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通信设备 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 1/29 通信设 备 2023 年 10 月 11 日 投 资评 级：看好（维持）行 业走 势图 数据 来源：聚源 光模块系列深度（一）：光电之门，踏浪前行 行业深度报告-2023.9.20 光 模 块 系 列 深 度（二）：降 本 降 耗趋 势 显 著，聚 焦技术 创新 行 业深度报告 任浪（分析师）张越（联系人）证书编 号：S0790519100001 证书编 号：S0790123090001 算力时代下光模块降 本降 耗趋势愈发凸显 算 力 需 求 提 升 带 动 网络 带 宽 成 倍 提 速，数 据 中 心 能 耗 呈 指 数 型 增 长。据咨 询机构 Tirias Research 建模 预 测，到 2028 年 数据 中心 功 耗将接 近 4250MW，比 2023年增 加 212 倍，数据 中心 基础设 施加 上运 营成 本总 额或 超 760 亿美 元。数据中心的能耗主要 体现 在 IT 设备。IT 设 备占 数据 中心整 体的 能耗 达 45%，其中服务 器类 约 占 50%，存 储系统 约 占 35%，网 络通 信设备 约 占 15%。高性能交换芯片和光 模块 的使用导致网络设备 功耗 大幅增加。根 据 Cisco 的数 据显示，2010-2022 年 全球 数 据中心 的网 络交 换带 宽提 升了 80 倍，相 对应 交换 芯 片功耗提 升 约 8 倍，光 模块 功耗提 升 26 倍，交 换芯 片 SerDes 功 耗提 升 25 倍。LPO 线性直驱成为短距 离 场景下针对 DSP 功耗问题的 重要解决方案 LPO 是对含有 DSP 设计的高速热插拔以太网 模块 的 改进。LPO 通过 使用 性 能提升的 TIA、Driver 芯片，剔 除高速 率可 插拔 模块 携带 的 DSP，带 来模 块功 耗下 降。LPO 的主要壁垒在于电芯 片，应用场景局限于 短距 离连接场景。目前 全球 主 要的电芯 片 供 应商 为 Macom、Semtech 以及 美信，应用 场景主 要限 于短 距离（50m内）的 连接 场景。目前国内的布局 LPO 的厂 商主要为剑桥科技和 新易 盛。剑桥 科技 与电 芯片 龙 头Macom 建 立 了 供 应 链 合 作 关 系，预 计 2023 年 下半年 首 批 基 于 硅 光 的 LPO 400G/800G 产品 实 现小 批 量出货。CPO 是超高速场景下 的颠 覆性降耗技术，海外 龙头 布局领先 数据中心带宽的增长 导致 高频电链接距离问题 愈发 突出。为 了保 障信 号的 高质 量传输、优化 SerDes 功 耗，交换芯 片和 光模 块之 间的 封装距 离需 要进 一步 缩短。3D 封装是目 前 CPO 技术 研究的热点和趋势。3D 封装 可以 实现 更短 的互 连距 离、更高的 互连 密度、更 好的 高频性 能、更低 的功 耗以及 更高 的集 成度。博 通称 采用CPO 的 结构 可以 节约 40%的功耗 和 40%的 每比 特成 本。国内企业进入 CPO 领域较 晚，在产品开发进度 及技 术研究方面相对海外 存在 明显的差距。目前还没有 CPO 相 关 的 产 品 推 向 市 场，高 端 产 品 主 要 产 品 集 中 于400G/800G 的 硅光 模块。薄膜铌酸锂有望成为 高速 率场景下高效调制器 的重 要选择 薄膜铌酸锂目前国内 还处 于 研发阶段，离产业 化还 有距离。基 于混 合集 成思 路，在硅片 上局 部键 合薄 膜铌 酸锂制 作调 制器，有 望充 分 利用铌 酸锂 材料 高电 光系 数的特性，实 现成 本与 性能 的兼顾，成 为未 来高 速率 场景下 的重 要方 案。受益标的：剑 桥科 技、新 易盛、中际 旭创、光迅 科 技、锐 捷网 络以及 光 库科 技等。风险提示：电 芯 片及 光芯 片 的供应 链风 险；云 厂商 资本 开支不 及预 期的 风险 等。