2020年光模块在中国5G承载网的应用概览.pdf

1 2020年 光模块在中国5G承载网的应用概览 2020 Application of Optical Modules in Chinese 5G Network Study 2020年中国5G積載網光応用概要 概览标签：5G，光模块、光器件 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。 报告作者：张顺 2020/062 2020 LeadLeo 概览摘要 光模块用于实现光电信号的转换，广泛用于5G承载网与数据中心，由光发射组件（含激光器）、光接收组件（含光探测器）、驱动芯片与放大器等组成。在发送端，一定速 率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号。在接收端，一定速率的光信号输入模块后由光探测器（PD）转换为电信号，经前置放大器后输出相 应速率的电信号。按传输速率分类，光模块可分为10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s与400Gb/s等。当前，中国头部光模块企业已实现400Gb/s光模块的量产。 光模块在5G承载网中的应用 5G承载网络通过城域网与骨干网、实现5G业务前传、中传与回传功能，其中各层设备之间主要依赖光纤与光模块实现互连。5G前传主要有4种解决方案，不同 的解决方案需采用不同类型的光模块。5G基站采用的三级架构相比4G基站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。此外， 为满足5G网更高的速率和低时延指标，各级光传输节点之间光端口速率提升明显，需采用光模块的传输速率亦随之提升。 光芯片与电芯片国产化加速，光模块行业核心制约因素减弱 芯片为光模块器件中成本占比与技术壁垒最高的器件。中国芯片技术落后是制约光模块行业的发展核心因素。在中国政策大力的支持下以及光通信产业化的背 景下，芯片国产化加速，光模块行业核心制约因素减弱。芯片国产化提升将减少中国光模块厂商对芯片的进口依赖，并降低光模块厂商的采购成本。同类型光 芯片，进口光芯片的售价至少高于国产芯片的20%。光、电芯片是光模块器件中成本占比最高的器件，降低光芯片的成本将大幅提升光模块产品的利润空间。 光模块产业链加速整合 国际光模块龙头企业通过收并购的方式不断进行产业链拓展，成功完成技术与业务转型，使产品覆盖光芯片、光器件与光模块领域的多数环节。国际光模块龙 头企业通过把握产业链各个环节，将上下游的协同作用最大化。中国光模块企业效仿国际龙头企业，加速整合产业链，通过收并购等的方式获取产业链各环节 先进技术。 企业推荐： 易飞扬、极致兴通，储翰科技3 2020 LeadLeo 名词解释 - 05 中国光模块行业综述 - 08 光模块定义 - 08 光模块分类 - 09 光模块在5G承载网的应用 - 10 光模块发展现状 - 12 光模块产业链分析 - 13 中国光模块行业驱动力分析 - 18 5G建设加速推动光模块需求增长 - 18 核心芯片国产化加速 - 19 中国光模块在5G承载网领域市场规模分析 - 20 中国光模块行业政策分析 - 21 中国光模块行业发展趋势分析 - 22 产业链加速整合 - 22 PAM4成为光模块主流信号调制技术 - 23 中国光模块行业竞争格局分析 - 24 中国光模块行业投资风险分析 - 26 中国光模块行业企业推荐 - 27 方法论 - 33 法律声明 - 34 目录4 2020 LeadLeo Terms - 05 China Optical Modules Industry Overview - 08 Definition of Optical Modules - 08 Classification of Optical Modules - 09 Application of Optical Modules in 5G Network - 10 Development status of Optical Modules - 12 China Optical Modules Industry Chain Analysis - 13 China Social Optical Modules Industry Driver - 18 5G Network Construction Accelerates the