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自二十世紀七十年代光纖誕生以來，光通信技術引領信息技術變革，光通信以光波作為信息傳輸的載體，以光纖作為信息傳輸媒介，具有高速率、大容量、長距離等技術優勢，在移動通信、光纖寬帶、數據中心、消費電子、汽車電子和工業製造等領域廣泛應用。5G 建設承載先行，光通信技術是網絡連接的核心，5G 將催生光通信新一輪發展機遇。
本篇報告從光通信技術驅動的應用變革入手，圍繞光通信行業的光線纜、光器件、光設備三方面來分析光通信細分領域的市場格局和投資機遇，最後對光電子行業的發展趨勢進行展望。
1．光通信技術推動網絡變革以滿足數據增長需求
1.1 數據流量爆發式增長，光通信技術成為終極方案
移動互聯網、雲計算、5G 推動了全球數據量指數級增長，數據量的爆增對網絡提了挑戰。由於雲計算、視頻、社交、電商、搜索、支付業務的快速發展，全球應用數據量和對通信容量的需求急劇增長。IDC 預測，到 2025 年全球數據總量將從 2018 年的 33 ZB 增長到 175 ZB，複合年增長率為 27％。隨著全球 5G 網絡的部署，從雲端數據中心到邊緣網絡，再到用戶側的 PC、智能手機和物聯網終端，需求爆發推動數據流量的持續增長。在物聯網和實時數據增長的推動下，邊緣計算的數據量將快速增長，預計 2025 年平均每人每天進行5000 次數據交互，是目前的 7 倍。數據流量和數據交互量的高速增長對網絡基礎設施提出了挑戰。
互聯網接入帶寬速率與全球數據量保持同步增長，網絡面臨增長的壓力。尼爾森互聯網帶寬定律指出，互聯網接入帶寬速率年均增長 50％。尼爾森定律類似於摩爾定律（每 18 個月容量翻一倍，相當於年均增長 60%），在過去36 年時間裡一直使用，從 1984 年的 IDSN 線路接入速率 300 bps，到 2003 年的 T1 線路 1.5Mbps，2010 年升級到 31Mbps，2019 年升級到 325Mbps。根據尼爾森互聯網帶寬定律看，未來帶寬速率的增長將對網絡基礎設施的升級提出了不小的挑戰。
光進銅退已成為全球信息技術產業的發展趨勢。銅線的傳輸性能無法滿足數據流量日益增長的需求，光纖通信逐步替代銅線電路。銅線使用電子進行數據傳輸，而光纖使用光子。光比電速度快，光纖可以提供更高的帶寬，光通信在傳輸速度、衰減、抗干擾、抗腐蝕、重量體積等性能指標更佳。光纖電纜傳輸數據的速度遠遠高於銅線，與銅線的 40Gbps 帶寬相比，光纖帶寬已超過60Tbps，相差千倍以上。在數據信號衰減方面，光纖可提供更好的信號耐久性，在超過 100 米的距離，光纖信號損失僅 3％，而銅線信號損失高達 94％。由於光纖由玻璃製成，因此光纖受腐蝕性化學物質的影響很小，也不受電磁干擾和功率波動的影響。光纖具有抗干擾、溫度波動和防潮的特性，可提供更加可靠的數據傳輸。
光通信芯片數據容量的增速可滿足數據指數級增長需求。在過去的幾十年中，光通信網絡傳輸容量的增長需求導致光電子出現突破性的發展，光芯片不斷增加功能和密度，其經濟性、功耗、可靠性帶來顯著優勢。伴隨著 DML、EML、Tunable EML 芯片技術到 QPSK、16-QAM 調製技術等一系列技術升級，光通信的數據處理能力呈指數級增長，平均每 2.2 年翻一番，每十年提高一個數量級。光通信技術的發展已完全滿足數據指數級增長的需求，並在未來一段時期仍然保持目前的增長速度。