-19%0%19%38%58%77%2022-10 2023-02 2023-06通信设备 沪深300相 关研 究报告 开源证券 证券研究报告 行业深度报告 行业研究 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 2/29 目 录 1、倚靠 半导体 工业而 生，算 力时代 下降本 降耗趋 势愈发 凸显.4 1.1、内部结 构解析：基于 IC 工 艺，围绕 TOSA/ROSA 构 建 的光 电转化 体系.4 1.2、算力时 代下光 模块降本 降耗趋 势凸显.13 2、LPO 线 性直驱：有望 在短 距离场 景下发 挥潜力.16 3、CPO：超 高速 场景下 的颠 覆性技 术，海 外龙头 布局领 先.17 4、薄膜 LiNbO3 调制 器：高 速率场 景下结 合硅光 或大有 可为.25 5、受益 标的.27 6、风险 提示.27 图 表目 录 图 1：信 息流包 括光信 号的产 生/调制/处理/探测 等.4 图 2：光 模块可 按照速 率、距 离等进 行分类.5 图 3：光 模块主 要由 TOSA、ROSA、功 能电路 等组成.5 图 4：Finisar 设 计的 光模块内 部解剖 图.5 图 5：4x25Gps QSFP28 光模 块基本 原理框 图.6 图 6：Maxim 为 光 模 块设计 的 MCU 内部架 构包括 内核、时钟、存储 等.6 图 7：DSP 除了 能提供 CDR 的 数字 时钟恢 复功能 外，还 可去除 噪声、非线性 干扰等.7 图 8：DSP 在发 射端和 接收 端进行 各种信 号的补 偿.7 图 9：非 相干光 通信（上）和 相干光 通信（下）的 区别主 要在调 制和检 测方式.8 图 10：CDR 从信 号中提 取数 据序列，恢复 出相应 的时钟 时序信 号.9 图 11：直接调 制下直 接控制 电流的 开通和 关断.9 图 12：外调 制将开 关移至激 光器外 面，可 用于长 距离传 输.9 图 13：TOSA 的 基 本结构主 要包括 激光器、隔离 器等（To-Can 封 装 形式）.10 图 14：LD 工作原 理基于半 导体的 PN 结.10 图 15：EEL 和 VCSEL 在 腔 体结构 上存在 差异.11 图 16：激光 器芯片 按照出光 结构可 分为面 发射和 边发射.11 图 17：ROSA 的 基 本结构包 括 PD、TIA、LA 等.12 图 18：PD 二 极管的 基本结构 与类型.12 图 19：光器 件元件 和光/电芯 片占光 模块成 本主要 部分.12 图 20：DFB、APD、TIA 占 光器件 成本的 主要部 分.12 图 21：算力 和带宽 高速发展 带动数 据中心 功耗大 幅提升.13 图 22：典型 数据中 心的能耗 主要分 布于 IT 和制冷 设备.13 图 23：IT 设 备分为 服务器、存储器、网络 设备以 及其他.13 图 24：商用 交换芯 片容量处 于每两 年翻一 番的快 速增长.14 图 25：交换 机密度 每两年翻 一番.14 图 26：光模 块功耗 随着速率 的提升 大幅增 长.14 图 27：热插 拔模块 速率越高 对应的 单位 bit 功耗 越低.14 图 28：交换 芯片容 量提升导 致 SerDes/光模块 的功耗也 大幅提 升.15 图 29：降低 光模块 功耗的方 式主要 从四个 方面改 进.15 图 30：800G 热插 拔光模 块的 功耗主 要分布 于激光 器和 DSP.16 图 31：含 DSP 的高速 率光模 块功能 图.16 图 32：取消 DSP 的 LPO 光 模块功 能图.16 1ZCXuNqNsRqRoQtQmRpQoP9P8Q9PnPpPpNnOeRnMpPlOqRnM6MmNoNNZmQuNuOpOtR行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 3/29 图 33：英思 嘉与剑 桥科技发 布的基 于硅光 的 LPO 400G 光 模块方 案将于 2023 年 Q3 开始 小批量 供货.17 图 34：不同 光芯片 衬底材料 的特性.17 图 35：光放 大器和 探测器的 区别主 要在于 波导刻 蚀的深 度和 PN 结施加 压力的 方向.18 图 36：InP 芯 片的加 工流程 主要分 为四步.18 图 37：根据 波导刻 蚀的深浅 可分为 深刻蚀、浅刻 蚀等.18 图 38：全球 InP 芯片 产业链 主要包 括 PDK、设计&检测、晶圆 代工、封装以 及模组 制造几 个环节.19 图 39：光引 擎离 switch 越 近，光信 号距离 越短，SerDes 的 功耗 越小.20 图 40：CPO 的优 势体现 为低 功耗、低延时、低成 本，但 在热管 理以及 良率等 方面还 存在问 题.20 图 41：可插 拔、嵌 入式、共 封装光 模块结 构对比.21 图 42：光电 