳光模塊集中在 25G 和 50G 高速光模塊，市場需求量相比于中傳 / 回傳更大，未來四年預計有 48Mu 市場需求量；中傳光模塊數據量更大，主要集中在 50G 和 100G 高速光模塊，并不斷要求向 100G 及以上升級，未來四年總市場需求量約 16Mu；回傳光模塊有着最高的信号速率要求，集中于 100G，200G 及 400G，需 200G 及以上升級，未來四年市場需求約 7Mu。
LightCounting 數據顯示，全球電信側光模塊市場預計到 2025 年可達 33.54 億美元，2023 年 ~2025 年增速分别爲 3.4%、11.8%、9.2%。
數據中心方面，主要應用于服務器 / 架頂交換機 / 核心交換機等設備。
目前，傳統三層網絡結構式服務器架構向葉脊架構數據中心進化，當前新建成的超大型數據中心以葉脊架構爲主，大大增加了數據中心内部交換連接點的數量，各環節各端口使用 40G~400G 速率的光模塊。 [ 7 ]
LightCounting 數據顯示，全球數據中心光模塊市場至 2025 年或将增長至 73.33 億美元，年均複合增長率爲 14%。
兩大應用場景光模塊需求邏輯，圖源丨億渡數據 [ 8 ]
光是說說，似乎感覺不到光模塊的重要性，但實際上光模塊在數據中心中用量極大。
目前，國内将近 90% 數據中心采用傳統三層架構，部分新建大型數據中心采用混合結構，實際組網方式較爲複雜，兼具多種架構的特點，光模塊的用量也介于傳統架構和新型架構之間，也就是說 1000 台機櫃數據中心中，要使用 8000 個 40G 光模塊，800~4000 個 100G 光模塊。
1000 台機櫃數據中心中，不同架構數據中心光模塊使用數量，參考資料丨易飛揚通信 [ 9 ]
不同的場景下，光模塊的市場表現有所不同。
Yole 統計顯示，2022 年 ~2028 年，全球有源光纖（AOC，Active Optical Fiber）市場将從 9 億美元增至 24 億美元，年複合增長率達 17%；可插拔式以太網（Ethernet Pluggable）将從 54 億美元增至 123 億美元，年複合增長率達 15%；嵌入式集成光學器件（Integrated optics Embedded）将從 0.38 億增至 1.37 億美元，年複合增長率達 24%；xWDM 将從 27 億美元增至 56 億美元，年複合增長率達 12%；無源光網絡（PON optics，Passive Optical Networking optics）将從 10 億美元增至 11 億美元，年複合增長率達 2%；無線前傳（Wireless Fronthaul）将從 8 億美元降至 6 億美元；無線中傳 / 後傳（Wireless Mid/Backhaul）則保持 2 億美元。
2022 年 ~2028 年光收發器全球市場預測，圖源丨 Yole
光模塊整體遵循着小型化、低損耗、熱插拔、高速率、遠距離和智能化方向發展，除此之外觀望未來，光模塊的未來發展趨勢會遵循以下幾點：
光模塊速率會越來越高，高速光模塊商業化部署将會成爲未來重點，包括 800G 光模塊、1.6T 光模塊、吞吐量交換專用集成電路等；
AI/ML 光模塊應用會越來越廣，而這其中光模塊的運維、新型 DC 應用、生成式 AI、空間計算、自動駕駛等問題；
光模塊功耗會越來越低，功耗效率控制、DSP 技術、SerDes 技術、光學引擎等将不斷迎來新技術；
光模塊成本會越來越低，屆時将擁有更低的每比特成本，涉及大容量技術、機架内技術、線性驅動光學、SiPh PIC 等。
二、中國廠商強者愈強
在光模塊領域， 歐美日起步早、積累多，是市場的主導者。這些國家的研究機構和先進企業通過不斷積累核心技術和生産工藝，逐步實現産業閉環，擁有極高的技術壁壘。
國内雖然起步較晚，但發展速度極快。
LightCounting 數據顯示，2010 年僅武漢電信器件有限公司（WTD，後與光迅科技合并）一家上榜全球光模塊 TOP10；2016 年和 2018 年變爲海信寬帶、光迅科技兩家；2022 年全球 TOP10 有 7 家是中國企業，分别是旭創科技（與 Coherent 并列第 1）、海思（第 4）、光迅科技（第 5）、海信寬帶（第 6）、新易盛（第 7）、華工正源（第 8）、索爾思光電（第 10），其餘則是 Coherent（也就是 II-VI）、思科（Cisco）和英特爾（Intel）。