光通信技術推動以太網不斷變革以滿足數據量增長需求。在以太網誕生以來，網絡速率保持了每十年增長十倍的發展趨勢。隨著 5G 的到來，從移動互聯網向車聯網、工業互聯網、電力互聯網等垂直應用發展，用戶體驗需求的不斷提高，對以太網的發展也提出了更高的訴求，大帶寬、大連接、低成本、安全可靠的物聯網互聯互通是業界對於以太網技術的期待。目前，多行業應用驅動以太網光通信的演進與革新，通信運營商需求推動了 100G、400G 的發展，數據中心需求推動了 25G、40G、100G、400G 的發展。根據以太網聯盟 2020 年技術發展路線圖顯示，單通道 100G 的光收發器件將成為以太網發展趨勢，到2025 年可達到 1T 帶寬的數據處理速率。
1.2 從網絡到信息系統，光通信市場逐步成熟壯大
自 1980 年代光纖誕生以來，光通信技術引領了信息技術革命性變革，光通信以光波作為信息傳輸的載體，以光纖作為信息傳輸媒介，具有高速率、大容量、長距離、低損耗、體積小、重量輕、抗干擾能力強等優勢，在無線通信、光纖寬帶、數據中心和消費電子等領域廣泛應用。
光通信變革從網絡逐步延伸到系統芯片，從廣域網、城域網到局域網，從系統、設備到芯片，正在逐步取代電信號的信息傳輸。1980 年代，運營商大帶寬長距離通信需求持續增長，光通信首先在廣域網應用，隨著成本的逐步降低，在運營商城域網又廣泛使用。1990 年代，數據流量快速增長，光通信進入園區、企業層面的中短距離應用領域。進入 2000 年，超級計算和大型數據處理需求增長，光通信在數據中心的系統機架間廣泛使用，大幅提升了系統級數據處理速度。隨著全球數據流量的持續增長，光通信未來將逐步實現板卡級、模塊級、芯片級的高速傳輸，市場規模有望達到數百億美元。
運營商光通信變革從骨幹網延伸到城域網、接入網、基站，未來向全光網演進。隨著數量流量的增長，電子器件存在的帶寬限制、容量不足、高功耗等缺點凸顯，在通信網中出現了“電子瓶頸”的現象。為了解決這一瓶頸，運營商骨幹網線路最先採用光通信，並逐步延伸到城域網、接入網和基站。在線路完成光纖化之後，進一步提出了全光網概念，數據只是在進出網絡時才進行電光和光電轉換，而在網絡中所有傳輸和交換的過程始終以光的形式存在，網絡中的設備由電路交換升級到高可靠、大容量和高靈活度的光交叉連接數據交換。在全光網中，由於沒有光電轉換環節，支持各種不同協議和編碼形式，信息傳輸具有透明性，數據傳輸效率進一步提升。目前，全球運營商骨幹網和城域網已實現光纖化，部分地區接入網光纖化已完成，向全光網的演進已經開始。
應對數據量指數級增長，光通信成為數據中心解決方案。隨著移動互聯網和雲計算的發展，全球互聯網業務和應用數據處理都在數據中心進行，數據中心的計算能力和數據交換能力也呈指數級的增長。和傳統電信網絡不同，數據中心網絡主要是機器和機器之間的東西向流量。隨著網絡速率的不斷提高，光通信技術在數據中心得到大量的使用，光通信的應用主體從電信運營商網絡轉向了數據中心，數據中心成為光通信的最大市場。現代數據中心為了應對數據流量的快速增長，普遍採用 Spine-Leaf 網絡架構，數據中心內部數據交換和處理能力更強，網絡結構也更加扁平化和密集。
隨著光器件的成熟，網絡設備內部引入光交換，實現全光網絡傳輸。網絡線路實現光纖化僅是全光網絡的第一步，隨著光交換、光存儲、光多路複用器件的成熟，網絡設備節點由光電轉換、電交換技術向光交換方向發展，將會引領走向一個全動態的數字光網絡。5G 對光網絡的容量、時延、光纖密度要求很高，需要強大的傳輸承載架構，全光網是 5G 最理想的承載技術，具有巨大的可用頻譜、超大容量、超高速率等優勢。數據中心對交換性能、功耗、集成度、成本等關鍵指標要求較高，引入全光交換技術，可進一步節能增效，滿足數據中心內部海量連接需求。