互连封 装技术的 发展过 程，未 来或通 往 3D CPO.21 图 43：台积电 COUPE 技术 封装结 构.22 图 44：Acacia 基 于 陶瓷基板 的 CPO 技术图.22 图 45：2.5D 封装 方案示 意图.22 图 46：Acacia 基 于 陶瓷基板 的 CPO 技术图.22 图 47：基于带 TSV 的 PIC 转 接板的 CPO.23 图 48：Acacia 基 于 陶瓷基板 的 CPO 技术图.23 图 49：基于 硅中介 层的 TSV 主 要制备 工艺包 括 7 个 步骤.23 图 50：传统 铌酸锂 调制器体 积大，基于硅 基底的 薄膜铌 酸锂可 解决体 积难题.25 图 51：根据 不同材 料体系光 模块的 市场份 额变化，传统 铌酸锂 材料占 比逐步 下滑.26 图 52：铌酸 锂调制 器按照驱 动类型 可分为 单臂单 驱和单 臂双驱 等.26 图 53：薄膜 铌酸锂 晶圆制备 工艺包 括离子 注入、薄膜键 合、退 火剥离 和平坦 化.26 表 1：光 通信器 件按照 物理形 态可分 为芯片、有源/无源器 件与光 模块子 系统.4 表 2：VCSEL 激 光 器适合于 短距离 传输，EML 适 合长 距离传 输.11 表 3：APD 更 适用 于长距离 传输.12 表 4：全 球主要 代工厂 加工的 光芯片 性能对 比.19 表 5：硅光 MPW 流片成 本与 InP 对比.20 表 6：CPO 海外 龙头 具有先 发优势，布局 进展相 对国内 较快.24 表 7：CPO 国内 尚处 于开发 阶段.25 表 8：重 点公司 盈利预 测与估 值.27 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 4/29 1、倚靠半 导体工业而生，算 力时代下 降本降耗 趋势愈发凸显 1.1、内部 结 构解析：基于 IC 工 艺，围绕 TOSA/ROSA 构建 的光电 转化体系 光 通信 器件 指应 用于光 通信 领域 的光 电子 器件以 及配 套 集 成电 路。光通信器 件按 照在信 息流 中的不 同作用 可以分 为五 大类，包括光 信号的 产生、调制、传输、处理 以及探 测。光收发 模块在 信息流 中对 应着光 信号的 产生、调制 和探测；光分 路器和光放 大器对应着信号 处理。光 通 信器 件按 照物 理形 态的 不同 分为 芯片、光有 源 器件、光无 源器 件、光模 块与 子 系统 四类。其中有源光收 发模块 的产 值在光通信器 件中占比 最高，其 性能 主导 着光通 信网 络的 升级 换代。图1：信息流包括光信号的 产生/调制/处理/探测等 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）表1：光通信器件按照物理 形态 可分为芯片、有源/无源器件与光模块子系统 产 品分类 典 型产品 芯片 InP 系列（高速直接调制 DFB 和 EML 芯片、PIN 和 APD 芯片、高速调制器芯片、多通道可调激光器芯片）GaAs 系 列（VCSEL 芯片、泵浦激光器芯片）Si/SiO2 系列（PLC、AWG、MEMS 芯片）SiP 系列（相干光收发芯片、高速调制器芯片、光开关芯片；TIA、LD driver、CDR 芯片）LiNbO3 系列等 光有源器件 激光器（VCSEL、DFB 直调激光器、EML 外调 激光器）光调制器（相位调制器、强度调制器、PMQ 调制器）光探测器（PIN、APD）集成器件（相干光收发器件、阵列调制器）等 光无源器件 光隔离器、光分路器、光开关、光连接器（MPO）、光背板、光滤波器等 光模块与子系统 光收发模块（10G/25G/100G/400G/800G）光放大器模块（EDFA、Raman）动态可调模块（WSS、MCS、OXC）性能监控模块（OPM、OTDR）资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022 年）、开源证券研究所 光 模块 是实现 光信 号输 入过 程中 光电转 换和 电光 转换 功能 的光电 子器 件。所 有 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 5/29 信息通 信信 号初 始状 态都 是电信 号（模拟/数字），否则 IC 芯片 无法 处理。要 实现光纤 通信，信号 发射端 需要 将 电信号 转换 为光信 号，通 过光纤 传输 到远端。