光模塊未來趨勢（光模塊行業深度分析）

2023-09-10 15:34:17

壹

光模塊概述

1.1

光模塊-光通信系統的核心，構建高速信息網絡的基礎

由於現代通信都是由光纖光纜傳輸，而終端發送和接收都是電信號，所以兩端需要有光電信號的轉換裝置——光模塊。

光模塊由接收部分與發射部分組成，其中發送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送後，接收端將光信號還原為電信號。光模塊作為光電轉換元器件，產品種類多，已大量應用於通信行業和數據中心行業。當前通信行業10G和數通行業100G產品種類最為齊全，是市場主力。未來通信行業25G/100G光模塊和數通行業400光模塊為下一代產品。

圖：光模塊內部結構

資料來源：IMT-2020（5G）推進組《5G承載光模塊白皮書》

1.2

從成本構成角度理解光模塊

光模塊產品所需原材料主要包括光器件、電路晶片、PCB 以及結構件等。其中，光器件佔光模塊成本達到70% ，具體看光器件，以雷射器為主的發射組件就佔了光器件近一半的成本，以探測器為主的接收組件佔比達到32%，兩者合計佔光器件成本為80%。

光模塊成本構成圖（數據來源：紅塔證券）

貳

光模塊需求邏輯及市場規模

2.1

依託5G與數據中心「新基建」雙重驅動，高速光模塊市場迎來爆發式增長機遇。

運營商發力5G基站建設，2019年我國已建成超過13萬個5G基站，2020-2022年為5G主建設期，光模塊作為5G網絡的基礎構成單元，廣泛應用於無線及傳輸設備（5G前傳、中回傳、傳輸市場等），5G驅動電信市場光模塊新一輪增長。

5G網絡建設對光模塊需求（資料來源：WIND，開源證券研究所）

伴隨5G時代流量需求爆發增長，帶動全球IDC高速發展。為滿足大帶寬需求，新一代數據中心網絡架構表現為更多的橫向流量，帶來更多的互連需求。雲計算巨頭（亞馬遜、谷歌、Facebook、微軟）資本開支已於2019Q2逐步回暖，隨著資本開支回暖和數據中心的代際更迭，雲基礎設施建設將有望迎來上升期，打開數通光模塊需求空間。國內方面，隨著國內企業上雲的加速、5G商用後移動數據流量的提升，推動國內雲計算巨頭提升資本開支以提高其處理數據能力。

全球主要雲計算廠商資本開支（百萬美元）及同比增速

數據來源：Bloomberg，東吳證券研究所

5G與雲數據中心共振，驅動光模塊行業走向高景氣

2.2

市場規模

根據Yole最新報告，光模塊市場規模2019年達到近77 億美元，依託5G與數據中心「新基建」雙重驅動，2025年市場規模預計177億美元。

從細分市場看，數通（應用於IDC）用光模塊增長遠高於電信用光模塊（7%），實現年複合增長率20%，預計2025年實現近121億美元市場規模。

2019-2025 光模塊市場增長預測（單位：美元）

資料來源：yole

產業鏈分析

叄

光模塊產業鏈分工明確，高端光模塊國內廠商逐步突破

光模塊產業鏈公司分布

光模塊產業鏈遵循晶片（襯底-外延片-晶片）—>器件—>模塊—>客戶流程。

整體來看，受歷史原因影響，歐美日等發達國家技術起步較早，因此專注於晶片和產品的研發，擁有較大的技術優勢。中國憑藉著勞動力優勢，在產業鏈的中遊佔據較大市場份額，我國已經成為全球光模塊製造基地，從OEM、ODM模式發展為多個全球市佔率領先的光模塊品牌。

國內光模塊產業，越往上遊越薄弱，技術壁壘越高。襯底幾乎壟斷在日美廠商手中（住友化學、AXTI等），晶片層面，越高速率光模塊其光晶片成本佔比越高（如下圖）。國內企業具備10G及以下中低速雷射器能力，25G光晶片僅源傑半導體（DFB）、索爾思（EML）等具備供貨能力，技術瓶頸較高，突破需要時間積累。

光晶片在不同級別光模塊中的高成本佔比

資料來源：紅塔證券

中遊光模塊市場屬於「勞動 工藝」密集型產業，由於對勞動力成本要求較高，日美廠商沒有競爭優勢，產業鏈進一步向國內集中。中遊市場規模大，但行業競爭廠商眾多，且大部分公司集中於100G以下低速光模塊封裝，應用領域更多集中於電信市場，針對具備更大應用潛力的數通市場，國內只有中際旭創（300308）具備供貨能力。

下遊主要為設備商（華為、中興等）、數據中心廠商（谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、阿里巴巴、騰訊等）、運營商等。