光互連演進到計算機系統內部，從機架級、設備級、板卡級到芯片級，推動著計算機體系架構對速度的不斷突破。摩爾定律依然在發揮效力，推動處理器性能不斷進步，計算機系統內外部 I/O 互連性能遠低於處理器性能，成為計算機系統的瓶頸。基於銅線互連的鏈路在 10Gbps 以上速率出現明顯的瓶頸，在設備機架之間互連、設備板卡之間互連、板卡模塊之間互連和芯片之間互連，無法滿足計算和數據快速增長的需求。光互連具有高速率、低功耗、小尺寸的性能優勢，在銅互連成為計算機系統架構瓶頸時，有望成為最佳解決方案。計算機系統內外部的互連線纜已實現從無源銅纜、有源銅纜到有源光纜的逐步升級，在數據中心已廣泛使用。計算機系統內部 PCB 電路板升級到 OPCB光路板，芯片銅線互連升級到芯片光互連，可滿足未來更高速率的數據計算處理需求，可大幅提升計算機系統的數據處理能力，具備較大的市場空間。
1.3 5G 帶給光通信行業新一輪快速發展機遇
電信市場和數據中心市場是光通信主要需求市場。從應用市場來看，光通信目前主要市場為電信市場、數據中心市場、消費電子等新興市場。電信市場是光通信最開始發力的市場，市場規模大、收入佔比高，主要應用於接入網、匯聚網、城域網、骨幹網。數據中心市場是光通信增速最高的市場，未來有望超過電信市場規模，主要應用於數據中心內部（Spine/Fabric/ToR）和數據中心間 DCI 網絡。消費電子等新興市場是未來規模潛力最大的市場，手機、汽車普及 3D 感應的市場空間較大，目前還處於早期狀態，未來具有爆發式增長機會。採用金字塔需求分層模型，可以看出數據中心各層次的帶寬需求高於電信網絡各層次帶寬需求，決定了未來數據中心市場規模在光通信市場的主導地位。
5G 帶動電信市場光通信需求向上。光通信在電信市場主要應用於傳輸承載網、固網接入網、無線接入網。2020 年是中國 5G 網絡規模建設元年，預計2019-2023 年我國三大運營商 5G 宏基站建設規模 400 萬站，5G 傳輸網投資達2600 億元。5G 帶動傳輸承載網絡設備、光纖光纜的需求增長，5G 基站接入在前傳、中傳、回傳光模塊需求增長顯著，中國移動研究院以建設 200 萬基站為
例推算，預計將帶來 4800 萬支光模塊需求。預計 5G 光模塊需求是 4G 光模塊需求的 2 倍以上，25G/50G/100G 光模塊將逐步在前傳、中傳和回傳引入，100G/200G/400G 高速光模塊將在傳輸匯聚和核心層引入。
5G 推動全球數據中心光通信需求增長。根據韓國科學信息部的統計，韓國5G 用戶流量是 4G 的 3 倍。根據中國移動的預測，5G 用戶流量年均複合增速達25%。隨著全球加快 5G 建設速度，推進 5G 垂直行業應用落地，構建高速、智能、泛在的 5G 應用生態圈，5G 在傳統行業的推廣將持續推動全球數據中心高速增長。根據思科全球雲指數 CGCI 的報告，2016-2021 年全球超大規模數據中心將從 338 個增長到 628 個。到 2021 年，亞太地區將超越北美地區的超大數據中心領先地位，亞太地區超大數據中心佔比將達到 39%，北美地區佔比達到 35%。儘管面臨疫情和經濟挑戰，全球雲數據中心的資本支出在 2020 年仍然將實現更高的增長。全球主要的雲計算廠商亞馬遜、微軟、谷歌等也均表示2020 年持續加大數據中心的資本支出。隨著數據中心市場規模的持續提升，有望成為驅動光通信行業最大的細分市場。
受益於 5G 網絡和數據中心需求，光通信行業發展空間廣闊。光通信產業鏈包括光器件、光線纜和光設備等細分領域。光器件位於光通信產業鏈上游，市場規模較小、毛利率較高，由日美企業主導行業技術和發展方向。光線纜和光設備位於光通信產業鏈中下游，市場規模較大、毛利率較低，由中美企業佔據全球主要市場份額。受益於 5G 網絡和數據中心建設需求，下游光線纜和光設備需求激增，帶動上游光器件，光通信行業具備長期增長潛力。
2．光通信處於產能驅動快速成長期
光通信產業鏈主要包括光線纜、光器件和光設備。光線纜包括光纖光纜和有源線纜，光器件包括光芯片、有源器件、無源器件和光模塊，光設備包括傳輸設備和數通設備。