信号 接收端，光探 测器 接收 到光 信 号，并转 化成 可处 理的 电 信号。光模块可按照速率、距离、封 装 方式 等多 种 类型 进行分 类。从封装来 看，光模块有 多种封装 形式，适 配不同 尺寸、功耗 和速 率需求。目前 光模块 的封 装以 可 插拔形 式为主，具 备小尺 寸、低 功耗的 优势，部分长距 高速相干 领域追 求高性能，仍采用 不可插 拔形式。随 着 交换 容 量增大、端口密度变大、功 耗增加等挑战日益严 峻，LPO/CPO 成为行业重要的 技术创新。图2：光模块可按照速率、距离 等进行分类 资料来源：高速光模块关键技术方案及标准化进展，吴冰冰，2022 光 模块的 结构使 得其具备光 电转换 的功能。光模块 通常由光发射器件（TOSA，含激光 器）、光接 受器 件（ROSA，含 光探 测器）、功 能电路、光（电）接口、导 热架、金 属外壳 等部 分组成。从发 射端来 看，驱动芯 片对原 始电信 号进 行处理，然后 驱动半导体 激光 器（LD）发射 出调制 光信 号；从接 受端 来看，光信 号进 入接 收端 端后，由光探 测二 极管（PD）转 变为电 信号，经前 置放 大 器后输 出。功 能电 路集 成 了时钟、数据恢 复芯 片以 及激 光器 驱动芯 片等。图3：光模块 主要由 TOSA、ROSA、功能电路等组成 图4：Finisar 设计的光模块内部 解剖图 资料来源：5G 承载光模块白皮 书、开源证券研究所 资料来源：ittbank 公众号 电 芯 片、主 控 芯 片、TOSA、ROSA 在光/电 转 换 过 程 中 起着重 要 的 作 用。以4x25Gps 光模 块 通 信方 案 为例，通过 MCU 控制 芯片 与电接 口利 用 I2C 引 脚进 行数据交互，将 4 路速 率高达 25Gbps 的电 信号 传送 给时 钟和 数据恢 复芯 片 CDR；然 后 MCU控制芯 片将 经 过 CDR 处 理 后的 4 路电 信号 发送 给驱 动激光 器，使得 4 通 道的 驱动激光器能 够驱 动 TOSA 组 件，从而 让 TOSA 组 件发 出 一路速 率 为 100Gbps 的光 信号；通过光 纤传 输达 到光 接口 的 100Gbps 光 信号 进入 到 ROSA 组 件中；MCU 控制 芯片与电接口 进行 数据 交换，让 ROSA 组 件将 这一 路 100Gbps 光 信号 转换 成 4 路 25Gbps 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 6/29 的电信 号发 送 给 TIA；TIA 将这 4 路电 流信 号处 理成 一定幅 度的 电压 信号，经 过 CDR处理后 通过 电接 口输 出。图5：4x25Gps QSFP28 光模块 基本原理框图 资料来源：100G 超高速光收发模块关键技术，熊光浩，2022（1）微控制单元 MCU MCU 是主打控制功能的单 片机，负责对光模块的芯 片进行调控。MCU 把 CPU的频率 与规 格做 适当 缩减，并将 内存、计 数器(Timer)、USB、A/D 转 换、UART、PLC、DMA 等 周边接 口，甚至 LCD 驱动 电路 都整 合在单 一芯 片上，形 成芯 片级 的计算机。CPU 内 核通 过存 储器的 程序 控制 外设，外 设通过 中断 系统 联 系 CPU 内核，二者通 过总 线传 输信 号、数据以 及地 址等 信息。存 储器通 常包 括 ROM 和 RAM，外设部分 包括 串口 控制 模块、SPI 模块、I2C 模块、A/D 模 块等。图6：Maxim 为光模块设计的 MCU 内部架构 包括内核、时钟、存储等 资料来源：美信半导体官网 MCU 的工作原理是逐条执 行预存指令的过程，不同 类 型的单片机有不同的 指令系统。为了 让一个 单片功能 自动完 成某项 具体任 务，需要 将 所要解 决的问 题编 成一系 列的指 令，并且这 些指令 必须是 由一 个单独 的函数 来识别 和执 行的。一系列 指令的集合 就变 成了 程序，这 些程序 需要 预先 储存 在 内 存中。MCU 在执 行程 序时 要将这些 指令逐 个提 取并执 行，必 须拥有 能够 跟踪指 令所在 存储单 元的 功能，这个部 分就是程序 计数 器 PC。当程 序 开始运 行时，PC 将 会被 分 配到程 序中 每一 条指 令的 存储单元，并一一执 行该项指 令。PC 中 的内容自动 增 加，增加量由这 个指令长 度决定，每一条 都指 向下 一条 指令 的起始 地址，保 证指 令顺 序执行。