Growth of Optical Module Demand - 18 Accelerating the Localization of Core Chips - 19 China Optical Modules Industry Market Size - 20 China Optical Modules Industry Related Policy - 21 China Optical Modules Industry Trend - 22 Accelerate the Integration of Optical Modules Industry chain - 22 PAM4 Becomes the Mainstream Signal Modulation Technology for Optical Modules - 23 China Optical Modules Industry Competitive Landscape - 24 China Optical Modules Industry Investment Risk - 26 China Optical Modules Industry Valuable Enterprise Recommendation - 27 Methodology - 33 Legal Statement - 34 目录5 2020 LeadLeo FP激光器：Fabry-Perot Laser，即法布里-珀罗激光器，一种边发射激光器，适用于中短距场景。 DPB激光器：Distribute Feedback Laser，即分布反馈式激光器，一种边发射激光器，在FP激光器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。 EML：Electroabsorption Modulated Distributed Feedback Laser Chip，即电吸收调制激光器，一种边发射激光器，在DFB激光器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。 VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，即垂直腔面发射激光器，一种面发射激光芯片，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。 光发收组件：激光器和探测器分别与尾纤、结构件以及滤光片封装为光发射组件、光接收组件（光发收组件）。 LR：Long Reach，表示光模块的传输距离。LR指10km以上的传输距离。LR后面的数字表示光模块信号通道数量，例如LR4表示有4个信号通道，传输距离超过10km的光 模块。 ER：Extended Reach，表示光模块的传输距离。ER指40km以上的传输距离。ER后面的数字表示光模块信号通道数量。 FR：表示光模块的传输距离。FR指2km以上的传输距离。FR后面的数字表示光模块信号通道数量。 NRZ信号：采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、0信息，每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息。 PAM4信号：采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。在相同通道物理带宽情况下，PAM4传输相当于NRZ信 号2倍的信息量，从而实现速率的倍增。 RUU：Remote Radio Unit（RRU），基站设备之一，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，并将这些发送/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。 BBU：Base Band Unit（BBU），即基带处理单元，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。 名词解释（1/36 2020 LeadLeo AUU：Active Antenna Unit（AAU），即有源天线单元，为天线与射频处理单元（RUU）的集成。 