一、電信市場與數據市場共助光模塊產業發展
光通信成為通信網絡構建的主流選擇。光通信因具有速度快的特點使其滿足於現代通信的需求，在網絡構建的選擇上也成為了主流。在光通信中，信號是以光的形式在網絡內進行傳播，但使用信號的終端卻以電作為信息傳遞的媒介。為實現兩種信號的轉換，打通整個網絡咽喉，光模塊是實現這一功能的關鍵部件。光模塊的本質是實現光電信號轉換。光模塊是起到光電轉換作用的一種連接模塊，包含兩個端口即發送端和接收端。其中發送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送後，接收端再把光信號轉換成電信號。光模塊性能成為決定光通信網絡效率的因素之一。
模塊由光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包括髮射和接收兩部分。光模塊依據所使用的場景不同，分為點對點(P2P)光模塊和點對多點(P2MP)光模塊。傳統光模塊是點對點的代表，模塊成對使用，並使用一根或兩根光纖進行傳輸，傳輸距離較遠，主要用於通訊網絡的骨幹網。PON光模塊則是點對多點的代表，其最大的特點是可以不成對使用，但其傳輸距離較短約為20KM左右，主要應用於通訊網絡的接入網。
光模塊剖析圖
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光模塊工作原理
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中金普華產業研究院數據顯示：光模塊主要應用於電信市場與數據市場。在電信市場，光模塊廠商的主要客戶為通信設備製造商，而終端用戶為運營商。而數據光模塊主要應用場景為數據中心。因此，因特網內容提供商（ICP：InternetContentProvider）是數據光模塊主要需求方。雖然電信產品與數通產品具有一定差異，但在流量爆發的背景下，對於提升網絡效率有著一致的追求。
1、移動通信升級，5G基建成電信光模塊亮點
通信升級實現不同功能。移動通信技術大約每10年就會進行一次革新，從第一代技術誕生到如今第五代技術的建設推廣，通信實現從語音傳輸到移動互聯再踏入萬物互聯時代。每一代通信技術都存在著各自特點，與上一代技術相比在性能上均有不同程度的提升，為使用者創造更佳的體驗感，也為下游應用的創新提供土壤。
世界通信技術發展史
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通信換代需要硬件設備的支持。新一代通信技術商業化離不開硬件設備的支持，運營商需要更新設備以提供相關服務，對於設備投入將有所加大。從我國運營商的資本開支來看，在2G換3G（2009年發放3G牌照）和3G換4G（2013年發放4G牌照）之後的2-3年，運營商資本開支均在不斷上升，其中大部分投資是對基站及傳輸設備進行升級。對於5G通信，2019年6月6日，工信部正式向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放5G商用牌照。所以，2019年是5G建設元年，且運營商資本開支同比重回正增長。在國家政策的加持下，運營商對於5G建設將會有所加速，預計運營商資本開支增速將會加大。
我國三大運營商資本開支
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2、移動流量爆發促使承載網升級
移動數據爆發成為趨勢。4G時代，網絡購物、小視頻等下游應用的興起，使得移動數據流量呈現爆發性增長。1－11月，移動互聯網累計流量達1107億GB，同比增速降至77.4%；其中通過手機上網的流量達到1101億GB，佔移動互聯網總流量的99.5%，同比增速降至78.8%。11月當月戶均移動互聯網接入流量（DOU）達到8.27GB。5G時代在移動數據流量上將延續4G流量爆發趨勢。以韓國為例，其是全世界5G商用最早的國家，從韓國科學和信息通信技術部所公佈的數據來看，韓國自2019年4月啟動5G商用以來，5G用戶的滲透率和5G用戶DOU持續上升。從9月份的數據來看，韓國5G戶均移動互聯網接入流量約26GB,4G用戶約為9GB，兩種用戶移動數據使用量有約3倍的差距。在下游應用內容方面，韓國三大運營商專門針對AR、VR、遊戲推出基於5G的內容和平臺活動，激發5G用戶的活躍度，使得移動數據使用量較4G用戶有較大的提升。