2010 年、2016 年、2018 年、2022 年光模塊 TOP10 情況，圖源丨 LightCounting
無獨有偶，Yole 的數據也有着類似的結果，旭創科技（InnoLight）、海信寬帶（Hisense Broadband）、光迅科技（Accelink）、海思（HiSilicon）、華工正源（HGG）、新易盛（Eoptolink）、昂納科技（O-net）、博創科技（Broadex）、聯特科技（Linktel）、劍橋科技（CIGtech）、立訊精密（Luxshare）、易飛揚（Gigalight）、德科立（Tacklink）等公司的表現值得關注。
事實上，從整體光通信産業鏈來看，越向下遊做得越好，國産化率也越高，到靠下的光模塊領域，中國幾乎引領着全球光模塊市場。雖然高速模塊的核心光學技術還由美國和日本所掌握，但中國現已大力投資光子制造平台，包括 GaAs、InP 和 SiPh，在全球光通信産業中地位越來越高。
2020 年 ~2022 年我國主要玩家情況，圖源丨 Yole
當然，國内發展雖快，但卻依然存在巨大的提升空間。
電信市場方面，5G 基站光模塊傳輸速率已覆蓋 25Gbs~400Gbs，中國龍頭已能批量生産 200Gbs 系列光模塊，中小企業已能批量生産最快至 100Gbs 系列光模塊。但同速率不同類型光模塊研發進度并不相同，如前傳中 25G Bidi 光模塊仍處于研發階段，100G 和 200G 光模塊已完成批量生産。
數據中心方面，多使用 40G~200G 全系列數據中心用光模塊，其中 100G 和 200G 爲當前主力，中國龍頭已實現 400G 系列小規模批量生産，并可提供 800G 系列光模塊樣本。但由于數據中心主要采用短距離光模塊，内部采用的光芯片的研發程度慢于 5G 中采用的光芯片。
不止如此，對于光模塊來說，産業鏈發展值得關注，這是因爲光模塊中光芯片、電芯片、PCB 就占到主要價值量的 65% 以上，目前主要瓶頸在于 25G 激光器芯片、相幹光收發芯片、DSP 芯片（高速 AD/DA）等。
中國電子元器件協會曾在《中國光電子器件産業技術發展路線圖（2018-2022 年）》中指出，我國光通信器件發展存在以下幾個問題：
一是國内高端光芯片自己能力有限，高速模數 / 數模轉化芯片、相幹通信 DSP 芯片、5G 移動通信前傳光模塊所需的 50Gb/s PAM-4 芯片，還沒有國内廠家能夠提供解決方案；
二是垂直整理能力弱，雖然近年來國内大型光模塊企業有不少并購動作，但中小規模廠商仍然缺乏資本運營能力與人才引進力度；
三是标準、專利建設意識和能力不足，如雲、SDN、NFV 等基礎技術領域無一源自國内，話語權被歐美牢牢掌握；
四是配套行業基礎薄弱，先進測試儀表、制造裝備依賴進口，如全自動高精度貼片機、全自動打線機、高速率光電信号測試儀表、MOCVD 等光電子芯片工藝制備裝備等。
三、迎接數據中心的新紅利
5G 網絡和數據中心建設一直是光模塊的主要驅動力，而在現如今 AI 高速發展行徑下，數據中心将會爲光模塊帶來又一巨量發展機會。
800G 光模塊無疑是現在産業中，展現潛力最大的一次機會，也是這近幾年光模塊領域的行業熱點。早年就有機構預測，800G 光模塊将于 2023 年進入市場，2026 年左右規模應用。未來 5 年，數據中心 400G/800G 模塊、長距離相幹光模塊将是光通信領域的主要增長點。
從産業發展來看，8 × 100Gb/s 光模塊核心光電芯片器件仍爲單通道 100Gb/s 的激光器、探測器光芯片，Driver、TIA 和 DSP 電芯片。其中 DSP、單通道 100Gb/s 的緊湊型 Driver 和 TIA 均已推出，電芯片産業鏈相對成熟。EML&DML、矽光（SiPh）和 VCSEL 等光電芯片解決方案，由博通、思科等美企提供。
上文也有提及，在英偉達帶動下，800G 光模塊能有 1000 萬隻的銷量。當然，這樣的測算僅僅是根據市場供需關系而來，目前英偉達 GPU 産能受台積電影響，整體來說，從向台積電擴充産能上來看，英偉達的信心充足，砍單可能性較小。
那麽，國産公司能喝上湯嗎？