2.1 光纖處於產能消化期，有源線纜市場快速增長
從上世紀八十年代開始，光纖傳輸陸續替代了電纜傳輸，從光纖發明至今經過半個世紀，光纖網絡已成為全球信息網的主幹。光纖的應用領域也從最早的通信和數據傳輸，發展到互連光纖網、基站光纖網、存儲光纖網、物聯光纖網和傳感光纖網等。雲計算、視頻、5G、物聯網需求的快速商業化，大連接、大容量、大能力成為未來光纖網絡的核心。
光纖的主要成分是高純度二氧化硅，經過千度高溫製成光纖預製棒，光纖預製棒經過拉絲退火工藝製成光纖。光纜是由一定數量的光纖組成纜芯，外面包裹有護套和保護層。光纖是信息傳遞的載體，光信號在光纖內經過多次折射傳輸到終點的，光信號在折射後會分散或者衰減，需要把光信號每隔一定距離進行信號放大。
光進銅退持續推進，光纖光纜長期保持高景氣。隨著全球信息產業的高速發展，通信、互聯網等信息技術產業的快速發展帶動了全球光纖光纜行業的穩步增長。根據 Communications Today 的報告顯示，2018 年全球光纖光纜市場需求達 5.1 億芯公里，市場規模達 76 億美元。2005-2018 年，全球光纖市場複合年增長率達到 16%。中國市場成為推動全球光纖光纜行業的重要市場，其市場份額從 2005 年的 30%提升到 2018 年的 54%。
三年高增長後產能過剩，光纖光纜進入產能消化期。伴隨著 2014-2018 年全球 4G 建設和中國光纖寬帶的高速發展，光纖光纜行業迎來一輪產能擴張。根據 CRU 統計，2013-2018 年，全球光纜產量複合增長率排名，中國高達18%，超過全球平均水平。隨著中國光纖寬帶家庭覆蓋率超過 90%，2018 年底以來，需求側主要的中國光纖寬帶市場回落，供給側光棒、光纖、光纜產能規模不斷擴大，光纖市場出貨量和價格同步下降，結束了 2016-2018 年的光纖需求緊張的局面，光纖光纜行業進入產能消化期。
中國企業佔據全球光纖光纜市場的半壁江山。網絡電信 2019 年光通信行業競爭力數據顯示，中國企業光纖光纜市場佔有率為 46%，美國企業市場佔有率為 15%，日本企業市場佔有率為 19%。光纖光纜主要供應商包括康寧、長飛、亨通光電、古河、富通、中天科技、烽火通信、普睿司曼、住友電工、藤倉。
進軍新市場成為光纖光纜企業發展的方向。我國主要的光纖生產企業均選擇進軍新市場，來消化過剩產能，擴大全球市場佔有率。從產品擴張來看，海底光纜和數據中心光纖成為主要方向，多箇中國企業進入海底光纜市場，包括亨通、中天、烽火、富通和長飛等。從地域擴張來看，歐洲成為主要目標市場區域，海外建立合資公司成為市場突破的發展方向。
有源光纜成為主流數據傳輸線纜。有源光纜（AOC）由兩端的光收發器和中間一根光纜跳線組成，有源光纜的主要優勢帶寬大、重量輕、功耗低、易使用。有源光纜的主要市場包括數據中心和消費電子市場，基於雲的應用、音頻視頻終端、在線遊戲和有線電視需要高速率大帶寬數據服務，推動有源光纜在雲端數據中心和終端消費電子廣泛使用。根據 CIR 的預計，2020 年-2024 年有
源光纜市場將從 9.5 億美元增長到 19 億美元。隨著中國數據中心加速建設，預計 2024 年中國市場有源光纜收入將達到 3.8 億美元。從產品結構看，隨著交換機到路由器互聯鏈路向 100G-400G 鏈路升級，100G 以上鍊路產品收入佔比較高，200G 以上鍊路線纜銷售將快速增長，2020 年成為 400G 鏈路銷售放量的元年。有源光纜最大的細分市場將是 200G 及以上市場，預計到 2024 年市場銷售規模將達到 9.7 億美元。