肆

行業技術路線

矽光技術持續發展，技術上不斷取得突破

4.1

矽光技術及其優勢

全球數據流量呈快速增長態勢，對傳輸需求逐步提升。目前，傳統光模塊主要利用III-V族半導體晶片、電路晶片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬於「電互聯」範疇。隨著電晶體加工尺寸逐漸縮小，將逐漸面臨傳輸瓶頸。目前，對於傳統的三五族半導體光晶片，25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸，進一步提升速率需要採用PAM4 等技術。隨著高速光模塊在數據中心的大量運用，傳統III-V 族半導體的光晶片將面臨並行傳輸、三五族磊晶成本高昂等問題。在此背景下，矽光子技術應運而生，成為III-V 族半導體之外的一大選擇。

在矽光子技術中，晶片的概念由原先的雷射器晶片延伸至集成晶片。矽光晶片將多個光器件集成在同一矽基襯底上，一改以往器件分立的局面，晶片集中度大幅提升。矽光子技術主要有以下優勢：

集成度高。矽光子技術以矽作為集成晶片的襯底。矽基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的矽CMOS 工藝製作光器件。與傳統方案相比，矽光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利於提升晶片的集成度。

成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光晶片的成本佔比較高。傳統的GaAs /InP 襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，晶片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，矽基材料成本較低且可以大尺寸製造，晶片成本得以大幅降低。

4.2

矽光技術發展趨勢及市場規模

從發展歷程看，矽光集成技術將遵循由光子集成→光電集成的發展過程，待技術成熟後指向晶片內部光互聯。目前，通信領域的矽光模塊屬於光子集成範疇，從製造工藝看可分為兩類：單片集成與混合集成。目前已量產的矽光模塊中，基於矽襯底的混合集成是主要方式。

矽光集成技術發展趨勢示意圖

資料來源：《光子集成研究進展》，長江證券研究所

從市場規模上看，矽光模塊市場規模增長較快。據Yole預測，矽光模塊在2018年-2024年間的複合年增長率將達到44.5%，有望從2018年的4.55億美元增長到2024年的40億美元，2024年佔整體市場規模21%。

資料來源：Yole、招商證券

4.3

矽光子市場國內外布局情況

國內

◈Intel（IDM模式）：數據中心矽光模塊500m距離批量供貨；產品有100GPSM4產品、100GCWDM4產品；

◈CISCO：收購矽光子企業Acacia（Fabless模式，矽光相干模塊已向電信客戶量產出貨）。

國外

◈中際旭創：400G矽光晶片及相干技術在研；100G產品無矽光技術；

◈光迅科技：研發100G矽光晶片通過測試並投產；

◈亨通光電：通過英國亨通洛克利（Rockley）布局矽光模塊，開發出 100G AOC、100G PSM4、100G CWDM4 矽光模塊，並逐步形成量產，同時正加快推進400G矽光模塊的研發產業化；

◈博創科技：400G QSFP-DD 數據通信矽光模塊解決方案DR4(500m)和DR4 (2km)。另博創科技、源傑半導體、Sicoya等成立合資公司布局矽光模塊，三者分別提供封裝集成能力、雷射器晶片、矽光晶片。

4.4

矽光技術尚未成熟，行業技術格局穩定

由於傳統的EML/DML信號調製方式已接近帶寬極限，對矽光來說是一次彎道超車的機會，但：矽光技術尚未成熟，行業技術格局仍將保持穩定。主要表現為：

矽光產品良率較低、傳輸損耗較大，矽光方案成本優勢不明顯。由於InP和GaAs（III-V族材料）晶圓尺寸較小，材料成本高，加工成本較高，業內人士希望通過大尺寸、加工技術成熟的矽晶圓替代InP和GaAs，但是由於矽是間接帶隙材料，矽發光效率極低，若採用矽光技術來製作光模塊，光源成為一個難點。另外從生產成本、材料本身的特性考慮，矽光難以取代現有III-V族技術，尤其是在長距傳輸中。

未來矽光可能在相干光通信和400G光模塊（短距超高速傳輸）中有部分應用。比如100G矽光模塊在PSM4（500m）和400G矽光模塊在DR4（500m）場景下有成本競爭優勢。

伍

行業競爭

5.1

從產品角度，400G光模塊成為市場競爭主力產品

從產品角度看，目前100G光模塊對傳統10G、25G光模塊進行加速迭代，成為當前主力產品，未來仍將持續擴大，即使未來400G作為下一代主流產品推向市場，隨著整體市場的增量和迭代周期的存在，100G產品的需求量仍將持續擴大並維持一段時間。