我國移動互聯網累計接入流量及同比增速比較
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韓國5G情況（各代通信DOU值和5G滲透率）
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電信光模塊升級勢在必行。由於5G是萬物互聯時代，增強移動寬帶（eMBB）、高可靠低時延連接（uRLLC）和海量物聯（eMTC）是5G的三大應用場景，移動數據將會呈現量大且種類繁多的發展趨勢，對數據傳輸將提出新要求。所以，移動數據爆發會對承載網進行衝擊，需要提升承載網的傳輸效率以應對數據傳輸需求。光模塊作為光通信網絡中較為重要的環節之一，其性能對於網絡效率有一定的制衡作用。5G在時延、速率和連接量上與4G通信相比都有不同程度的提升。在數據量增大的情況下，對於光模塊性能的要求有所上升，高性能光模塊需求將逐漸放量。
3、5G通信特性築造增量市場
5G頻譜決定其基站數量將增多。對於5G網絡覆蓋，可採用Sub6G頻段或毫米波。雖然我國工信部分配給三大運營商的5G頻譜處於Sub6G頻段範圍內，但是由於大部分頻譜處於高頻部分，對於基站密度有一定要求。由物理學知識可知，當波速一定時，頻率越高則波長越短。5G通信建立在Sub6G高頻段的基礎上，由此所形成的優勢是帶寬大、傳輸速率高，但傳播距離近。由於5G通信所採用的頻譜較4G通信高，所以5G基站將會較4G基站更多。
4G基站與5G基站覆蓋範圍圖示
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單基站光模塊數量在增加。由於每代通信技術相較上一代技術在性能上都有提升，所以對網絡傳輸的要求也將會提升，使得新一代通信網絡都增加單基站光模塊使用量。由於5G網絡架構尚未完全定型且各運營商組建5G網絡的方案有所差異，所以各運營商對於5G組網光模塊的使用量將不盡相同，但光模塊使用量的趨勢將不會改變。以前傳部分為例，光模塊使用量會基於不同方案出現差異，預計使用量以6塊或12塊為主，且不排除在特定方案下光模塊使用量將會更多。
5G通信構架中承載網新增中傳部分。5G的BBU基帶部分拆分成CU和DU兩個邏輯網元，PDCP層及以上的無線協議功能由CU實現，PDCP以下的無線協議功能由DU實現，而射頻單元以及部分基帶物理層底層功能與天線構成AAU。而CU與DU之間所形成的中傳即是5G通信架構改變下的新變化。由於運營商在5G前期部署中會考量部署難度、成本等因素，在5G建設前期會考慮DU和CU合設以增加5G覆蓋的速度。但隨著5G技術普及、下游應用開發及5G應用場景逐步落地，對於低時延等需求上升，DU和CU分開部署會優化網絡傳輸及提升網絡效率。所以，DU和CU分開部署將會成為發展趨勢。
4G與5G通信區別
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DU和CU合設情況下RAN部署架構的承載網絡分段
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5G組網將激發光模塊需求。基站數量增加意味著對光通信需求在上升，而光模塊作為光通信中不可獲取的一環，其需求量也將會有所放大。此外，基於不同方案5G單基站光模塊使用量將保持增加的趨勢。從基站建設的角度來看，光模塊的需求會隨著5G組網進程的推進而得到釋放。對於架構的改變所形成的光模塊增量是一個從無到有的過程，預計在下游應用對網絡環境產生需求後，對光模塊的需求會逐步呈現。