（2）通用数字信号 处理 器 DSP DSP 相对 MCU 更侧重于运算和数字信号处理，而 MCU 侧重于多种数据的 处 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 7/29 理 控制。DSP 的 实时 运行 速度可 达每 秒数 千万 条复 杂程序 指令，比 16 位 MCU 单指令执行 时间 快 8-10 倍。DSP 为了 提高 信号 处理 算法 的效率，加入 了很 多指 令，在 设计结构 上将 数据 总线 和地 址总线 分开，使 程序 和数 据分别 存储 在两 个空 间。DSP 在光模块中的作用是 对模拟信号进行采样、量 化，把模拟信号转换 成数 字信 号，去 除光纤 链路 中的色 度色散、偏振 模色 散，完 成载波 频偏估 计、载波相 位 恢复等功能，具有强大 的信 号恢复能力，但是成 本较 高、延迟大、功耗高、发热 明显。随着工 艺节 点逐 步变 薄，DSP 芯 片的 设计 成本愈 发 高昂。2020 年 7nm 产品 推出时，DSP 芯 片设 计成 本已 达 2.5 亿美 元左 右；预计 5nm 节点时，芯 片设 计成 本将 达到 4.5亿 美元。在高 资本投 入的背 景下，市场 竞争格 局向寡 头垄断 演化，目前 全球份 额主要集中 于 Inphi、Broadcom 以及华 为海 思三 家。功耗 方面，由 于 DSP 引入 了 ADC 与算法，功耗 远高 于传 统的 CDR 芯片。以 400G 光 模 块为例，其 所用 7nm DSP 功耗约为 4W，占 模块 整体 功耗 的 50%。而 DSP 降 低功 耗 的方法 有限，主 要依 赖于 流片工艺的提 升。图7：DSP 除了能提供 CDR 的数字时钟恢复功能外，还 可去除噪声、非线 性干扰 等 资料来源：易飞扬通信官网、开源证券研究所 DSP 技术是相干通信的重 要支撑，是其产业化 应用 的基础。当 光传 输速 率达 到50G 以 上，光纤偏 振模色 散影响加剧，严重 影响链 路有效传播距离与 信号质 量，此时 DSP 对抗 和补 偿作 用就 愈发凸 显。而传 统的 非相 干通信 通过 光路 补偿 器件 进行 色散补偿，其 效果 远差于 DSP。DSP 技 术的 成熟 导入，省去 了系 统中 原有 的色 散补偿模块，使得 长距 离传 输的 链路设 计更 加简 单，降低 传输成 本。图8：DSP 在发射端和接收端进 行各种信号的补偿 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 8/29 资料来源：电子工程世界 相干 和 非相干 光通信 的核心 区别 在于发 送端使 用的调 制方 式以及 接收端 使用的检测方式。调制方式 方面，相干通 信更加 多元化，增 强了信 息的承 载能力。非 相干采取简 单的 强度 调制 方式，通过电 流大 小改 变激 光 强度产 生 0-1。而相 干系 统 借助外调制的 方式，可 以进 行频 率调制 或相 位调 制，如 PSK、QPSK 等，拓 展了 信 息传输的 容量。检测 端，相干 通信 直接在 接收 端对微 弱的信 号进行 混频 放大，而非相 干则依 赖于在 传输 过程中 使用大 量的放 大器。相干 通信利 用一束 本振 光与输 入信号 光在混 频器中 混频，得到 与信号 光频率、相 位和振 幅按相 同规律 变化 的中频 信号，实现信 号的放 大。由于本 振光的 功率远 大于 信号光 功率，因此经 过相 干混合 后的输 出光电流大 幅增 加，提升 了检 测的灵 敏度。凭借更加多 元的调制方式以及 DSP 技术的应用等，相干光通信具 有传 输距离远、传输容量 大的 优势，应用场 景包括 DCI 互联、5G 中回传以及城域网 等。图9：非相干光通信（上）和相 干光通信（下）的区 别主 要在调制和检测方式 资料来源：电子工程世界（3）时钟和数据恢 复芯 片 CDR CDR 在光模块中的 主要作 用是从接收到的信号 中提 取出数据序列，并且恢复 出与 数据 序列 相对应 的时 钟时 序信 号，从而还 原接 收到 的具 体信 息。时钟数据 恢复 主要 完成两 个工 作，分 别是时 钟恢复 和数 据重定 时，让 接收端 的信 号与发 射端信 号保持一致。在光互连场景中，当单通道数据速率达到 25G 时，无论是在接收端 和发 射端都需要采用 CDR 电路 从高损耗的信号里恢 复出 高质量的数据，再通 过驱动 电路将数据加载到光波上。CDR 的基本组成部 分包括 鉴相器、电荷泵（CP）、环路 滤波器、压控振荡器（VCO）等。