CU：Centralized Unit，将原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，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。 磊晶生长：一种用于半导体器件制造过程中，在原有晶片上长出新结晶，以制成新半导体层的技术。 PCB：Printed Circuit Board，即印制电路板，是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。 WDM：Wavelength Division Multiplexing，波分复用技术，是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在 一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。 DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用，是WDM技术的一种。DWDM的信道间隔从0.2nm到1.2nm。 Fabless：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。 IDM：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。 消光比：指激光器在发射全“1”码时的光功率P1与全“0”码时发射的光功率P0之比。 Gbaud：调制速率，指有效数据讯号调制载波的速率，即单位时间内载波调制状态变化的次数。它是对符号传输速率的一种度量，1波特即指每秒传输1个符号，而透过 不同的调制方式，可以在一个码元符号上负载多个bit位讯号。 Gb/s：比特率的单位，可简写为“G”。比特率越高，单位时间传送的数据量（位数）越大。 Post-FEC：纠错后误码率。FEC纠错算法根据自身的纠错能力，对接收到的部分错误码进行纠正后，无法被纠正的错误比特数与总传送比特数的比率。 PMA：Physical Medium Attachment Sub-layer，用于适配PMD层，提供映射、复用解复用、时钟恢复等功能，可选提供环回、测试等辅助诊断功能。 PMD：Physical Medium Dependent Sub-layer，提供物理传输媒介接口。一个以太网速率，存在多个不同的PMD子层，分别适配不同的物理接口。PMD子层同时负责对 数据通道信号检测功能。 GPON：最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽，高效率，大覆盖范围，用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化，综合化改造 的理想技术。 名词解释（2/37 2020 LeadLeo EPON：是基于以太网的PON技术。它采用点到多点结构、无源光纤传输，在以太网之上提供多种业务。 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 应用的技术。 名词解释（3/38 2020 LeadLeo 9 2020 LeadLeo 中国光模块行业综述光模块定义 激光器芯片与探测器芯片是实现光模块光电信号转换功能的核心器件。不同类型的激 光器和探测器在性能和成本等方面存在差异 光模块定义 光模块用于实现光电信号的转换，广泛用于5G承载网与数据中心，由光发射组件（含 激光器）、光接收组件（含光探测器）、驱动芯片与放大器等组成。在发送端，一定 速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号。在接收端， 一定速率的光信号输入模块后由光探测器（PD）转换为电信号，经前置放大器后输出 相应速率的电信号。 激光器芯片 光发射组件 探测器芯片 光接收组件 光模块结构 电芯片 驱动芯片 光发射组件 激光器芯片 内置光纤 陶瓷套管 放大器 光接收组件 探测器芯片 内置光纤 陶瓷套管 电 信 号 电 信 号 光纤传输 调制光信号 电信号 电光转换 光传输 光电转换 电信号 光模块工作原理 光芯片 光芯片定义 激光器芯片与探测器芯片是实现光模块光电信号转换功能的核心器件，统称为光芯片。 光芯片的传输速率直接决定光模块传输速率，是光模块产业中技术壁垒最高的环节， 亦是中国当前亟待突破的环节。