二、5G新應用帶動需求側景氣高企，供給側國內廠商蓄勢待發，400G光模塊逐步成為數通市場主角
1、需求側：超大規模數據中心建設進入400G時代，引領技術發展趨勢
全球數據中心建設呈現大型化和集約化特點，轉向更大規模發展。全球數據中心數量呈現逐年下滑的趨勢，但機架數仍維持增長，預計到2020年全球數據中心約為42.2萬個，機架數量則達到498.5萬架，服務器將超過6200萬臺，每個數據中心的平均機架數呈明顯的上升趨勢，數據中心轉向更大規模的趨勢發展。從2012年至今，數據中心開始進入整合、升級和雲化的新階段，如美國數據中心從粗放式發展階段進入規模建設階段，發展模式將轉入以改建和擴建等利舊建設，2018年美國數據中心建設主要以改建和擴建為主，新建規模佔比降低至20%。
全球數據中心和機架數量統計及預測
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2018年美國數據中心建設結構佔比
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超大規模（Hyperscale）數據中心建設持續高景氣週期。“超大規模”的定義各不相同，一般指擁有5萬-10萬服務器的數據中心，認為是擁有“幾十萬臺服務器，有時甚至是數百萬臺”。 2018年全球超大規模供應商運營的大型數據中心數量將達到430個，同比增長了11%，到2019第三季度已突破504個，目前還有151個超大規模數據中心正在規劃或在建設當中，超大規模數據中心的建設高景氣將有望持續。預計到2021年，超大規模數據中心的服務器數量將佔全部數據中心服務器總量的53%，流量佔比將達到55%，成為市場主力。
全球超大規模數據中心持續增長
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超大規模數據中心作為新技術擔當，代表數據中心未來的發展方向。超大規模數據中心的軟硬件設計、配置、能耗和管理運維等技術要求較高，通常需要綜合技術能力和資金實力較強的大型互聯網公司才有能力設計建設和運營，其技術預研的方向往往被認為是代表數據中心技術發展的方向。業界普遍認為谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、騰訊、百度以及阿里巴巴等可以被稱為超大規模數據中心運營商。亞馬遜和微軟在過去的12個月內開設了最多的新數據中心，合計超過總數的一半。緊隨其後的是谷歌和阿里巴巴。從地區上看，美國超大規模數據中心數量佔比始終是全球最大，但近年隨著中國、日本等地區數據中心建設熱潮的興起，佔比逐漸下滑。
各國超大規模數據中心佔比
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數據中心東西流量遠超南北流量。一般的數據中心內部主要由服務器、交換機和路由器組成。其中服務器提供數據的存儲、計算、控制等功能，是數據中心的核心；交換機作為數據中心的骨幹組成，搭建起數據中心內外部的神經中樞，通過連接服務器與服務器提供東西流量通道，連接服務器與路由器提供南北流量通道；路由器主要承擔數據中心數據的進出口流量的傳輸和控制。據Cisco預測，數據中心的所有數據流量中，東西流量佔比將在2021年達到85%，南北流量僅佔15%。其中數據中心與數據中心之間的流量佔比將由2016年底的10%提升到將近14%，超過數據中心內部（75.4%->71.5%）和數據中心到用戶流量（基本維持在14.5%）的增長，這主要是受CDN網絡、雲服務和數據中心備份等應用場景的增加所致。
2021年全球數據中心流量流向
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2、需求側：400G交換生態圈已成熟，提振光模塊需求空間，加速市場爆發。