通常 CDR 是一 个有 振 荡器的 反馈 环路，通过 环 路调节 振荡 时钟 的相 位来 跟踪输入数据 中的 嵌入 时钟。鉴 相器通 过 用 VCO 的 输出 时 钟对输 入数 据进 行采 样来 获得控制信号，控 制信 号输 出到 电荷泵 产生 控制 电压 来调 节 VCO 的 振荡 频率。由 此 恢复高质量的 时钟 信号 和数 据。CDR 带宽是 CDR 的重要指标，主要影响光模 块的 数据锁定时间、抖动指标，在一 定程度上决定 着光模 块的 关键性能。若 CDR 带 宽的 取值较大，光模 块的 数据 锁定 时间 则较短，但是 抖动 性能 会变 差；若 CDR 带宽 的取 值较 小，此时抖 动性 能会 变好，但 是 锁定时 间会 变长，甚 至会 导 致个别 系统 单板 上数 据失 锁。行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 9/29 图10：CDR 从信号中提取 数据序 列，恢复出相应的时 钟时 序信号 资料来源：信赛赛思公司官网（4）激光器驱动（调制）器 LDD 激 光器 驱动（调制）器的“驱动”体现 在为激 光器提 供电 流，同 时对电 流进行调制，把 1010 的信号用有 光无光或光的幅度/相位来表征。LDD 将 CDR 的 输出 信号，转换 成对应的调 制信号，驱动 激光器发光。根据 调制 方 式 的 不同，可以 划 分为 外调制（EML）和 直接调 制（DML）。直接调制下，通过电路里的开关直接控制电流 的开 通和关 断，激光器 的光功 率和驱 动电 流呈正 比。其 优点是 结构 简单、体积小、工艺 难度低 等，但缺点 是带宽 的利用 率较 低，并 且会有 特殊的 啁啾 效应，难以应 用于长距离 传输。外调制将电 路开关移动至激光器 外面，主要 有 EA 电吸收和 MZ（马赫-曾德尔调制）两种方 式。MZ 是调 制发 射光 的相 位，电 吸收 则是 通过 材料 完成调制功能。外 调制 能够 有效 解决激 光器 的啁 啾效 应，可用于 骨干 网长 距离 传输。图11：直接调制 下直接控制 电流 的开通和关断 图12：外调制将 开关 移 至 激光 器外 面，可 用于 长距离传输 资料来源：菲魅通信官网 资料来源：菲魅通信官网 直调通过 输入端的电压 0-1 信号控制开关切换，从 而完成电信号向光信 号的 转换。在直接 调制 的 LDD 中 存在 两 个电 流源，分别 是 控制平 均光 功率 的偏 置电 流源和控制消 光 比 ER 的 调制 电 流源。当调 制信 号 为 1 时，输入到 激光 器的 电流 为偏 置电流和调制 电流 源，电流 大，激光器 的输 出振 幅大、能 量高。当调 制信 号 为 0 时，流 过激光器 的电 流是 偏置 电流，电流 小，光强 度较 弱。直 接调 制结构 在短距 离传输 时具 有优势，但出 于调制 带宽 的限制 不太适 应于高速 率 长 距离 的传 输。直接调 制通过直 接注入 电流来实 现信号调 制，注 入电流的 大小会 改变激 光器 有源区 的折射 率，造 成波 长漂移 从而产 生色散，限 制了传 输距离。并 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 10/29 且直接 调制 的带 宽有 限，调 制电流 过大 时激 光器 容易 饱和，难以 实现 较高 的消 光 比。（5）光发射组件 TOSA TOSA 主要由激光器（LD）、光隔离器、耦合 透镜、MPD、多路复用器（MUX）等构成。激 光器 驱动 器将 电信号 发送 给 LD，LD 将电信号 转换 为光 信号 后通 过光 隔离器、透 镜等 光器 件，将 光 信号耦 合至 光纤 中，实 现 电光信 号转 换。为 了节 约 成本，MPD、隔 离器 和 MUX 不 是必备 项，其 中 MUX 仅 在需要 波分 复用 的光 模块 中搭载。图13：TOSA 的基本结构主要 包 括激光器、隔离器等（To-Can 封装形式）资料来源：Introduction of optical devices used in Communication system、开源证券研究所 LD 的发光原理依 赖于二极 管的异质结构。LD 由 本征、P 型和 N 型半 导体 组成。N 型 半导 体掺 杂 了 5 价原 子，自 由电 子数 量多 于空 穴；P 型半 导体 掺杂 了 3 价原子，空穴数 量多 于自 由电 子，是 多数载 流子。