激光器芯片可分为垂直腔面发射激光器（VCSEL）、 法布里-珀罗激光器（FP）、分布式反馈激光器（DFB）、电吸收调制激光器（EML） 等；探测器可分为PIN结二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）等。不同类型的激 光器和探测器在性能和成本等方面存在差异，光模块厂商可根据具体规格要求选择不 同的芯片方案。 类别 传输速率 传输距离 应用场景 优点 缺点 激光器 芯片 FP 155M-10G 小于 20km 基站、数据中心 谱线较窄，调制速率高， 成本低 耦合效率低， 线性度差 DFB 2.5G-40G 小于 40km 基站、数据中心 谱线窄，调制速率高， 波长稳定好 耦合效率低， 成本高 EML 10G以上 大于 40km 基站、数据中心 调制速率高、稳定性好 成本高 VCSEL 155M-25G 500m 数据中心、消费 电子领域 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 155M-40G - 基站、数据中心 噪声小，工作电压低， 成本低 灵敏度低 APD 1.25G-10G - 基站、数据中心 灵敏度高 成本高 光芯片分类 来源： IMT-2020，头豹研究院编辑整理10 2020 LeadLeo 中国光模块行业综述光模块分类 按 传 输 速 率 分 类 ， 光 模 块 可 分 为 1 0Gb/s 、 25Gb/s 、 50Gb/s 、 100Gb/s 、 200Gb/s 与 400Gb/s等。当前，中国头部光模块企业已实现5G 承载网领域200Gb/s光模块的量产 分类方式 光模块种类 光模块介绍 光模块对比 按是否支持波分复用 （WDM）应用 彩光模块 支持波分复用技术，允许中心波长不同的光信号在同一根光 纤中传输且互不干涉，实现同时在一根光纤上传输多路信号 每一路信号都由某种特定波长的光传送 彩光模块技术难度大、成本更高， 彩光模块支持WDM技术可大量节省光纤资源 灰光模块 不支持波分复用技术，一根光纤仅能传输一路信号 按光接口模式分类 双纤双向（Duplex） 需配置两根光纤与两个光端口，分别负责信号的发射与接收 BiDi光模块技术难度更大，5G前传使用的Duplex已 实现量产，而BiDi光模块还在样品阶段 BiDi光模块仅需配置一根光纤与一个光端口，节省 光纤资源与光端口资源，为未来主流光模块 单纤双向（BiDi） 仅需配置一根光纤与一个光端口。BiDi光模块利用WDM技术 实现一根光纤同时传输收发两个方向的光信号 按调制格式分类 NRZ信号 采用高、低两种信号电平来表示要传输的数字逻辑信号的1、 0信息，每个信号符号周期可以传输1bit的逻辑信息 PAM4光模块中PMA信号调制芯片技术难度极大， 中国极少的企业可以量产 PAM4光模块可减少激光器与探测器成本。以50G 光模块为例，采用NRZ调制模式的光模块需集成2 个25G激光器，而采用PAM4调制模式的光模块仅 需1个25G激光器 PAM4信号 采用4个不同的信号电平来进行信号传输，每个符号周期可以 表示2个bit的逻辑信息（0、1、2、3）。在相同通道物理带 宽情况下，PAM4传输相当于NRZ信号2倍的信息量，从而实 现速率的倍增 光模块分类 按传输速率分类，光模块可分为10Gb/s、25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s、200Gb/s与400Gb/s等。当前，中国头部光模块企业已实现5G承载网领域200Gb/s光模块的量产与数 据中心领域400Gb/s光模块的量产。相同速率光模块按是否支持波分复用、光接口模式、调制格式可进一步拆分。 光模块分类 来源：头豹研究院编辑整理11 2020 LeadLeo 中国光模块行业综述光模块在5G承载网的应用（1/2） 5 G基站采用的三级架构相比4 G基站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 5G承载网架构介绍 电信运营商通信网络整体结构通常包括骨干网与城域网，其中骨干网是运营商核心网络，城域网可分为核心层、汇聚层与接入层。电信运营商在接入层建设大量的通信基站， 将网络信号覆盖至各个区域，使用户可以接入网络。同时，通信基站将用户的数据通过城域汇聚层和核心层网络回传至电信运营商的骨干网。 4G EPC 骨干网 回传 回传 AAU DU CU RRU 天线 BBU 中传 前传 前传 基站设备 城域接入网 城域汇聚层和核心层 骨干网 5G承载网结构变化较大，将原4G的BBU、RRU两 级架构重新拆分成AAU、DU、CU三级结构。