交換機是數據中心裡十分重要和關鍵的網絡設備，SDN催生白盒化模式。作為數據中心內部數據傳輸通道的骨幹，交換機的容量和速率決定了數據中心可對外提供的能力。數據中心藉助交換機協同內部密集的服務器陣列進行整合，對外提供存儲和算力等服務。東西向是數據中心佔比最多的流量應用場景，內部數據傳輸通道的帶寬很大程度上決定了數據中心整體能力的表現。目前市場的交換機按軟硬件內部設計界面劃分，可分為裸機交換機、白盒交換機和傳統商業交換機等，其中傳統商業交換機為傳統常見的模式，由設備商自行設計硬件並加載操作系統，提供功能通用的交換機，常見的製造企業包括思科、華為、Juniper等；裸機交換機則主要由製造商提供組裝好的硬件，由用戶自行加載操作系統，製造商通常為ODM廠家，如Accton，QuantaQCT等；白盒交換機則是近幾年興起並得到超大規模數據中心運營商青睞的交換機種類，在軟件定義網絡（SDN）出現以後，通過軟件控制器和直接流錶轉發的白盒交換機就可以完成數據中心網絡的部署，而且這種網絡部署快、成本低、便於維護，十分適合超大規模數據中心的批量建設。據CrehanResearch的統計，2018年亞馬遜、谷歌和Facebook對白盒交換機的購買規模已經超過了其市場總規模的三分之二，雖然白盒交換機在數據中心交換的整體市場採用率在20％的範圍內，但是亞馬遜，谷歌和Facebook傾向於更早採用這些設備以滿足對更新更快網絡速度的追求，白盒交換機將繼續增長。目前谷歌幾乎所有400GbE數據中心都是白盒級交換機驅動的。
4、硅光模塊，400G光模塊市場的攪局者還是賦能者？
硅光技術有效提高光模塊集成度，更適用未來高速光模塊生產。硅光技術主要是基於CMOS工藝，在同一硅基襯底上利用蝕刻的方法，同時製作光子器件和電子器件，實現光信號處理和電信號處理的深度融合，形成一個具有綜合功能的完整大規模集成芯片。傳統光模塊採用分立式結構，光器件部件多，封裝工序複雜且需要較多人工成本。相對傳統的分立式器件，硅光模塊將多路激光器，調製器和多路探測器等光/電芯片都集成在硅光芯片上，體積大幅減小，有效降低材料成本、芯片成本、封裝成本，同時也能有效控制功耗。硅光芯片內的功能部件主要通過光子介質傳輸信息，連接速度更快，因此更適合數據中心和中長距離相干通信等應用場景。其中在400G光模塊領域，由於單通道光芯片速率瓶頸問題，多通道的PAM4電調製方案不可或缺，而電調製帶來的損耗較大，要求傳統方案光模塊內部激光器、調製器、DRIVER、MUX等器件更加緊湊，激光器芯片處於裸露狀態，受環境損耗的可能性大幅度提升。另外通道數的增加導致器件數量增加，器件集成複雜度和工作溫度提升帶來的溫漂問題都具備較大挑戰性。硅光方案通過高度集成能很好解決以上問題。
硅光方案與傳統分立式方案對比
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硅光技術逐漸成熟，400G硅光模塊已具備商用條件。關於硅芯片上的光源主要有兩種主流的方案，通過外置激光器導入光源（Luxtera）和通過激光器粘合在硅芯片上（Intel），兩種方案均已有成熟商用產品。其中在400G光模塊場景中，Intel在成功推出100G光模塊的基礎上，繼續使用在硅晶圓上粘合InP光源的方式推出了400GQSFP-DDDR4光模塊。業界認為DR4將是400G硅光模塊的基礎形態，既可以實現1分4的Breakout組網，實現與已有的100GDR1/FR1對傳，又可替代接入側短距離多模400G光模塊的互聯，具備端到端成本競爭力。此外在單纖傳輸的優勢下，與多波長光源封裝即可輕易切換為WDM模塊形態。
硅光模塊市場規模快速爬坡。硅光模塊市場仍處於爬坡階段，但市場空間增長速度較快，硅光模塊在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，屆時有望佔整體市場規模21%，較2018年增加約10個百分點。硅光模塊的市場主要集中在相干通信和DCI應用場景。
硅光模塊2018-2024年的快速爬坡
