2019年中国光通信芯片行业概览.pdf

1 .leadleo 2019年 中国光通信芯片 行业概览 概览标签 ：光通信芯片、光模块、5G基站、数据中心 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系 头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。 未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任何方式擅自复制、再造 、传播、出版、引用、改编、汇编本报告内容，若有违反上述约定的行 为发生，头豹研究院保留采取法律措施，追究相关人员责任的权利。头 豹研究院开展的所有商业活动均使用“头豹研究院”或“头豹”的商号 、商标，头豹研究院无任何前述名称之外的其他分支机构，也未授权或 聘用其他任何第三方代表头豹研究院开展商业活动。2 2019.11 LeadLeo leadleo 头豹研究院简介 头豹研究院是中国大陆地区首家B2B模式人工智能技术的互联网商业咨询平台，已形成集行业研究、政企咨询、产业规划、会展会议 行业服务等业务为一体的一站式行业服务体系，整合多方资源，致力于为用户提供最专业、最完整、最省时的行业和企业数据库服务，帮助用 户实现知识共建，产权共享 公司致力于以优质商业资源共享为基础，利用大数据、区块链和人工智能等技术，围绕产业焦点、热点问题，基于丰富案例和海量数据， 通过开放合作的研究平台，汇集各界智慧，推动产业健康、有序、可持续发展 300+ 50万+ 行业专家库 1万+ 注册机构用户 公司目标客户群体覆盖 率高，PE/VC、投行覆 盖率达80% 资深分析师和 研究员 2,500+ 细分行业进行 深入研究 25万+ 数据元素 企业服务 为企业提供定制化报告服务、管理 咨询、战略调整等服务 提供行业分析师外派驻场服务，平台数据库、 报告库及内部研究团队提供技术支持服务 地方产业规划，园区企业孵化服务 行业峰会策划、奖项评选、行业 白皮书等服务 云研究院服务 行业排名、展会宣传 园区规划、产业规划 四大核心服务：3 2019.11 LeadLeo leadleo 报告阅读渠道 头豹科技创新网 leadleo PC端阅读全行业、千本研报 头豹小程序 微信小程序搜索“头豹”、手机扫右侧二维码阅读研报 图说 表说 专家说 数说 详情请咨询4 2019.11 LeadLeo leadleo 光通信芯片是实现光电信号转换功能的核心器件。光通信芯片通过封装组成光发射组件以及光接收组件（光发收组件）。光发收组件、电芯 片以及结构件等最终封装成具有光电信号转换功能的光模块。光通信芯片在中端与高端光模块成本中占比超过50%，且随着光模块的传输速 率上升，光通信芯片在光模块成本的占比亦会提升。现阶段，中国仅有华为海思可量产25G系列光通信芯片，但华为海思并不对外销售光通 信芯片。以光讯科技以及海信为首的中国本土光通信芯片企业仅能量产10G及以下光通信芯片，与国际光通信芯片行业龙头企业Finisar生 产的25G系列芯片仍有1-2代技术差距，因此在高速光通信领域，进口依赖依然严重。 5G基站的建设拉动光通信芯片市场需求 5G基站使用更高频谱导致信号覆盖能力大幅减弱。信号覆盖同一个区域，通信设备商需建设的5G基站数量是需建设4G基站数量的1.5-2倍。截止 到2018年12月31日，中国共有372万个4G基站，中国4G网络已进入成熟期，以此为基准，至5G成熟期预计中国将有558至744万个5G宏基站的建设 规模。5G承载网前传预计需3,346万块25G光模块，中转以及回传预计需243万块100G光模块，52万块200G光模块以及14.4万块400G光模块，合计 共需3,655.4万块光模块以及9,950.8万块配对的光通信芯片（包括激光器芯片与探测器芯片）。因此，5G基站的建设会为光通信芯片产业带来9,550.8 万块芯片需求量，带动光通信芯片行业的发展。 数据中心的建设带动光通信芯片市场需求 由于云计算、大数据、虚拟化等新兴技术的落地，数据流量成指数级增长。为解决数据流量暴涨问题，数据中心运营商必须增加超大数据中心的 数量。数据中心的建设需大量DFB以及VCSEL芯片实现光电信号的转换，因此大规模建设数据中心亦拉动数据中心运营商对光通信芯片需求。