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(shí)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(guó)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的電-光轉(zhuǎn)換和光-電轉(zhuǎn)換。由于通信信號(hào)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(hào)，光模塊具有廣泛和不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)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(cè)器芯片通過傳統(tǒng)的TO封裝形成TOSA及ROSA，同時(shí)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(gè)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(bào)告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)光電芯片產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)及投資戰(zhàn)略咨詢研究報(bào)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(chǎng)景。電信承載網(wǎng)和接入網(wǎng)同屬于電信運(yùn)營(yíng)商市場(chǎng)，其中波分復(fù)用（xWDM）光模塊主要用于中長(zhǎng)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(zhǎng)距大容量傳輸，而接入網(wǎng)市場(chǎng)是運(yùn)營(yíng)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(chǎng)景。數(shù)據(jù)中心及以太網(wǎng)市場(chǎng)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(chǎng)景。

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

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(gòu)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(guó)在產(chǎn)業(yè)鏈中游優(yōu)勢(shì)明顯：勞動(dòng)力成本、市場(chǎng)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(shì)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(yùn)轉(zhuǎn)但中國(guó)難以分享上游的巨大價(jià)值。

全球近期光通信收購(gòu)事件整理

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    3.中國(guó)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(dòng)力紅利。中國(guó)的制造業(yè)勞動(dòng)力成本相比美國(guó)的優(yōu)勢(shì)正在快速減弱，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中美IT技術(shù)人員的平均年薪在緩慢縮小，美國(guó)IT技術(shù)平均年薪/中國(guó)IT技術(shù)平均年薪由2013年的5.89減少為2018的4.46。中國(guó)的工程師紅利正在替代勞動(dòng)力紅利成為驅(qū)動(dòng)光模塊行業(yè)發(fā)展的新動(dòng)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(guó)在全球價(jià)值鏈地位提升。長(zhǎng)期以來我國(guó)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(rùn)空間被嚴(yán)重限定，但長(zhǎng)期堅(jiān)持研發(fā)正在助力國(guó)內(nèi)光模塊企業(yè)向價(jià)值鏈更高的高端光模塊和光電芯片領(lǐng)域滲透。

國(guó)內(nèi)電信光模塊企業(yè)收入占運(yùn)營(yíng)商資本開支比例逐年提升

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    二、上游芯片是短板，實(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換的直接芯片，又分為激光器芯片和探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn)

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    電芯片一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)光芯片工作的配套支撐，如LD（激光驅(qū)動(dòng)器）、TIA（跨阻放大器）、CDR（時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)電路），一方面實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的功率調(diào)節(jié)，如MA（主放），另一方面實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，如調(diào)制、相干信號(hào)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(shì)可以增加采購(gòu)的議價(jià)能力。

100GPAM4BOM成本結(jié)構(gòu)

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    2.高速芯片國(guó)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(guó)產(chǎn)化率亟待提升，光芯片方面，我國(guó)在10G及以下光芯片具備替代的能力，但仍有很大市場(chǎng)空間。電芯片方面，我國(guó)25G/100G多模光模塊配套IC基本實(shí)現(xiàn)替代能力，但產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

    光芯片國(guó)內(nèi)鑄造廠能力嚴(yán)重不足制約流片進(jìn)度。光芯片產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)包括芯片設(shè)計(jì)、基板制造、泵晶生長(zhǎng)、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(jì)、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(guó)鑄造廠產(chǎn)能嚴(yán)重不足或工藝落后，我國(guó)大量芯片企業(yè)流片進(jìn)度嚴(yán)重受制于國(guó)外。

    電芯片需要補(bǔ)齊整個(gè)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(jì)、晶圓制造及加工、封裝及測(cè)試環(huán)節(jié)，同樣擁有復(fù)雜的工序和工藝，國(guó)產(chǎn)替代仍舊任重道遠(yuǎn)。

    3.國(guó)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(jì)2023年光芯片和電芯片的市場(chǎng)規(guī)模分別在52億美元、20億美元。我國(guó)是全球光模塊最大的市場(chǎng)之一，預(yù)計(jì)到2023年光芯片和電芯片國(guó)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(gè)現(xiàn)象：產(chǎn)品快速迭代，價(jià)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(chǎng)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(jìn)入25G/100G和100G/400G的過渡階段，國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心部署進(jìn)度落后1到2年。電信市場(chǎng)產(chǎn)品更迭相對(duì)緩慢一些，但在工業(yè)級(jí)溫度下要求光模塊的穩(wěn)定工作時(shí)間在5年以上。

光模塊電信市場(chǎng)和數(shù)通市場(chǎng)產(chǎn)品迭代周期規(guī)律

數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

    2.價(jià)格迅速下降，成本降低要快。

    價(jià)格快速下降：上下游承壓，議價(jià)能力弱。中低端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，上下游承壓。從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)的角度上，國(guó)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(jià)能力弱；。在上下游擠壓和激烈競(jìng)爭(zhēng)下，光模塊市場(chǎng)呈現(xiàn)出年均15%-25%的降價(jià)幅度。每一代新產(chǎn)品推出時(shí)，市場(chǎng)降價(jià)幅度有所緩和，隨著競(jìng)爭(zhēng)者大量進(jìn)入，產(chǎn)品降價(jià)幅度大幅增加，之后隨著新品推出又進(jìn)入下一個(gè)生命周期。

光模塊行業(yè)2011-2024平均降價(jià)幅度預(yù)測(cè)

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    3.硅光方案在芯片層面實(shí)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(shí)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(cè)器集成在一塊硅襯底上，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理和電信號(hào)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(shí)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。混合集成將光源III-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(jìn)

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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(shí)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(shì)尚不明顯，但在超400G短距場(chǎng)景、相干光場(chǎng)景，硅光可能會(huì)成為主流。