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相干光通信及數通400G模塊有望成硅光最佳市場切入點。目前硅光模塊市場的競爭者主要集中在Luxtera和Intel之間，兩者均已推出應用於DCI市場的100GPSM4產品，另外Intel還有100GCWDM4產品，另外Acacia也佔據一定的份額，主要在相干通信領域。Luxtera和Acacia已先後被Cisco收購，表明Cisco對硅光模塊市場的信心。目前已商用的100G硅光模塊無論在良率還是成本控制方面與傳統分離式方案相比還不存在競爭優勢，因此硅光技術的市場衝擊還不明顯。未來隨著數據流量的快速增長，電信骨幹網城域網和數據中心間DCI鏈接由於更長距離和更大容量的傳輸需求進入相干光通信時代；數據中心內部也進入400G時代。硅光技術在相干光通信和400G模塊中具有顯著的技術和成本優勢。相干光模塊需要使用更多的電子器件實現相干調製功能，硅光技術可有效實現電芯片的高度集成；400G光模塊需要對多路光通道進行更高速率的PAM4調製，硅光技術高度集成調製器，同時可使用單一光源實現4路信號的調製和傳輸，更具成本優勢。相干光通信和400G光模塊（如短距離DR4）有望成為硅光技術的最佳市場切入點。
硅光市場目前競爭格局
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硅光技術發展迅速，寡頭市場或迎來更多競爭者。未來隨著技術的不斷推進，將有越來越多的競爭者加入，如阿里已發佈基於硅光技術的400GDR4光模塊，與Elenion和海信寬帶的深入合作及聯合技術攻關，預計2020年下半年將在阿里全球數據中心投入使用；博創科技推出了高性價比的400GQSFP-DD數據通信硅光模塊解決方案DR4(500m)和DR4+(2km)；亨通光電與英國洛克利硅光子公司合作開發400G硅光子片及光子收發器技術，並已發佈採用此硅光技術的400GQSFP-DDDR4模塊。未來的硅光市場有望呈現兩超（Intel和Cisco）多強的競爭格局。
400GQSFP-DDDR4硅光模塊系統框圖
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硅光產業鏈佈局完整，Fabless模式有望進一步推動硅光模塊成熟商用。硅光應用經過多年的發展，充分利用已有產業資源，形成自己特有的成熟產業鏈。與半導體產業鏈類似，硅光產業鏈涉及有上游的SOI、晶圓材料生產，硅芯片設計和生產，光模塊的封裝生產，中游的光模塊封裝生產以及下游設備和互聯網和電信運營商等最終客戶。其中硅光芯片的產業格局也與半導體類似，存在有IDM和Fabless兩種模式，其中前者的代表為Intel；Fabless的模式如Luxtera與臺積電合作生產硅光芯片。Fabless產業模式的成熟將會催生更多的硅光設計公司，有望進一步推動硅光技術的發展和硅光模塊的成熟商用。
硅光模塊的產業鏈
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硅光模塊優勢與劣勢明顯，短期難完全取代傳統光模塊，或在細分領域彰顯特點。硅光模塊基於大規模CMOS集成生產，優勢十分明顯，包括低能耗、低成本、帶寬大、傳輸速率高等。但同時由於硅光芯片在材料和生產技術方面的複雜，還存在著明顯的劣勢：1)良率不高導致生產成本高，同時傳統分立方案成本在持續優化，硅光模塊成本優勢尚不明顯；2)硅波導與光纖的耦合效率低導致損耗較大，不利於長距離應用；3)硅光芯片集成的合分波器件存在溫漂問題，所以目前成熟常用的400G硅光模塊主要以DR4為主，限制了硅光技術應用場景。光模塊作為連接網絡的關鍵部件，產業鏈下游客戶更關心的是實現同等傳輸性能技術上的綜合成本，對內部實現的技術並不敏感。我們認為在短期硅光模塊難以完全取代傳統光模塊，下游客戶仍需要較長的時間去認證和認可，但可能會在某些細分領域會發揮其成本、能耗和速率等優勢率先取得突破，並逐漸取得相應的市場份額，如在數據中心領域已實現商用的100GPSM4和CWDM4，以及未來的400GDR4。傳統分立光模塊與硅光模塊將會長期共存。