中國廠商市場份額逐步擴大。全球有源光纜市場較為分散，市場參與者超過 200 家企業，隨著競爭的加劇，市場集中度越來越高，主要供應商包括10Gtek、海信、旭創、Mellanox、Cisco、Intel、II-VI（Finisar）、Amphenol、Fujitsu、Broadcom 等。隨著中國有源光纜公司逐步佔領市場，有源光纜價格也承受了巨大壓力，市場競爭日益激烈。由於貿易摩擦的影響，有源光纜行業相關公司預計在 2021 年開始調整產能佈局，將製造轉移到勞動力成本較低的東南亞國家，供應鏈面臨重新洗牌。
2.2 光器件漸入成熟期，未來市場潛力巨大
光器件依然處於行業早期。光器件位於光通信行業的上游，通過核心光電元件實現光信號的發射、接收、信號處理等功能，是光通信系統的核心。從產業發展週期看，光器件依然處於行業早期，併購整合成為該階段市場的主旋律。隨著行業頭部企業規模增大，全球光器件行業將逐步進入成熟期。
光器件種類繁多、百花齊放。按光通信上下游劃分，光器件可分為光電芯片、光器件和光模塊。光電芯片是光器件的核心元件，根據材料不同可分為InP、GaAs、Si/SiO2、SiP、LiNbO3、MEMS 等芯片，根據功能不同可分為激光器芯片、探測器芯片、調製器芯片。光器件根據是否需要電源劃分為有源器件和無源器件。有源器件主要用於光電信號轉換，包括激光器、調製器、探測器和集成器件等。無源器件用於滿足光傳輸環節的其他功能，包括光連接器、光隔離器、光分路器、光濾波器、光開關等。光模塊是多種光器件封裝組合的一體化模塊，包括光收發模塊、光放大器模塊、動態可調模塊、性能監控模塊等。光器件性能向著速率高、頻譜寬、損耗小、功耗低、靈敏度高、時延短、非線性弱、集成度高、尺寸小、價格便宜的方向不斷髮展。
光器件市場保持快速增長。根據 LightCounting 的預測，2019-2023 年全球光器件市場規模從 70 億美元增長到 120 億美元。5G 將帶來光模塊市場強勁增長，中國移動研究院以建設 200 萬基站為例推算，預計將帶來 4800 萬支光模塊需求。25G/50G/100G 高速光模塊將逐步在前傳、中傳和回傳引入，100G/200G/400G 高速光模塊將在傳輸匯聚和核心層引入。預計 5G 光模塊需求是 4G
光模塊需求的 2 倍以上，我國 5G 光模塊市場規模將達到 200 億元。
我國企業在光器件市場份額進一步擴大。根據網絡電信的研究，美國日本企業依然佔據全球光器件市場領先地位，掌握核心光芯片、電芯片、光器件的全球主要份額，美國企業市佔率約 26%，中國企業市佔率約 17%，日本企業市佔率約 12%。我國企業進步明顯，依靠光模塊市場份額的提升，和行業頭部企業的差距逐步縮小。全球光器件市場領導者主要包括 II-VI、Broadcom、Lumentum、蘇州旭創、光迅科技、住友電工等。國內光模塊市場的主要供應商包括蘇州旭創、光迅科技、海信寬帶、昂納科技、華工科技、新易盛等。
光電芯片是光器件的核心部件，主要包括光芯片（化合物半導體激光器芯片、光電探測器芯片）和電芯片。在高端模塊中，光芯片成本佔比通常在 40%-60%，電芯片成本佔比通常在 10%-30%，兩者合計佔高端光模塊成本的 80%。
光芯片材料主要有以砷化碳 GaAs 和磷化銦 InP 為代表的 III-V 族化合物半導體材料為主。III-V 族化合物材料擁有最佳的能量轉化效率，適用於高速、高頻、大功率光電子芯片場景，廣泛應用於光通信、衛星通訊、移動通訊和 GPS 等領域。而不同芯片材料的基態能級差不同，具有不同的發光工作波長，結合光纖傳輸損耗窗口，常用的發光波長為 850nm/1310nm/1550nm。
