在光模塊產(chǎn)業(yè)下，上游芯片仍是短板，硅光方案在芯片層面實現(xiàn)混合集成，未來大有可為[圖]

    一、光模塊產(chǎn)業(yè)鏈：全球分工明確，國產(chǎn)替代加速

    1.光模塊產(chǎn)業(yè)鏈介紹

    光模塊作為一種重要的有源光器件，在發(fā)送端和接收端分別實現(xiàn)信號的電-光轉(zhuǎn)換和光-電轉(zhuǎn)換。由于通信信號的傳輸主要以光纖作為介質(zhì)，而產(chǎn)生端、轉(zhuǎn)發(fā)端、處理端、接收端處理的是電信號，光模塊具有廣泛和不斷增長的市場空間。光模塊的上游主要為光。

    光模塊遵循芯片—組件（OSA）—模塊的封裝順序。激光器芯片和探測器芯片通過傳統(tǒng)的TO封裝形成TOSA及ROSA，同時將配套電芯片貼裝在PCB，再通過精密耦合連接光通道和光纖，最終封裝成為一個完整的光模塊。

SFP光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國光電芯片產(chǎn)業(yè)競爭態(tài)勢及投資戰(zhàn)略咨詢研究報告》

    光模塊下游主要應(yīng)用于電信承載網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)三大場景。電信承載網(wǎng)和接入網(wǎng)同屬于電信運營商市場，其中波分復(fù)用（xWDM）光模塊主要用于中長距電信承載網(wǎng)，光互聯(lián)（Opitcalinterconnects）主要用于骨干網(wǎng)核心網(wǎng)長距大容量傳輸，而接入網(wǎng)市場是運營商到用戶的“最后一公里”，包括光纖到戶無源光網(wǎng)絡(luò)（FTTHPON）、無線前傳（Wireless）等應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)市場主要包括數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)（DCI）、企業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）等場景。

全球光模塊市場規(guī)模（百萬美元）和結(jié)構(gòu)預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

    2.歐美日光模塊產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀：行業(yè)不斷并購整合，專注于高端產(chǎn)品和芯片研發(fā)

    全球光模塊產(chǎn)業(yè)鏈分工明確，歐美日技術(shù)起步較早，專注于芯片和產(chǎn)品研發(fā)。中國在產(chǎn)業(yè)鏈中游優(yōu)勢明顯：勞動力成本、市場規(guī)模以及電信設(shè)備商的扶持，經(jīng)過多年發(fā)展已成為全球光模塊制造基地。產(chǎn)業(yè)鏈分工有效利用了全球優(yōu)勢生產(chǎn)要素，并避免了重復(fù)研發(fā)，有利于全球產(chǎn)業(yè)鏈高效運轉(zhuǎn)但中國難以分享上游的巨大價值。

全球近期光通信收購事件整理

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    3.中國光模塊產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀：從全球工廠到高端智造

    工程師紅利開始替代勞動力紅利。中國的制造業(yè)勞動力成本相比美國的優(yōu)勢正在快速減弱，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中美IT技術(shù)人員的平均年薪在緩慢縮小，美國IT技術(shù)平均年薪/中國IT技術(shù)平均年薪由2013年的5.89減少為2018的4.46。中國的工程師紅利正在替代勞動力紅利成為驅(qū)動光模塊行業(yè)發(fā)展的新動能

中美IT技術(shù)人員平均年薪差距在緩慢縮小

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    中國在全球價值鏈地位提升。長期以來我國光模塊企業(yè)在上游芯片和下游主設(shè)備商的“夾擊”下利潤空間被嚴重限定，但長期堅持研發(fā)正在助力國內(nèi)光模塊企業(yè)向價值鏈更高的高端光模塊和光電芯片領(lǐng)域滲透。

國內(nèi)電信光模塊企業(yè)收入占運營商資本開支比例逐年提升

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    二、上游芯片是短板，實現(xiàn)自主可控必將加速

    1.光芯片和電芯片是光模塊的核心部件，成本占比最高。

    光芯片是光模塊中完成光電信號轉(zhuǎn)換的直接芯片，又分為激光器芯片和探測器芯片。激光器芯片發(fā)光基于激光的受激輻射原理，按發(fā)光類型，分為面發(fā)射與邊發(fā)射：面發(fā)射類型主要為VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器），適用于短距多模場景；邊發(fā)射類型主要為FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布式反饋激光器）以及EML（電吸收調(diào)制激光器）。

光芯片主要品類的應(yīng)用場景及優(yōu)缺點

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    電芯片一方面實現(xiàn)對光芯片工作的配套支撐，如LD（激光驅(qū)動器）、TIA（跨阻放大器）、CDR（時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路），一方面實現(xiàn)電信號的功率調(diào)節(jié)，如MA（主放），另一方面實現(xiàn)一些復(fù)雜的數(shù)字信號處理，如調(diào)制、相干信號控制、串并/并串轉(zhuǎn)換等。

光模塊電芯片主要品類及研發(fā)難度

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    光模塊芯片具有極高的技術(shù)壁壘和復(fù)雜的工藝流程，因而是光模塊BOM成本結(jié)構(gòu)中占比最大的部分。光芯片的成本占比通常在40%-60%，電芯片的成本占比通常在10%-30%之間，越高速、高端的光模塊電芯片成本占比越高，但規(guī)模優(yōu)勢可以增加采購的議價能力。