通常來說，光模塊産品叠代周期短，僅爲 3～4 年，但客戶認證周期長，通常要 1 年左右時間，對 PCB（含基闆材料）技術、質量要求高。因此，研發布局一定要快，先發優勢極爲重要，參與或聯合客戶新品研發有助于最早進入客戶供應商體系并增強綁定的機會。 [ 10 ]
有更強的技術、交期、成本等優勢，才能在光模塊市場中搶得更多份額。
目前，在産品研發方面，針對數據中心場景，大部分廠商都已經發布了基于 EML 技術的 800G 光模塊産品。
中際旭創、天孚位列第一梯隊，目前 800G 已有收入，值得強調的是，得益于 800G 光模塊，中際旭創一度在本季業績與 Coherent 并列第一，無疑拿下了利潤高地；光迅科技則在此前稱 800G 光模塊已實現少量出貨；而新易盛、華工、光迅、聯特在海外 800G 送樣上走得非常快。
世界上沒有穩賺不賠的生意，對于國産公司來說，依然還要警惕半導體下行周期帶來的資本開支縮減所帶來的影響，一次 AI 的熱點，能否與庫存量保持平衡，這會是重要的問題。 [ 11 ]
一切可能都要等待年底，才會擁有答案。
參考文獻
[ 1 ] Yole：AI at the heart of optical transceiver adoption: China leads the market.2023.8.31.https://www.yolegroup.com/press-release/ai-at-the-heart-of-optical-transceiver-adoption-china-leads-the-market/
[ 2 ] 鮮棗課堂：關于光模塊，看這一篇就夠啦！.2020.1.7.https://mp.weixin.qq.com/s/iYZ4eVdPRYyTYO3h8f52uQ
[ 3 ] 國信證券：光器件行業研究框架與投資機會梳理 .2022.6.5.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202206061570339493_1.pdf?1654526244000.pdf
[ 4 ] 無錫市德科立光電子技術股份有限公司：首次公開發行股票并在科創闆上市招股說明書 .2021.10.12.http://static.sse.com.cn/stock/information/c/202110/de5cfca6911645d2b3b1806d45b06755.pdf
[ 5 ] 中國電子元件行業協會：中國光電子器件産業技術發展路線圖（2018-2022 年）.https://www.miit.gov.cn/n1146290/n1146402/n1146440/c6001146/part/6005856.pdf
[ 6 ] 吳冰冰，趙文玉，張海懿 . 高速光模塊關鍵技術方案及标準化進展 [ J ] . 電信科學，2022，38 ( 09 ) :105-115.
[ 7 ] TI：TI 解決方案助力高速光模塊市場，提供高集成度，更小封裝電源解決方案 .2021.8.6.https://e2echina.ti.com/blogs_/b/power_house/posts/ti-361486397
[ 8 ] 億渡數據：2022 年中國光模塊行業短報告 .2022.8.https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202208101577100187_1.pdf?1660167691000.pdf
[ 9 ] 易飛揚通信：數據中心到底需要多少光模塊？.2023.8.3.https://mp.weixin.qq.com/s/EMybiHlbTh3RjVa2bYjdFw
[ 10 ] 陳世金，梁鴻飛，韓志偉，徐緩，周國雲，陳苑明，王守緒，何爲，楊凱，張勝濤，陳際達 . 光模塊 PCB 中高速材料的應用及關鍵加工技術探讨 [ J ] . 印制電路信息，2021，29 ( S1 ) :80-85.
[ 11 ] C114 通信網：光模塊 "F4"2023 上半年業績：800G 搶占利潤高地，市場狂歡後回歸産品本身 .2023.8.28.https://mp.weixin.qq.com/s/PoadR5s9ol5XLRPu919jVg
本文來自微信公衆号：電子工程世界（ID：EEworldbbs），作者：付斌