新建数 据中心以叶脊网络架构为主，与传统网络层相比，叶脊网络扩大叶交换机、脊交换机与服务器之间的连接数，所需高速光模块的数量是传统三层架构 所需光模块数量的30倍。 光通信芯片行业投资风险 光通信芯片行业存在大厂竞争风险、研发风险以及市场接受度风险：（1）竞争风险：国际光通信芯片企业通过并购加强自身市场地位，导致中国 光通信芯片企业的生存环境逐渐被这类大厂蚕食；（2）研发风险：光通信芯片以及光模块平均3-4年完成一次产品迭代，企业研发团队能否在3-4年 内突破新技术具有极大不确定性，易出现芯片失效或者自身芯片技术迭代未跟上客户需求的情形；（3）市场接受度风险：光通信芯片企业属于华为以 及中兴的二级供应商，而华为和中兴对自身供应链严格把控，初创以及中小光通信芯片企业进入华为以及中兴供应链体系难度大。 企业推荐：云岭光电、陕西源杰、中科光芯 概览摘要5 2019.11 LeadLeo leadleo 目录 名词解释 - 04 中国光通信芯片行业市场综述 - 07 中国光通信芯片行业驱动因素 - 17 中国光通信芯片行业投资风险分析 - 19 中国光通信芯片行业相关政策 - 20 中国光通信芯片行业发展趋势 - 21 中国光通信芯片行业竞争格局 - 23 方法论 - 29 法律声明 - 306 2019.11 LeadLeo leadleo 名词解释（1/3） 砷化镓：Gallium Arsenide（GaAs），族化合物半导体，可制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作 集成电路衬底、红外探测器、光子探测器等。 磷化铟：Indium Phosphide（InP），具有半导体特性的化合物，由金属铟和赤磷在石英管中加热反应制得。 外延生长：指在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求且与衬底晶向相同的单晶层。 外延片：衬底上生长的一层单晶硅被称为外延层。衬底经过外延生长后则为外延片。 金属有机物化学气相沉积：Metal Organic Chemical Vapour Deposition（MOCVD），利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄 膜的化学气相沉积技术。 分子束外延：Molecular Beam Epitaxy（MBE），在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生蒸气，经小孔准直后形成 的分子束或原子束，喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，可使分子或原子按晶体排列在基片上形成薄膜。 印制电路板：Printed Circuit Board（PCB），在电子通用基材上形成点间连接及印制元件的印刷电路板。 基带处理单元：Base Band Unit（BBU），基站设备之一，主要完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，同时需要提 供与上层网元的接口功能以及完成重要物理层核心技术的处理。 射频处理单元：Remote Radio Unit（RRU），将接收自基带处理单元的数字或发送往基带处理单元的模拟信号进行D/A、A/D、数字 上/下变频、射频信号调制解调，然后将这些发送/接收到的射频模拟信号进行功率放大，噪声减小，最终经由滤波器元件传送至天馈系 统进行发射。 图像传感器：利用光电器件的光电转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。7 2019.11 LeadLeo leadleo 名词解释（2/3） 发光二极管：一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，在照明领域应用广泛。 电吸收调制器：Electro Absorption Modulator（EAM），利用半导体中激子吸收效应制作成光信号调制器件，因其具有响应速度快，功 耗低的特点，被广泛应用于高速光纤通信中信号的调制编码。 线性度：描述传感器静态特性的一重要指标，以被测输入量处于稳定状态为前提，在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差 （Ymax）与满量程输出（Y）的百分比为线性度，该值越小，表明线性特性越好。 