100GPAM4BOM成本結(jié)構(gòu)

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    2.高速芯片國產(chǎn)率亟待提升，芯片產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)需逐步解決

    高速芯片國產(chǎn)化率亟待提升，光芯片方面，我國在10G及以下光芯片具備替代的能力，但仍有很大市場空間。電芯片方面，我國25G/100G多模光模塊配套IC基本實現(xiàn)替代能力，但產(chǎn)能遠遠不足。

    光芯片國內(nèi)鑄造廠能力嚴重不足制約流片進度。光芯片產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)包括芯片設(shè)計、基板制造、泵晶生長、晶粒制造等多重步驟，工藝流程較為復(fù)雜。一枚光芯片的誕生需要經(jīng)過設(shè)計、流片、定型、量產(chǎn)等多道環(huán)節(jié)，完整流程在一年半到兩年之間，由于我國鑄造廠產(chǎn)能嚴重不足或工藝落后，我國大量芯片企業(yè)流片進度嚴重受制于國外。

    電芯片需要補齊整個半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈短板。電芯片產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)包括IC設(shè)計、晶圓制造及加工、封裝及測試環(huán)節(jié)，同樣擁有復(fù)雜的工序和工藝，國產(chǎn)替代仍舊任重道遠。

    3.國產(chǎn)替代空間巨大，自主可控意義更大

    貿(mào)易戰(zhàn)加速芯片自主可控。預(yù)計2023年光芯片和電芯片的市場規(guī)模分別在52億美元、20億美元。我國是全球光模塊最大的市場之一，預(yù)計到2023年光芯片和電芯片國產(chǎn)替代空間分別在13億美元、6億美元。

    三、產(chǎn)業(yè)發(fā)展兩個現(xiàn)象：產(chǎn)品快速迭代，價格快速下降

    1.產(chǎn)品迭代周期短，研發(fā)布局要快。

    多種因素導(dǎo)致產(chǎn)品迭代周期短。光模塊數(shù)通市場產(chǎn)平均每3-4年完成一輪產(chǎn)品迭代，當(dāng)前北美數(shù)據(jù)中心已進入25G/100G和100G/400G的過渡階段，國內(nèi)數(shù)據(jù)中心部署進度落后1到2年。電信市場產(chǎn)品更迭相對緩慢一些，但在工業(yè)級溫度下要求光模塊的穩(wěn)定工作時間在5年以上。

光模塊電信市場和數(shù)通市場產(chǎn)品迭代周期規(guī)律

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    2.價格迅速下降，成本降低要快。

    價格快速下降：上下游承壓，議價能力弱。中低端市場競爭激烈，上下游承壓。從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)的角度上，國內(nèi)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)“紡錘形”，光模塊企業(yè)處在上下游擠壓下，議價能力弱；。在上下游擠壓和激烈競爭下，光模塊市場呈現(xiàn)出年均15%-25%的降價幅度。每一代新產(chǎn)品推出時，市場降價幅度有所緩和，隨著競爭者大量進入，產(chǎn)品降價幅度大幅增加，之后隨著新品推出又進入下一個生命周期。

光模塊行業(yè)2011-2024平均降價幅度預(yù)測

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    3.硅光方案在芯片層面實現(xiàn)混合集成，未來大有可為。

    目前傳統(tǒng)分立器件方案最大的問題是在未來多通道時如何解決激光器成本高昂和整體功耗及體積問題。硅光集成方案希望將波導(dǎo)、波分復(fù)用、調(diào)制器、光源、探測器集成在一塊硅襯底上，實現(xiàn)光信號處理和電信號處理的深度融合，是一種芯片層面和封裝層面的雙重創(chuàng)新技術(shù)。

    硅光集成技術(shù)將遵循光子集成到光電集成的發(fā)展路線，并最終實現(xiàn)芯片內(nèi)部的光互聯(lián)。光子集成技術(shù)從制造工藝上分為單片集成和混合集成，單片集成將無源器件在無源光器件在硅襯底上陣列化，如光波導(dǎo)、光復(fù)用/解復(fù)用、光纖耦合等，在無源器件的生產(chǎn)中已廣泛使用?；旌霞蓪⒐庠碔II-V族半導(dǎo)體鍵合在硅襯底，采用DSV-BCB紫外膠鍵合、低溫氧分子等離子鍵合等集成技術(shù)。

硅光集成技術(shù)的發(fā)展路線演進

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    硅光集成方案成為未來超400G光模塊和相干光模塊降低成本的有力選擇。首先，硅光方案采用間接調(diào)制，解決了傳統(tǒng)方案多通道帶來的功耗、溫飄等性能瓶頸并降低了激光器成本。其次，硅光集成方案BOM清單器件數(shù)量較傳統(tǒng)方案減半，減少了生產(chǎn)線環(huán)節(jié)，降低了封裝和供應(yīng)鏈管理成本。再次，硅光更容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)前，由于良率和損耗問題，硅光方案優(yōu)勢尚不明顯，但在超400G短距場景、相干光場景，硅光可能會成為主流。