數據中心和消費電子需求驅動砷化鎵市場增長。砷化鎵在光通信領域主要應用於 VCSEL 激光器，產品分佈在數據中心和手機 3D 感應市場。根據 Yole 的預測，2019-2025 年砷化鎵光通信市場規模從 2400 萬美元增長的 6100 萬美元，複合年增長率 17%。砷化芯襯底主要供應商包括 Freiberger、住友電工、AXT 和 Vital Materials，主流尺寸為 3 英寸和 4 英寸。砷化鎵外延材料主要供應商包括 IQE、全新光電、住友化學、英特磊、II-V。
5G 和數據中心需求驅動磷化銦市場增長。磷化銦主要應用在光通信波長為1000nm 以上的激光器，主要包括分佈式反饋激光器（DFB）、電吸收調製激光器（EML）。DFB 適用於速率在 25G 及以下、傳輸距離在 10 千米以內的基站和數據中心場景，EML 適用於速率在 50G 及以下，傳輸距離在 80 千米以內的骨幹網、城域網和 DCI 互聯場景。隨著 5G 基站和數據中心高速光模塊需求的增長，對於磷化銦的需求有望快速增長。根據 Yole 的預測，2018-2024 年磷化放光通信市場規模從 5700 萬美元增長到 1.49 億美元，複合年增長率為14%。磷化銦襯底的主要供應商包括住友電工、AXT、JX Nippon Group，主流尺寸為 2 英寸和 3 英寸。磷化銦外延材料主要供應商包括聯亞光電、IQE。
SOI 是未來硅光集成領域的應用材料。根據 Markets and Markets 的預測，2019-2024 年 SOI 硅片市場規模將從 9 億美元增長至 22 億美元，年複合增速超 29%。目前，SOI 晶圓供應商包括 Soitec、信越、SUMCO、環球、上海新傲、TowerJazz、Sony、WaferPro 等。
激光器是光模塊的核心器件，激光器將電流注入化合物半導體材料中，通過光子震盪和增益產生光信號。化合物半導體激光器是最主要的光通信激光器，主要包括 VCSEL（垂直腔面發射激光器）、FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分佈式反饋激光器），適用於不同傳輸距離和速度。激光器調製方式分為直接調製和外調試，DFB 激光器基於不同調制方式分為 DML 直接調製激光器和 EML 電吸收調製激光器。
VCSEL 在消費電子市場具有廣闊空間。VCSEL 在通信領域主要應用於 850nm波段數據傳輸，廣泛應用於數據中心和接入網。根據 Yole 的預測，2018-2024年 VCSEL 市場規模從 7.38.億美元增長到 37.75 億美元，複合年增長率 31%。隨著 VCSEL 在蘋果手機 3D 傳感的應用突破，未來 VCSEL 有望廣泛應用於消費電子、工業、汽車、醫療等新興領域。VCSEL 的主要供應商包括 Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、光迅科技、華芯半導體等。
FP 激光器適用於短距離通信。FP 主要應用於 1310nm/1550nm 波段低速率短距離傳輸，速率一般在 1.25G 以內，主要應用於接入網 GPON/EPON 市場。由於存在損耗大、傳輸距離短的問題，逐步被 DFB 激光器取代。
DFB 激光器適用於中長距離通信。DFB 基於 FP 的基礎，目前是最常用的直接調製激光器，主要使用於 1310nm、1550nm 波段數據通信，廣泛應用於數據中心、城域網及接入網。DFB 的主要供應商包括 II-VI(Finisar)、Lumentum（Oclaro）、Neophotonics、三菱、光迅科技、海信寬帶等。
EML 激光器成為高速遠距離主流光芯片。EML 是 DFB 與 EAM（電吸收調製器）的集成激光器芯片，與直接調製的 DFB 激光器相比，EML 具有功率高、窄線寬、寬波長調諧範圍等傳輸優勢，廣泛應用於數據中心、城域網和骨幹網。EML 的主要供應商包括 Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞薩、住友電工、Neophotonics、光迅科技等。