有源天线单元：Active Antenna Unit（AUU），天线与射频处理单元（RUU）的集成。 CU：Centralized Unit（CU），原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务。 DU：Distribute Unit（DU）, BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。CU与DU集合为4G时代的BBU。 CMO工艺：制作集成电路的生产流程，CMOS集成电路具有功耗低、速度快、抗干扰能力强以及集成度高等众多优点。 端口物理层：Physical Layer（PHY）, PHY连接一个数据链路层设备（MAC）到一个物理媒介，如光纤或铜缆线。 硅光子集成技术：以硅和硅基衬底材料（如SiGe/Si、SOI等）作为光学介质，通过互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的集成电路工艺制 造相应的光子器件和光电器件（包括硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等），并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处 理，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。 法布里-珀罗激光芯片：Fabry-Perot（FP）激光芯片，边发射激光芯片，适用于中短距场景。 分布反馈式激光芯片： Distribute Feedback（DFB）激光芯片，边发射激光芯片，在FP激光芯片的基础上采用光栅滤光器件使器件，只有 一个纵模输出，适用于中长距场景。8 2019.11 LeadLeo leadleo 名词解释（3/3） 电吸收调制激光芯片：Electroabsorption Modulated Distributed Feedback Laser（EML）激光芯片，边发射激光芯片，在DFB激光芯片 的基础上增加吸收调制器（EAM）以提升激光器的输出功率、传输速率及温度稳定性，适用于中长距场景。 垂直腔面发射激光器：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser （VCSEL），面发射激光芯片，适用于中短距场景。 二级管探测器：光信号接收器，适用于中短距场景。 雪崩二极管探测器：Avalanche Photodiodes（APD）探测器，光信号接收器，适用于中长距场景，灵敏度高。 光耦合器：Optical Coupler（OC），以光为媒介来传输电信号的器件，将发光器与受光器封装在同一管壳内。 带宽收敛比：交换机下行带宽与上行带宽的比值，数据中心收敛比通常不超过三分之一。9 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述光通信芯片功能以及制造流程 光通信芯片分为激光器芯片以及探测器芯片，分别具有电光信号转换以及光电信号转换功能，是光模块最核心的功能芯片。激光器芯片以及探 测器芯片通过封装形成光发射组件以及光接收组件（光发收组件）。光发收组件、电芯片以及结构件等最终封装成光模块。 电信号 光发射模块 光驱动芯片 光发射组件 其他器件 光接收模块 放大器 光接收组件 其他器件 光纤 调制光信号 电信号 电处理 电光转换 光传输 光电转换 电处理 光器件 电芯片 从生产流程看，光通信产业链环节众多，工艺流程较为复 杂，包括芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造四个 环节： （1）芯片设计：用芯片设计软件根据特定的芯片功能要求 制作光电线路图； （2）基板制造：GaAs/InP 材料经提纯、拉晶、切割、抛 光、研磨制成单晶体衬底即基板； （3）磊晶生长：根据设计图，用基板和有机金属气体在 MOCVD(金属有机物化学气相沉积）/MBE（分子束外延） 设备里长晶，制成外延片（Wafer）； （4）晶粒制造：对外延片进行光刻等系列处理，制成电路 功能完整的可封装晶粒。 磊晶生长的外延片质量 决定光通信芯片的传输 性能，为光通信芯片生 产环节技术壁垒最高的 环节。