5G基 站设备将4G原有的RUU设备与天线设备重新集成 为新的AAU设备，同时将4G原有的BBU设备拆分 为DU与CU设备。5G承载网中AAU与DU设备间构 成前传，DU与CU设备间构成中传，CU与骨干网 间构成回传。 光模块在5G承载网中的应用 5G承载网络通过城域网与骨干网实现5G业务前传、中传与回传功能，其中各层设备之间主要依赖光纤与光模块实现互连。5G前传主要有4种解决方案（AUU与DU的连接方 式），不同的解决方案需采用不同类型的光模块。5G基站采用的三级架构相比4G基站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。此外， 为满足5G网更高的速率和低时延指标，各级光传输节点之间光端口速率提升明显，需采用光模块的传输速率亦随之提升。 5G前、中、回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层，接入层将主要采用25Gb/s、50Gb/s、100Gb/s等速率的灰光或彩光模块。汇聚层与核心层对带宽要求更高，因此较多采 用100Gb/s、200Gb/s、400Gb/s等速率的DWDM彩光模块。5G前传具有多种解决方案，不同的解决方案需采用的光模块种类不同，主要包括25Gb/s速率光模块，支持数百米 到20千米的典型传输距离。 5G承载网结构 来源： IMT-2020，头豹研究院编辑整理12 2020 LeadLeo 中国光模块行业综述光模块在5G承载网的应用（2/2） 当前能满足大带宽、低时延等要求的前传方案主要有以下四种：光纤直驱、有源波分、 无源波分、半有源波分，其中光纤直驱为当前5G前传主流方案 连接方案 优势 劣势 光模块方案 方案展示 光纤直驱 DU和AAU之间采用光纤点 对点传输 无需额外传输设备 无需额外的电源消 耗 缺少保护设备 需要消耗大量的光纤 资源 无监控能力 25Gb/s灰光模块 有源波分 在AAU站点和DU机房中部 有源WDM设备，通过波分 的WDM设备在一根光纤中 实现对多个AAU的承载，多 个AAU可共享一个波长 高可靠，低成本 节省大量光纤资源 精准定位故障位置 需要供电 需要设备安装 10Gb/s或25Gb/s 短距灰光模块 25Gb/s彩光模块 半有源波分 在DU旁部署有源WDM，在 AAU旁部署无源WDM，有 源与无源WDM设备间通过 一条光纤连接 远端无需供电 可靠性高 精准定位故障位置 无明显缺点 10Gb/s或25Gb/s 短距灰光模块 25Gb/s彩光模块 无源波分 多个AAU通过无源的波分复 用方式共享一根光纤传输， 无需独立配电 光接口速率要求低 场景下、成本较低 故障定位复杂 可扩展性差 10Gb/s或25Gb/s 彩光模块 AAU 光纤两端采用25G灰光模块 AAU 光纤 有源WDM设备 间使用彩光模块 有源 设备 WDM 设备 WDM 设备 有源 设备 光纤 DU WDM设备 AAU WDM设备间使用彩光模块 光纤 WDM设备 有源 设备 灰光 模块 DU 光纤 AAU 无源WDM设备间使 用彩光模块 光纤 WDM设备 WDM设备 DU 5G承载网前传解决方案 当前能满足大带宽、低时延等要求的前传方案主要有以下四种：光纤直驱、有源波分、无源波分、半有源波分，其中光纤直驱为当前5G前传主流方案。 注 表示需使用彩光模块 表示需使用灰光模块 DU 5G前传网解决方案 来源：华为官网，头豹研究院编辑整理 13 2020 LeadLeo 中国光模块行业综述光模块行业发展现状 光模块使用的光、电芯片技术门槛极高。中国在芯片领域仍受制于人，制约光模块行 业发展 中国光模块行业发展现状 当前，5G基站采用的光模块传输速率覆盖25Gb/s至400Gb/s，其中100Gb/s及以下速 率的光模块已量产。中国头部光模块企业已批量量产5G承载网领域200Gb/s光模块， 大部分中小企业仅能量产100Gb/s系列光模块。 同种速率不同类型的光模块研发进度不同，例如，5G前传25Gb/s光模块领域，Duplex 类光模块已实现量产，而BiDi光模块仍在研发阶段。40km以下的200G光模块已完成 批量量产，80km以上的200G光模块仍在小批量阶段。 中国光模块行业发展制约因素 光、电芯片是光模块的核心器件，光芯片的传输速率觉定光模块的传输速率，而电芯 片负责光模块中信号的放大与处理。