各類別數通光模塊全球出貨量（個）分析

資料來源：LightCounting

另外，超大規模數據中心建設引領光模塊進入400G 時代，從現有技術規格來看，400G 光模塊主要分為OSFP（25G PAM4*8;更適合電信；）、QSFP-DD（50G NRZ*8；適合短距數據中心）、CFP8 三種方案。當前400G模塊的需求來源是雲廠商，對於其超大數據中心而言，並不要求長距離傳輸，對能耗指標和尺寸要求較高，QSFP-DD為數據中心400G光模塊首選。

從部署時間上來看，北美數據中心2020年進入100G/400G過渡階段，國內數據中心部署進度落後1到2年。雲巨頭部署400G網絡後，400G相關產業鏈才會進入規模化部署階段：對光模塊、光纖連接器、高速PCB板等逐一升級。

5.2

從公司角度，產業鏈向國內轉移，改變光模塊產業鏈格局

資料來源：Yole

從細分領域電信市場看，海外廠商主要有Finisar、Lumentum、II-VI、Acacia、Oclaro等國際知名企業，其佔據高端光模塊市場；國內廠商聚焦在無線接入、FTTH及城域100G以下速率產品；如光迅科技、新易盛、華工正源等。

從細分領域數通市場看，根據2019年全球光模塊市場銷售情況及對光模塊公司下遊客戶的分析，目前國內外數通領域（應用於IDC）具備高速光模塊供貨能力企業有中際旭創（300308）、海外AAOI（應用光電）和Finisar（菲尼薩）。

陸

把握光模塊行業景氣周期，行業投資邏輯梳理

第一

高端產品線布局

光模塊的小型化、低成本以及高速率是產品迭代的主要方向，高端產品布局是企業盈利的重要一環。針對未來高速增長的數通光模塊市場，400G產品是光模塊廠商競爭核心點，也是行業內佔據利潤制高點的產品。按照雲計算廠商部署400G數據中心規劃，光模塊作為400G網絡相關產業鏈，未來5年銷售額205%速度增長，2023年佔據市場份額25%。以國內數通光模塊龍頭中際旭創為例，目前具備400G單模量產能力，主要做技術含量、利潤率均高的光模塊，而且具有較高的規模效應和產品良率，毛利率保持行業領先。

第二

成本控制能力

下遊客戶主要關注產品成本、性能，即性價比，尤其是雲計算廠商：Facebook、AWS、微軟等，其更新換代相較電信會更快，所以同等性能下成本尤為重要。從另一個角度看，伴隨下一代更高速率產品的量產，低速率產品價格必然會下降（行業均價：未來逐步將至1美元/G，甚至更低）。以100G產品為例，目前國內售價120美金-150美金，未來會持續下降，為保證一定利潤空間，必須具備成本控制能力，比如培養供應鏈實現核心原材料降本、國產替代降本、產品設計降本、基於工藝優勢提升產品良率降低製造成本、人力降本、規模化生產後降本等等。

第三

工藝/技術壁壘

光模塊屬於工藝密集型行業，涵蓋核心光學工藝、電路設計、器件及模塊封裝工藝等要素，Know-How高。尤其高端光模塊，技術壁壘很高，企業需要持續加大研發投入，關注公司具備的涉及光、電層面的工藝。目前為實現光模塊產品更低成本、更高速率、更高集成度，相較於傳統光模塊廠商分立器件組裝，矽光技術的光模塊逐步發展起來，但矽光產品良率低、傳輸損耗大，未來400G矽光模塊預計在DR4（500m）短距場景下有成本競爭優勢，因此矽光技術布局也可以作為關注點之一（比如博創科技（300548）、源傑半導體），但其短期內不會因矽光技術變革對光模塊行業格局產生影響。另外，工藝Know-How依賴團隊，關注團隊產品設計層面、工程方面的人員配置。

第四

客戶資源優勢

進入下遊頭部客戶供應鏈體系是產品具備市場競爭力的最優體現。雲數據中心是100G、400G光模塊產品主要的需求方，目前能規模供貨雲數據中心的有中際旭創（供貨Google、AWS等）、AAOI（供貨Facebook、微軟、AWS、Cisco等）、Finisar（供貨Cisco、華為等），可關注行業內其它具備數通光模塊供貨能力的企業，在高速增長的市場驅動下，有望快速形成全球營收規模。

第五

量產能力

光模塊市場需求遠大於供給，未來5年屬於產業周期上升期，企業需要抓住行業機遇，具備產線、足夠產能、快速落地能力等，行業內頭部下遊客戶也會對供應商有最低產能要求；另外，從產品設計、進一步優化、送樣客戶測試、小批量供貨至最終量產，不確定較大，需關注企業產品具體進展。

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