现阶段，中国光 通信芯片企业还未掌握 成熟的外延技术，外延 技术的落后拖累中国光 通信芯片行业发展 芯片设计 基板制造 磊晶生长 晶粒制造 光通信芯片工作原理 来源：头豹研究院编辑整理 光通信芯片制造流程 光模块 光发收组件 尾纤 结构件 滤光片 激光器芯片 探测器芯片 陶瓷套管 内置光纤 光器件 PCB 外壳 电芯片 封 装 封 装 封 装 光模块构造图10 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述激光器芯片与探测器芯片分类 根据功能的不同，光通信芯片可分为激光器芯片以及探测器芯片: （1）激光器芯片依据发光类型可细分为面发射与边发射激光器芯片：面发射激光器芯片为VCSEL芯片，适用于短距场景；边发射激 光器芯片包括FP、DPF以及EML芯片，其中FP芯片适用于中短距场景，DFB以及EML芯片适用于中长距、高速率场景。EML芯片在DFB芯 片的基础上增加电吸收调制器以增加激光器的输出功率、传输速率及温度稳定性等； 来源：头豹研究院编辑整理 （2）探测器芯片分为PIN（二级管探测器）和APD（雪崩二级管探测器）。二级管灵敏度相对较低，应用于中短距离的光通信传输。雪 崩二级管探测器在灵敏度以及接收距离上优于二级管探测器，但成本高于二级管探测器。 工作波长 应用场景 优点 缺点 激光器 芯片 FP 1,310-1,550nm 传输速率155M-10G，传输距离40KM 谱线较窄，调制速率高， 成本低 耦合效率低，线性度差 DFB 1,270-1,610nm 传输速率2.5G-40G，传输距离80KM 谱线窄，调制速率高，波 长稳定好 耦合效率低，成本高 EML 1,310-1,550nm 传输速率快、传输距离长 调制速率高、稳定性好 成本高 VCSEL 800-900nm 传输速率155M-25G；传输距离500M 线宽窄、功耗低、调制速 率高，耦合效率最高，成 本大幅下降 线性度差 探测器 芯片 PIN 830-860/1,100-1,600nm 传输速率155M-40G，传输距离40KM 噪声小，工作电压低，成 本低 灵敏度低 APD 1,550nm 传输速率1.25G-10G，长距离单模光纤 灵敏度高 成本高 光通信芯片分类 来源：头豹研究院编辑整理11 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述发展现状 中国光通信行业在起步阶段，仅实现10G及以下的光通信芯片的进口替代，但10G以上的高速芯片仍依赖进口。2018年中国10G速率以下光 通信芯片国产率已达到80%，10G速率的光通信芯片国产化率接近50%，而25G及以上高速率光通信芯片则严重依赖出口，国产化率仅5%。 随着5G时代到来，市场对25G以上高速率芯片的需求逐渐释放，低速芯片逐渐市场边缘化。光通信芯片行业发展现状如下： 外延技术落后，亟待突破 现阶段，中国大陆光通信芯片产业外延技术严 重落后，导致中国大陆大量芯片企业流片进度 严重受制于其他地区或国家（中国台湾、新加 坡、日本以及美国）。 80% 50% 5% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 传输速率低于10G的芯片 传输速率为10G的芯片 传输数量高于10G的芯片 良率仍需提升 除外延技术亟待突破，中国光通信芯片良率 亦有待提高。中国10G光通信芯片的良率仅 为70%，造成10G光通信芯片生产成本高居 不下。25G及以上的光通信芯片还未形成量 产。 中国市场不同速率光通信芯片的国产率，2018年 下游光模块企业进军光通信芯片行业 光通信芯片为光通信产业链技术壁垒最高的一环，亦是光模块成本最高的器件。下游光模块企业为在芯片上不受制于人，纷纷布局光 通信芯片行业。例如，光迅在2016年收购法国Almae，快速建立10G及以上高端芯片的量产能力。中际旭创通过设立宁波泽云投资合 伙企业投资陕西源杰以保证稳定的芯片供货渠道。2018年，华工创投牵头成立武汉云岭光电，为其母公司光模块企业华工科技提供芯 片。 来源：头豹研究院编辑整理12 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述光通信芯片产业链 来源：头豹研究院编辑整理 光通信芯片上游主要参与者包括设备以及材料供应商。光通信芯片采用III-V族元素化合物半导体为衬底，生产设备包括光刻机、刻蚀机以及外延 设备等。