光模块使用的光、电芯片技术门槛极高。中国在 芯片领域仍受制于人，制约光模块行业发展。 光芯片的传输速率直接觉定光模块的传输速率。100Gb/s光模块可由4个25Gb/s光芯 片集成，因此光芯片自身的传输速率越高，集成的光模块的传输速率越高。中国光芯 片行业在起步阶段，在高速芯片（25Gb/s及以上）领域的研发进程落后发达国家3年 左右，极大限制了中国光模块行业的发展。 电芯片国产化进程低于光芯片，25Gb/s系列的电芯片基本依赖进口。在核心DSP数字 信号处理芯片领域仅有华为海思实现量产，并成功用于50Gb/s PAM4光模块产品中。 应用场景 速率 光模块类型 商用化进展 前传 25G Duplex 300m 批量 Duplex 10km 批量 Bidi 10km 样品 Bidi 20km 样品 CWDM 10km 批量 100G Duplex 10km 批量 Bidi 10km 小批量 200G Bidi 10km 批量 中、回传 50G PAM4 Duplex 10km 量产 50G PAM4 Duplex 40km 小批量 100G FR4 2km LR4 10km ER4 40km 批量 200G FR4 2km LR4 10km ER4 40km 批量 200G 80km+ 小批量 400G FR8 2km LR8 10km 在研 400G 80km+ 在研 5G光模块商用化进展 来源： IMT-2020，头豹研究院编辑整理14 2020 LeadLeo 中国光模块行业光模块产业链分析 光模块产业链竞争格局呈橄榄球式分布，上游芯片和下游设备竞争格局确立，具备技 术和资本垄断优势，中游竞争较为激烈，模块厂商众多 下游 中游 上游 光芯片 光芯片 25Gb/s以上速率的 光模块中，光芯片 的成本占比为60% 25Gb/s光芯片系列 国产化率20%左右 电芯片 电芯片 25Gb/s电芯片的成 本占比为18% 25Gb/s电芯片系列 国产化率低于5% PCB PCB 中国大陆PCB产值 占据全球PCB市场 产值的52.3% ， 成为全球PCB产业 第一大国 2019年，中国光芯片市场销售额在全球市场销售 额占比不足10% 2019年，中国光模块市场销售额在全球市场销售额占比25%-30% 2019年，中国通信设备销售额在全球市场销售额占比 50%-60% 电信运营商 电信运营商 通信设备厂商 通信设备厂商 云数据中心运营商 云数据中心运营商 多寡头市场竞争 格局 中国通信设备企 业在全球具备极 强的竞争力，华 为和中兴市场份 额位列全球前五 未来5年将总共建设563 万架基站 单架5G基站需使用10- 16只光模块 新建设的数据中心已叶 脊架构为主 数据中心跌代速度快， 高速光模块需求量大 第 一 梯 队 400G光模块 商用能力 400G QSFP-DD 400G OSFP 400G QSFP-DD 芯片自主 研发能力 外购芯片 强 第 二 梯 队 400G QSFP-DD 400G QSFP-DD 400G QSFP-DD 400G OSFP 较强 较强 外购芯片 第 三 梯 队 400G QSFP-DD 400G QSFP-DD 400G 硅光模块 外购芯片 外购芯片 较强 光模块产业链 来源：招商证券，头豹研究院编辑整理15 2020 LeadLeo 中国光模块行业产业链产业链上游（1/3） 光芯片在光模块成本占比随光模块速率的提升而上升。在2 5 G b / s以上速率的光模块中， 光芯片的成本占比为60% 光芯片在光模块中的成本占比 光芯片在光模块成本占比随光模块速率的提升而上升。在10Gb/s以下的光模块，光芯片的成本占比在30%左右；在10Gb/s-25Gb/s速率的光模块中，光芯片的成本占比提升 至40%；在25Gb/s以上速率的光模块中，光芯片的成本占比进一步提升至60%。 中国光芯片行业发展现状 光芯片国产化进程 国产芯片以低端产品为主，高端领域海外垄断。当前，中国企业已大规模量产10Gb/s 及以下的光芯片，并量产部分25Gb/s系列芯片。在25Gb/s以上的光芯片，中国企业仍 在研发阶段，尚未取得重大突破。 5G承载网对25Gb/s系列光芯片需求量最大，中国头部企业虽量产部分25Gb/s系列光 芯片，但产能较小，不能满足中国5G网络建设需求。此外，华为海思与光迅科技自产 的25Gb/s光芯片均自用，不对外销售，因此多数光模块企业仍需进口国际先进企业生 产的光芯片如Oclaro、Avago、三菱等。 