光電探測器能夠檢測光信號並完成光信號向電信號的轉換。主要的光電探測器包括 PIN（光電二極管探測器）和 APD（雪崩光電二極管探測器）。
PIN 探測器適用於中短距離的光通信場景。PIN 只能實現光電轉換功能，輸出光電流較弱，適用於中短距離、低靈敏度的場景。 主要的 PIN 供應商包括 Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞薩、住友電工、環宇通訊、光迅科技等。
APD 探測器是一種高靈敏度探測器。APD 除了可實現光電轉換功能，對光電流具有放大作用，具備更高的靈敏度、高響應和高可靠性的特性，廣泛應用到通信、工業、航空、醫療等各領域。預計 2019-2027 年全球 APD 市場規模從re1.51 億美元增長到 2.03 億美元，複合年增長率為 3.5％。APD 的主要參與者包括 Lumentum（Oclaro）、Broadcom、II-VI(Finisar)、瑞薩、Excelitas、環宇通訊、光迅科技等。
電芯片主要功能包括對光芯片的配套支撐、電信號功率調節和複雜的數字信號處理。在光模塊發射端，Driver 驅動芯片用於產生電信號，驅動激光器實現電信號到光信號的轉換。在光模塊接收端，TIA 跨阻放大器芯片在光探測器芯片接收光信號後，完成光信號到電信號的轉換，並進行信號放大。在光通信領域，DSP 主要用於支持更高速率調製，以提高頻譜效率。
逐步提升製造工藝成為控制功耗和成本的主要方式。隨著光器件集成度提升，對光模塊功耗的要求越來越高，電芯片降低功耗的方法比較有限，提升芯片工藝成為主要方式。電芯片製造工藝逐步從 28nm、16nm 到 7nm，從 16nm 升級到 7nm 工藝能夠降低功耗高達 65%。
從應用市場來說，運營商市場主要是大於 40km 的相干芯片，數據中心市場主要是小於 40km 的 PAM 芯片。電芯片主要的供應商包括 Broadcom、Inphi、ADI、瑞薩等。
2.3 5G 與 IDC 雙輪驅動，光模塊市場快速增長
光模塊是光通信設備最重要的組成部分，是光世界與電世界的互連通道。光模塊也叫光纖收發器，主要用於信號的光電轉換，在發射端將設備的電信號轉換成光信號，在接收端將光信號還原成電信號。光模塊由發射端激光器、接收端探測器、數據編/解碼的電子器件組成。光模塊廣泛應用於服務器、存儲、網絡等各有線網絡連接領域。
光模塊向大帶寬小型化硅光集成方向演進。隨著信息技術產業的快速發展，數據流量的快速增長，對光模塊的性能指標要求越來越高，數據速率、傳輸距離、功耗、體積成為重要的考量指標。光模塊技術不斷演進，不斷出現新的應用類型，在 400G 以上高速率光模塊的應用場景中，硅光集成的比例將越來越大，成為未來主流技術方向。
光模塊市場仍處於行業初期，不同類型產品可滿足多樣化需求。按光模塊封裝可分為 QSFP、QSFP28、CFP、CFP2、CFP4、CXP、SFP、CSFP、SFP+、GBIC、XFP、XENPAK、X2、SFF 等多個類型。SFP、QSFP 具有高性能低功耗優勢，成為目前大規模使用的產品，對 100G/400G 高數據速率光模塊的需求不斷增長，將帶動 QSFP、QSFP-DD、OSFP 光模塊市場的增長。按光模塊速率可分為1Gbps、2.5Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、50Gbps、100Gbps、200Gbps、400Gbps 等主流型號。按速率市場分層，低速率光模塊需求量最大，可用於寬帶用戶、服務器、企業網絡接入；越高速率光模塊需求量越小，主要用於運營商、數據中心的長距離通信。按光纖接入類型分為單模光模塊和多模光模塊。多模光模塊的傳輸距離較短，通常在 500 米脂 2000 米，單模光模塊的傳輸距離較遠，通常在 10 千米至 160 千米。