产业链中游光通信芯片企业为下游光模块厂商提供激光器芯片以及探测器芯片。下游光模块企业将光通信芯片、电芯片以及其他结构性 部件封装为光模块从而实现真正意义上的光电信号的转换。光通信芯片以及光模块主要应用在通信设备以及数据中心市场。 上游 中游 下游 GaAs系 外延设备 芯片衬底 InP系 芯片生产 所需设备 刻蚀机 光模块 光通信芯片在光模 块成本占比超过 50%。随着光模 块通信速率的提升， 光通信芯片在光模 块的成本占比上升 通信设备 数据中心 DFB、EML 光通信芯片产业链 其他设备 国际巨头寡头垄 断全球市场80% 国际巨头寡头垄 断全球市场95% 国际巨头寡头垄 断全球市场75% 光刻机 国际巨头寡头垄 断全球市场80% 光通信芯片 国际第一梯队 企业 中国第一梯队 企业 实现10G系列全 类型芯片的量产 实现25G系列全 类型芯片的量产13 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述产业链上游 光通信芯片企业采用高频性能突出的GaAs以及InP化合物半导体为光通信芯片的衬底。GaAs以及InP可被制成电阻率比硅、锗高3个数量级 以上的半绝缘高阻材料，用来制作衬底具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，符合5G通信高频的特点，因而在光通信 芯片领域得到重要应用。 GaAs衬底：美国AXT、日本住友电工、德国弗莱贝格化合物材料占据 全球GaAs衬底95%的市场份额。中国可生产GaAs衬底的企业包括大庆 佳昌、中科晶电、云南鑫耀、廊坊国瑞、天津晶明、新乡神州、扬州中 显、中科嫁英、海威华芯、有研新材等公司，其中中科晶电和天津晶明 具备4英寸GaAs衬底的生产能力但并未形成大规模量产。现阶段，中国 高质量4-6英寸GaAs衬底基本依赖进口。 InP衬底：InP衬底的主流尺寸是2-6英寸，市场集中度较高，全球超过80%的市场份额由日本住友电工和美国AXT两家公司占有。中国仅有 极少数厂商或科研单位可制造InP衬底，包括鼎泰芯源、北京世纪金光、云南锗业、广东天鼎思科新材料、广东先导半导体材料、深圳泛美、 南京金美镓业等。其中珠海鼎泰芯源与中科院半导体所团队联合攻破2-6英寸衬底生产技术，产能为1万片/年。中国InP材料行业虽在材料合 成、晶体生长、材料热处理和材料特性等方面取得进步，并掌握了2-6英寸衬底片的技术，但中国企业产能规模仍较小，大尺寸InP产能不 足，市场主要掌握在国际巨头企业中。 光通信芯片生产过程中所用到的设备包括光刻机、刻蚀机以及外延设备 等。中国半导体设备产业薄弱，高端设备基本被国际巨头把控。例如， 全球光刻机市场排名前三的企业（荷兰ASML、日本Nikon以及日本 Canon）合计占据75%的份额。国际巨头美国泛林集团、日本东京电子、 美国应用材料共占据了全球刻蚀机市场80%以上的份额。 GaAs 衬底供应商 设备提供商 中国本土厂商 国际巨头企业 国际巨头企业合 计全球市场份额 InP衬底 鼎泰芯源、北京世纪金 光、云南锗业 日本住友电工、美国AXT 80% GaAs衬底 大庆佳昌、中科晶电、 云南鑫耀 美国AXT、日本住友电工、德 国弗莱贝格 95% 光刻机 上海微电子 荷兰ASML、日本Nikon、日 本Canon 75% 刻蚀机 中微半导体 美国泛林集团、日本东京电子、 美国应用材料 80% 来源：头豹研究院编辑整理 全球光通信芯片设备与材料市场竞争格局，2018年14 2019.11 LeadLeo leadleo IDM模式下的企业业务覆盖光通信 芯片整个生产流程包括芯片设计、磊 晶生长以及晶粒制造环节。IDM厂商 拥有单独生产光通信芯片的能力，主 要优势在于设计、制造等环节协同优 化，有助于充分发掘技术潜力。典型 的IDM光通信芯片厂商有Finisar、 Lumentum以及中国的光讯科技。 中国光通信芯片行业市场概述产业链中游 芯片设计 晶粒制造 磊晶生长 Fabless模式下的企业只负责芯片的 设计与销售，将磊晶生长以及晶粒制 造环节外包。Fabless芯片设计企业无 需建设自身的生产线，因此企业资产 较轻，初始投资规模小。中国目前大 多光通信芯片企业采用Fabless模式， 例如华为海思、飞昂光电等。 Foundry企业只负责磊晶生长以及 晶粒制造，不负责芯片设计。 