中国光芯片行业发展制约因素 光芯片工艺流程较为复杂，包括芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造四个环 节。中国光芯片企业均为Fabless厂商，仅负责光芯片的设计，基板制造、磊晶成长、 晶圆制造等工艺需外包至其它厂商。国际光芯片巨头企业如Finisar、Lumentum等多 为IDM厂商，生产工艺覆盖芯片设计、基板制造、磊晶成长、晶粒制造全环节。中 国光芯片产业化不够完整，缺失核心技术与设备是限制光芯片行业发展的核心因素。 光芯片类型 发达国家产品化能力 中国产品化能力 中国代表企业 10G及以下系列 批量 批量 光迅科技（自用）、海信宽带等 25G DFB 批量 批量 光迅科技（自用）、华工科技 25G EML 批量 批量 华为海思（自用） 25G Pin 批量 批量 光迅科技 25G APD 批量 研发阶段 - 25G以上系列 量产部分50G系列芯片 研发阶段 - 中国高速光芯片国产化进程 磊晶成长技术缺失：磊晶生成的外延片质 量（Wafer）是决定光芯片性能的关键因素， 技术壁垒极高。 目前超过50%的光芯片领域的磊晶成长与 制造市场由Finisar、Lumentum和Avago等 垂直一体化厂商（IDM）把控。 由于中国在磊晶成长与晶粒制造环节产能 严重不足及工艺落后，中国芯片企业流片 进度严重受制于国外。 半导体设备产业薄弱：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，在高端光刻机 与刻蚀机领域进口依赖严重。荷兰ASML、 日本Nikon及日本Canon合计占据全球75% 的光刻机市场份额。 美国泛林集团、日本东京电子、美国应用 材料共占据全球刻蚀机市场80%以上的份额。 中国光芯片行业发展制约因素 来源：头豹研究院编辑整理16 2020 LeadLeo 中国光模块行业产业链产业链上游（2/3） 光电芯片国产化进程低于光芯片，2 5 G b / s及以上光模块使用的电芯片主要依赖进口， 自供率不足5% 电芯片行业 光模块中使用的电信片包括激光驱动器芯片、放大器芯片（TIA）、MA主放芯片(MA）、DSP数字信号处理芯片（DSP）、CDR时钟和数据恢复电路芯片（CDR）与 MUX&DeMUX并串转换电路芯片，其中DSP数字信号处理芯片技术难度最高。电芯片在光模块中的作用包括实现电信号的功率调节与复杂的数字信号处理两方面。 （1）光模块发射端：电信号通过CDR、DSP等信号处理芯片完成信号内调制或外调制，驱动激光器芯片完成电光转换； （2）光模块接收端：光信号通过探测器芯片转化为电脉冲，然后通过TIA、MA等功率处理芯片调幅，最终输出终端可以处理的连续电信号。光芯片和电芯片配合工作实现 了对传输速率、消光比、发射光功率等主要性能指标的实现，是决定光模块性能表现的最重要器件。 主要功能 技术难度 中国替代供应商 25Gb/s产品国产化进程 激光器驱动芯片 在DFB、FP激光器前产生驱动电信号 中 华光光电 光迅科技 海信宽带 6% 放大器芯片 实现电信号的功率调节 中 华工科技 飞昂通讯 厦门优讯 5% MA主放 实现电信号的功率调节 中 尚未出现市场认可度 高的企业 5% DSP数字信号处理芯片 实现PAM4调制 高 华为 南京美辰微电子 3% CDR时钟和数据恢复 电路芯片 在输入数据信号中提取时钟信号并找 出数据和时钟正确的相关关系 高 飞昂通讯 光梓信息 福建亿芯源 3% MUX&DeMUX并串转换 电路芯片 实现并行数据和串行数据的转换 低 亿源通 奇芯光电 7% 电芯片成本占比 电芯片在光模块中的成本占比 在18%左右，仅次于光芯片在光 模块中的成本占比。 电芯片国产化进程 电芯片国产化进程低于光芯片， 25Gb/s及以上光模块使用的电 芯片主要依赖进口，自供率不 足5%。高速CDR与DSP等技术难 度较大电芯片和领先国家存在 1-2代的技术差距。 中国电芯片国产替代分析 来源：太平洋证券，头豹研究院编辑整理17 2020 LeadLeo 中国光模块行业产业链产业链上游（3/3） 中国大陆的P C B产品整体技术水平与美国、日本、韩国、台湾地区相比存在差距，但随 着产业规模的快速扩张，中国大陆PCB产业的升级进程不断加快 PCB在光模块中的成本占比 PCB（Printed Circuit Board），印制电路板，是电子设备的关键互连件，在电子设备中起到支撑、互连的作用。