在 P 区和 N 区之间 会形 成一 个空 间电 荷区，即 PN 结。基于材料的发 光特性，LD 主要使用砷化 镓掺杂构成。普 通二 极管 的半导体 层多由 砷化 镓或者 硅半导 体掺杂 组成，但由 于硅二 极管在 能量 的复合 过程中 释放的不是 光，因此 LD 主 要 为砷化 镓二 极管。LD 产生相干光束的原理是光 吸收、光自发发射以及光受激发 射三 种现象。当 LD 被 外部 能 源刺激 时，自由 电子 会从 N 层移动到 P 层。一部 分直 接与 低能级 的价 电子 相互 左右，使价 电子 受激 到高 能级 状态。另一部 分与 低能 级的 空穴 复合，释放 光子。光 通 过 LD 反射端溢 出形 成窄 光束 激光。图14：LD 工作原理基于 半导体 的 PN 结 资料来源：100G 超高速光收发模块关键技术研究，熊光浩，2022 LD 按照出光结构 可进一步 分为面发射芯片和边 发射（EEL）芯片。面发 射芯 片包括 VCSEL 芯片，边 发 射芯片 包括 FP、DFB 和 EML 芯片。EEL 在芯片两 侧镀光学膜形 成 谐 振腔，光 子经 谐 振腔选 模放 大后，将 沿平 行 于衬底 表面 的方 向形 成激 光，最终激 光从 侧面 发出。VCSEL 在芯片 上下 两面镀 光 学膜形 成谐 振腔，腔体 与 衬底垂直，光子经选 膜放大后 垂直于 芯片表面 发射激光。谐 振 腔主 要起 到 储存、提纯 激 光 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 11/29 的 作用，通常 由两 块反射镜 构成，也可 以用 耦合器构 成各 种环形 谐振 腔。光 子在 反射镜之 间来 回反 射，不断 在增益 介质 中引 起受 激辐 射，产 生高 强度 的激 光。图15：EEL 和 VCSEL 在腔体结 构上存在差异 图16：激光器芯片按照出光 结构 可分为面发射和边发 射 资料来源：电子发烧友网 资料来源：源杰科技招股说明书 FP 主 要应用于 低速率 短距 离传输，结构 和制造工艺 简单，成本较低。DFB 以FP 为 基础，布拉格光栅 集成到激光器内 部的有源层中，在谐振腔 内形成选模结构，实现单 纵模 输出，主 要用 于高速 中长 距离 传输。EML 集成了 EAM（光吸 收调 制器）和 DFB，属于外 调制 激光 器，具 有大 调制 带宽、低 频率啁 啾的 特点，更 好地 解决 了色散的 问题，信 息传 输质 量高，能够 实现 高速 率长 距离传 输。表2：VCSEL 激光器适合于短距 离传输，EML 适合长距离 传输 产 品类别 工 作波长 产 品特性 应 用场景 VCSEL 800-900nm 线宽窄，功耗低，调制速率高，耦合效率高，传输距离短，线性度差 500 米 以 内的 短 距离 传 输，如数 据 中 心机 柜内部传输、消费电子领域 FP 1310-1550nm 调制速率高，成本低，耦合效率低，线性度差 主 要 应 用于 中低 速 无线 接 入短距 离 市 场，由于 存 在 损耗 大、传 输距 离 短的问 题，部分 应用场景逐步被 DFB 激光器芯片取代 DFB 1270-1610nm 谱线窄，调制速率高，波长稳定，耦合效率低 中长距离的传输，如 FTTx 接 入网、传输网、无线基站、数据中心内部互联等 EML 1270-1610nm 调制频率高，稳定性好，传输距离长，成本高 长 距 离 传输，如 高 速率、远距离 的 电 信骨 干网、城域网和数据中心互联 资料来源：源杰科技招股说明书、开源证券研究所 衡量 TOSA 性能的主要参 数为光发射功率和消 光比。发射光功率 影响信号传 输距离。激光 器将 电信 号转 换为光 信号，用 MUX 复用 器合波 成一 束高 速光 信号，通过适 配器传 输至 发射光 纤，该 光信号 的强 度为光 功率。光功率 越高，表明 发射机 性能越好，光信 号能传输更远的距离。消光比 影响 误码率。TOSA 发出的光信号有两 种状态：逻辑 1 为 高光 功率，逻辑 0 为 低光 功率，消 光比为 高电 平的 平均 功率 与低 电平的平 均功 率比 值。消 光 比越大，在接 收端 就能 更 好的区 分 0、1 电 平，从 而 接收到的光信 号质 量就 越好。（6）光接收组件 ROSA 光接收组件（ROSA）主要 由 PD（Photo Diode）、TIA（跨阻放大器）、LA（限幅放大器）、耦合透镜、光 学接口、电气接口以 及金 属外购组成。