Foundary企业可以同时为多家设计 公司提供服务，且不承担由市场调研 不准、产品设计缺陷等造成的风险。 但磊晶生长与晶粒制造都属于资产密 集型行业，前期投资规模较大，维持 生产线正常运作费用较高。现阶段， 中国磊晶生长企业能力严重不足，外 延技术进口依赖严重。 光通信芯片企业三种运作模式 Fabless模式 Foundry模式 IDM模式15 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述产业链下游（1/3） 光通信产业链下游环节主要参与者有光模块企业、通信设备企业以及数据中心企业。光模块由光器件、电路芯片、PCB以及结构件构成，其中光器 件占光模块成本的72%。光器件的核心为光收发组件，两者合计占光器件成本的80%。 中端光模块采用10G光通信芯片，而10G光通信芯片占中 端光收发组件成本的85%。由此推断，10G光通信芯片在 中端光器件的成本占比为68%，占中端光模块成本的50%。 随着光模块速率的提升，光通信在光模块的成本占比亦会 上升。 30% 50% 70% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 低端模块 中端模块 高端模块 光模块构造图 光器件, 73% 电芯片, 18% PCB, 5% 外壳, 4% 光发射组件, 48% 光接收组件, 32% 尾纤, 9% 结构件, 8% 滤光片, 2% 中端光模块成本拆分，2018年 光通信芯片在光模块中的成本占比 激光器芯片 光发射组件 探测器芯片 光接收组件 光模块厂商 来源：FS中国官网，IMT-2020(5G)推进组，头豹研究院编辑整理 光通信芯片在光模块中的成本占比16 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述产业链下游（2/3） 5G电信承载网结构变化巨大，将原4G的BBU、RRU两级架构重新拆分成AAU、DU、CU三级结构。AAU与DU之间构成前传，DU与CU之间构成中传，CU与核心网之 间构成回传。三级架构相比传统的二级架构增加一层光传输环节，光端口数量增加，光模块的需求也因此增加。为满足5G网更高的速率和时延指标，各级光传输节点 之间光端口速率提升明显：(1)前传光模块向25G以及更高升级；（2）中回传光模块向50G及更高升级；（3）回传需100G及以上光模块，核心层需要200G及以上光 模块。基站需用到DFB以及EML芯片实现光电信号转换。 5G时代的到来拉动通信设备商对高速光模块需求。25G-200G的高速率光模块的核心器件为25G光通信芯片， 光模块速率越高则所需25G光通信芯片数量越多，因此光模块的需求爆发亦带动光通信芯片的市场需求。 通信设备市场 来源：头豹研究院编辑整理 4G RRU 4G BBU 非实时部分 部分物理层 5G AAU PHY 5G CU 回传 前传 前传 中传 天线 回传 4G承载网架构 5G DU 5G承载网架构 0% 10% 20% 30% 2014 2015 2016 2017 2018 华为 爱立信 诺基亚 中兴 思科 迅远 三星 全球通信设备市场集中度高，中国企业占据有利竞争地位 全球前五的通信设备厂商为华为、诺基亚、爱立信、中兴和思科，五家公司合计占全球 市场收入的75左右，行业呈现寡头的竞争格局。中国企业进入前五的公司有华为和中 兴，分别位列第一和第四。光通信芯片企业为华为与中兴的二级供应商，进入华为与中 兴供应链体系的企业具有绝对的市场优势。 全球通信设备市场竞争格局，2014-2018年 4G与5G承载网架构17 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述产业链下游（3/3） 数据流量暴涨：数据中心是数据及数据处理的承载。数据中心的建 设为大规模的数据存储、交换和应用需求提供设备支持。由于云计 算、大数据、虚拟化等新兴技术的落地，数据流量成指数级增长。 全球数据中心流量将从2016年6.8ZB增长至2021年的19.9ZB，增 长超过两倍。 数据中心内部流量在数据总流量占比超过三分之二：数据处理的复 杂程度不断提高，导致数据中心处理数据产生的流量远大于数据中 心外传输的流量。2018年数据中心内部流量在数据总流量占比 74%，因此更适于数据中心内部数据交互的扁平胖宽的叶脊架构 成为数据中心运营商首选。 