光发、收组件与电芯片等器件组装成光模块时，需用到PCB 将各组件互连。PCB在光模块成本占比在5%左右。 PCB产能向中国大陆转移 PCB产能的转移经历以下四个阶段。1994年-2000年间，PCB产能集中在欧美发达国家； 2001年到2003年，全球PCB产能逐步向日本和韩国转移；2008年到2011年，由于全球 2008年金融危机，加之日本当地人工成本、环保等因素，日本PCB产业逐步向中国台 湾转移；2011年至今，全球PCB产业逐步向中国大陆转移。随着日、美、韩资企业的 相继关闭，中国大陆PCB厂商市场占据额逐步增大。截至2019年，中国大陆PCB产值 占据全球PCB市场产值的52.3%，成为全球PCB产业第一大国。 中国大陆的PCB产品整体技术水平与美国、日本、韩国、台湾地区相比仍存在差距， 但随着产业规模的快速扩张，中国大陆PCB产业的升级进程不断加快，高端多层板、 挠性板、HDI板等产品的生产能力均实现了较大提升。 目前中国已成为全球最大的PCB生产地区。PCB成为中国光模块器件中少数实现自主 可控、国产化的电子器件。中国PCB头部企业包括东山精密、深南电子与景旺电子 等可稳定为中游光模块企业提供高质量的PCB产品，助力光模块行业稳定发展。 46% 47% 48% 49% 50% 51% 52% 0 50 100 150 200 250 300 350 2015 2016 2017 2018 2019 中国大陆PCB产值 中国大陆PCB产值在全球PCB产值的占比 第一阶段 （1994-2000年） 全球PCB产值高 速增长。2000年 PCB产值增长至 415亿美元 全球70%PCB产能 来自欧美国家。 第三阶段 （2008-2011年） 全球2008年金融危机， 全球PCB产值再次回落。 由于日本当地人工成本、 环保等因素，日本PCB 产业逐步向中国台湾转 移。2011年，中国台 湾已成为全球最大的 PCB供应地。 第二阶段 （2001-2003年） 由于美国互联网泡沫 破灭引发了经济危机， 直接导致PCB市场规 模缩水，从2000年约 415亿美元降至2003 年的333亿美元左右。 全球PCB产能逐步向 日本和韩国转移 第四阶段 （2011年-） 全球PCB产值增长 放缓。 中国大陆PCB产值 占据全球PCB市场 产值的52.3% ，中 国大陆成为全球 PCB产业第一大国 中国大陆PCB产值，2015-2019年 全球PCB产业转移路径 来源：头豹研究院编辑整理 亿美元18 2020 LeadLeo 中国光模块行业产业链产业链下游 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 下游应用市场 5G承载网市场 当前，中国正处于4G网至5G网的过渡期。为实现5G网高速率与低时延指标，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）中传光模 块向100G及更高升级；（3）回传需200G及以上光模块。 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，五家公司合计收入占全球市场收入的75%左右， 行业呈现寡头的竞争格局。排名第一的华为积极布局中游光模块行业与上游核心器件光芯片行业。华为率先实现50G PAM4光模块的量产，广泛应用于5G承载网的建设。华 为旗下华为海思为中国首家量产25G EML芯片的企业。EML光芯片具有较长的传输距离，可应用于5G承载网中的中传与回传。华为积极布局光网络全产业链，推动光芯片、 光模块等行业的快速发展。 数据中心市场 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。为解决数据流量 暴涨问题，数据中心运营商加速建设超大型数据中心并升级数据中心光端口速率。当 前，新建设的数据中心已叶脊架构为主，各环节各端口使用40G-400G光模块。 数据中心市场发展迅速，使用的光模块平均3-4年完成一次产品迭代，对中游光模块 与上游光、电芯片的研发进度提出严峻挑战。以北美数据中心为例，2012-2015年， 北美数据中心采用10G/40G光模块；2015-2018年，北美云巨头企业升级数据中心至 25G/100G传输速率；2019年，亚马逊、谷歌等巨头进军400G传输速率的数据中心， 小规模采购400G光模块，完成数据中心的第二次升级。 数据中心 注意：数据中