解复 用器 DEMUX将收集 的光 信号 进行 分波 处理，不 同波 长的 光将 会 被 PD 转 换为 电信 号，再 经 过 TIA和 LA 放大 整型 后发 送给 外部控 制芯 片。由于 PD 产 生的电 流较 小，需要 利 用 TIA 将 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 12/29 其输出的电流放大成功能电压，方便后续的电信号处理。TIA 因接收的电流大小不同，导致 电压 的增 幅值 不 同，为了 保证 后续 电信 号 的稳定，需要 通过 LA 进 行 信号整形，将 TIA 输 出的 不同 幅 值电压 处理 成等 幅的 电压 信号。根据 PD 结构的差异，可 以进一步划分为 PIN 和 APD 型光电探测器。PIN 二极管通过在 P 型和 N 型 半导 体之间 增加 一层 轻掺 杂 的 N 型 本征 层，以展 宽耗 尽 层，提高转换 效率。APD 相较 PIN 具有更高的接收灵敏度。通 过在 PIN 二极 管结 构 中增加雪崩区，使 得光 生载 流子 以碰撞 电离 的方 式在 其耗 尽区内 激发 出新 的电 子-空穴对，新产生 的载 流子 通过 内电 场加速，导 致更 多的 碰撞 电离产 生，最终 获得 雪崩 效应。图17：ROSA 的基本结构包括 PD、TIA、LA 等 图18：PD 二极管的基本结 构与类 型 资料来源：Introduction of optical devices used in Communication system 资料来源：Introduction of optical devices used in Communication system 表3：APD 更适用于长距离传 输 产 品类别 工 作波长 产 品特性 应 用场景 PIN 830-860/1100-1600nm 噪声小，工作电压低，成本低，灵敏度低 中长距离传输 APD 1270-1610nm 灵敏度高，成本高 长距离单模光纤 资料来源：源杰科技招股说明书、开源证券研究所 衡量 ROSA 性能的核心指 标是灵敏度和接收光 功率。灵敏度。保证 误码 仪在 一定 误码的 条件 下，接 收端所 能接收 到的 最小光 功率称 为灵敏 度。在高速 率传输 中，灵 敏度越 小，光 模块性能越 强。接 收 光 功率。在一定 的误码 条件下，接收端能 够接收到从 光源 发出 光信 号的 强度，称为 接收 端光 信号。从成本角度来看，光模块 成本受光/电芯片以及控制 芯片的影响较高。根 据华 拓光通信的数据，光器件占光模块 成本的比重为 73%，具体包括光器件元件（46%）和 DFB/APD 芯片（27%）。控制 芯片 占光 模块 成本 的比重 为 18%，仅次 于光 器件。光器件 的成 本结 构中，DFB 占 比最 高，达 48%；其次 为 APD/TIA，合 计占比 32%。图19：光器件元件和光/电芯片占光模块成本主要部分 图20：DFB、APD、TIA 占光器件成本的主要部分 光器件元件,46%DFB 和APD芯片,27%PCB,5%控制芯片,18%外壳/插针,4%光器件元件 DFB 和APD芯片PCB 控制芯片外壳/插针DFB,48%APD/TIA,32%结构件,8%尾纤,9%滤光片,2%其他,1%DFB APD/TIA 结构件 尾纤 滤光片 其他 行业深度报告 请 务必参 阅正文 后面的 信息披 露和法 律声明 13/29 数据来源：华拓光通信、开源证券研究所 数据 来源：华拓光通信、开源证券研究所 1.2、算 力时 代 下光 模块 降本降 耗趋 势凸显 数 据中 心的 高能 耗问题 由来 已久，算 力背 景下该 问题 愈显 突出。工信部数据 显示，2023 年我 国数 据中 心 耗电量 预计 将达 到 2,667.92 亿 千瓦 时，占社 会总 耗 电量的3%。在此 背景 下我 国多 地 区发布 了对 数据 中心 能效 指标 PUE 的 限制。在工 信 部印发的 新型 数据 中心 发展 三 年行动 计划（2021-2023 年）中 要求，到 2023 年 底 新建大型及以 上数 据中 心 PUE 需 降低 到 1.3 以下。算力需求提升带动 网络带宽 成倍 提速，数据中心能耗呈指数 型增 长。根据 Digital Information World 发布 的最 新报 告，数据中心为 训练 AI 模型产 生的 能耗将 为常 规云 工作 的三 倍。据 咨询 机构 Tirias R
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