4.3 6.8 9.1 11.6 14.3 17.1 19.9 0 5 10 15 20 25 2015 2016 2017 2018 2019预测 2020预测 2021预测 ZB 298 338 390 430 509 570 628 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 2015 2016 2017 2018 2019预测 2020预测 2021预测 个 人类社会进入数据时代，流量爆发式增长，作为载体的超大型数据 中心在全球开始大规模建设。建设数据中心需大量DFB以及VCSEL 芯片实现光电信号的转换，因此数据中心的大规模建设亦拉动数据 中心运营商对光通信芯片需求。 目前全球面对数据流量暴涨的解决方法为建设超大型数据中心。全球 超大数据中心将从2015年的338个增加到 2021 年的628个，复合增 长率为13.2%。 全球超大数据中心数量 年复合增长率 2015-2018年 13.0% 2018-2021年预测 13.5% 全球数据流量 年复合增长率 2015-2018年 28.2% 2018-2021年预测 14.4% 全球数据流量，2015-2021年预测 全球超大数据中心数量，2015-2021年预测 来源：Cisco，头豹研究院编辑整理 数据中心市场18 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业市场概述市场规模 中国光通信芯片行业处在发展初期，25G系列的高速芯片均未实现销售，2014年至2018年光通信芯片市场规模年复合增长率仅为16.1%。在光通 信芯片企业担任10年以上销售总监的行业专家分析，5G时代的到来是光通信芯片行业发展的主要驱动力。2018年12月，工信部正式发文表示， 向中国电信、中国移动、中国联通发放5G系统中低频段试验频率使用许可，中国电信获得3,400MHz-3,500MHz共100MHz带宽的5G试验频率 资源，中国移动获得2,515MHz-2,675MHz、4,800MHz-4,900MHz频段的5G试验频率资源，中国联通获得3,500MHz-3,600MHz共100MHz带 宽的5G试验频率资源。对比4G通讯使用的1,800-2,600MHZ频率，5G通用频率明显高于4G通讯。电磁波具有频率越高，则波长越短的特点。5G 使用更高的频率导致信号覆盖能力大幅减弱，信号覆盖同一个区域，通信设备商需建设5G基站的数量超过需建设4G基站的数量。基站建设拉动通 信设备商对光通信芯片需求。从基站的建设周期分析，中国三大运营商在2013年12月获得4G牌照，到2018年基本完成4G网络的全面覆盖，因此 4G网络的建设周期在4年左右。由于5G基站建设数量会超过4G基站数量，因此5G网络的建设周期会比4G长，预计在5-6年。 为解决数据流量暴涨问题，数据中心运营商必须增加超大数据中心的数量。数据中心的建设需大量DFB以及VCSEL芯片实现光电信号的转换，因 此大规模建设数据中心亦拉动数据中心运营商对光通信芯片需求。未来5年光通信芯片行业享受5G时代与数据流量暴涨的红利，2023年中国光通 信芯片市场预计增长至33.9亿美元，年复合增长率为21.3%。 7.1 9.3 10.5 11.1 12.9 15.6 19.0 23.0 27.9 33.9 0 10 20 30 40 2014 2015 2016 2017 2018 2019预测 2020预测 2021预测 2022预测 2023预测 亿美元 中国光通信芯片行业 市场规模 年复合增长率 2014-2018年 16.1% 2018-2023年预测 21.3% 5G 4G 5G与4G基站信号覆盖范围 来源：头豹研究院编辑整理 中国光通信芯片行业市场规模（按销售额统计)，2014-2023年预测19 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业驱动力分析 “5G+数据中心”双轮驱动，光通信芯片市场前景宽阔（1/2） 5G基站建设拉动通信设备厂商对光模块需求：5G使用更高的频率电磁波导致信号覆盖范围大幅缩小，信号覆盖同一个区域，通信设备厂商需 建设5G基站的数量为4G基站数量的1.5-2倍。根据工信部统计，截止到2018年12月31日，中国共有372万个4G基站，以此为基准，至5G成熟 期预计中国将有558至744万个5G宏基站的建设规模。5G承载网采用前传、中传以及回传的三级架构。三级架构相比传统的二级架构增加了一 层光传输环节，光端口数量增加，光模块的需求也因此增加。5G承载网前传需3,346万块25G光模块，中转以及回传需243万块100G光模块， 52万块200G光模块以及14.4万块400G光模块，合计共需3,655.4万块光模块以及9,950.8万块配对的光通信芯片（包括激光器芯片与探测器芯 片）。因此，5G基站的建设将在未来5-6年为光通信芯片产业带来9,550.8万块芯片需求量，从而带动光通信芯片产业的发展。 环节 光模块类型 光模块数量 （万） 光通信芯片 构成方案 25G激光器芯片需求 （万） 25G探测器芯片需求 （万） 前传 25G光模块 3,346 125G 3,346 3,346 中传+回传 100G光模块 2,43 425G 1,215 1,215 200G光模块 52 825G 200 200 400G光模块 14.4 850G 14.4 14.4 光模块合计 3,412 激光器芯片 4,475.4 探测器芯片 4,475.4 来源：头豹研究院编辑整理 中国光模块以及光通信芯片在5G基站建设中的需求测算20 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业驱动力分析 “5G+数据中心”双轮驱动，光通信芯片市场前景宽阔（2/2） 数据流量暴涨带动数据中心运营商对光模块需求：由于云计算、大数据、虚拟化等新兴技术的落地，数据流量成指数级增长。数据中心内部流量在数据总流量占比超过三 分之二，已然占据主导地位，因此更适于数据中心内部数据交互的扁平胖宽的叶脊架构已成为数据中心首选。传统数据中心前端网络采用三层网络机构，根据功能划分为 核心层、汇聚层以及接入层。而叶脊架构将传统数据中心三层架构中的核心层与汇聚层融合，减为二层网络架构（叶交换机与脊交换机），并增加叶交换机以及脊交换机 的数量。中国新建数据中心超过70%采用叶脊网络架构。与传统网络层相比，叶脊网络数据中心对高速光模块需求量大幅上升。例如，对于1,000个机柜（单机柜30台服 务器）、总出口带宽1T的大型数据中心，采用传统三层架构需核心层交换机4台，汇聚层交换机20台，接入层交换机2,000台。传统三层架构数据中心核心层与汇聚层之间 需160块40G块高速光模块，核心层与骨干网之间需16块100G光模块。同样规模下采用叶脊架构的数据中心需300台左右叶交换机。由于1,000个机柜共有30,000台服务 器，单台叶交换机需下行连接100台服务器，因此下行带宽为1,000G。为了保证收敛比（三比一），上行带宽需达到330G，则对应脊交换机8个。叶脊架构的数据中心需 4,800块40G光模块以及32块100G光模块。因此叶脊架构所需的高速光模块数量（40G以及100G）是传统三层架构的30倍。光通信芯片作为光模块的核心器件，也将受 益于数据中心运营商对光模块需求升级。 来源：头豹研究院编辑整理 骨干网 光模块数量=汇聚层交换 机数量核心交换机数量 2 光模块数量=核心交换机 数量2 2 16块100G光模块 160块40G 光模块 10G 核心交换机 4台 汇聚层交换机 20台 接入交换机 2,000台 机柜 1,000台 骨干网 光模块数量=脊 交换机数量叶 交换机数量2 光模块数量=脊 心交换机数量2 2 10G 脊交换机 8台（330/8） 叶交换机 300台 机柜 1,000台 下行带宽1,000G （100 10G） 上行带宽330G （1000G/3） 传统三层架构数据中心高速光模块需求测算 叶脊二层架构数据中心高速光模块需求测算 一根光纤两端需2块光 模块作为连接 32块100G光模块 4,800块 40G光模块 每台核心交换机有2路 输出21 2019.11 LeadLeo leadleo 中国光通信芯片行业投资风险分析 研发风险 国际大型光通信芯片企业把持超过90%高速芯片市场份额，该类国际一 流企业通过整合行业资源不断加强自身市场地位，导致中国光通信芯片 企业的生存环境逐渐被这类大厂蚕食。从2018年3月份Lumentum并购 Oclaro，到2019年II-IV并购Finisar，显示国际厂商通过整合产业链完 成技术和业务转型，使产品覆盖光通信芯片、光模块领域所有环节。 Finisar、II-IV、Lumentum以及Oclaro等巨头在技术上已领先中国企 业1至2代，在合并后