全球光模塊市場保持快速增長。根據 LightCounting 的預測，2020-2024年全球光模塊市場從 80 億美元增長到近 160 億美元，複合年增長率高達18%。5G 網絡建設加速和傳統垂直行業數字化轉型推動了雲計算需求不斷增長，運營商市場和數據中心市場成為未來五年光模塊市場增長的主要推動力。
高速率光模塊出貨量佔比不斷上升。隨著數據流量需求的不斷增長，終端用戶、雲端服務器、網絡互連帶寬同步增長，寬帶用戶接入從 1G 升級到10G，基站接入從 1G 升級到 25G，服務器接入從 1G-10G 升級到 10G-100G，網絡從 10G-40G 升級到 100G-400G。2021 年，100G 光模塊將成為出貨量最大的類型，400G 光模塊規模量產，25G 光模塊成為最普及的設備接入類型。
400G 成為電信網絡高速光模塊市場的主流類型。電信網絡市場對大帶寬需求爆發較早，2018 年開始 400G 應用已經進入電信骨幹網，隨著 5G 建設，城域網將啟用 400G 光模塊傳輸。根據 OVUM 的預計，2018-2021 年電信網絡高速光模塊市場從 40 億美元增長到 55 億美元，到 2024 年 400G 光模塊市場規模佔比將超過 50%。
100G 和 400G 是數據中心高速光模塊市場的主流類型。光模塊在數據中心內部互連和數據中心間 DCI 連接起著至關重要的作用，隨著 5G 和 AI 等出現， 對更高帶寬的需求日益增長。根據LightCounting 的預估，2019 年數據中心光模塊銷量超過 5000 萬個。根據 OVUM 的預計，2018-2024 年數據中心高速光模塊市場從 25 億美元增長到 60 億美元，複合年增長率 16%。40G 光模塊在2020 年退出新增需求，100G 成為高速光模塊需求量最大的類型，400G 在 2020年開始批量部署併成為未來增速最快的類型。
我國企業逐步擴大光模塊市場份額。以亞馬遜、微軟、谷歌、臉書為代表的四大互聯網巨頭擁有全球最大規模的數據中心，四大巨頭對高速數據通信的需求推動全球光模塊市場不斷增長。光模塊市場核心供應商以美日企業為主，主要供應商包括 II-VI(Finisar)、Lumentum(Oclaro)、Broadcom（FIT）、住友電工、光迅科技、富士通、蘇州旭創、AOI、Cisco（Acacia）、Intel、NeoPhotonics、Renesas 等。我國企業在光模塊市場份額不斷提升，但仍然以勞動密集型為主的中低速率產品為主，國內光模塊市場的主要供應商包括蘇州旭創、光迅科技、海信寬帶、昂納科技、華工科技、新易盛、劍橋科技等。
2.4 光通信設備市場穩步發展
光通信設備是利用光波傳輸技術，提供大帶寬、高可靠、低時延的數據流量傳輸能力的通信設備。光通信設備從應用領域看，可分為傳輸設備和數通設備，傳輸設備主要分為傳送網設備和接入網設備，數通設備主要是路由器和交換機。
光進銅退持續推進，光傳輸設備市場空間廣闊。傳輸網是信息傳遞的基礎設施，在通信產業佔據重要地位，面向運營商、數據中心提供高速可靠的傳輸解決方案。根據 Dell’Oro 的統計數據，2014-2019 年全球傳輸設備市場複合年增長率約 4%。預計 5G 網絡部署將帶動全球光傳輸設備市場規模將達 160 億美元。從產品結構看，DWDM 系統出貨量有望達到 18%的年複合增長率，WDM 戲
統市場保持高速增長，其市場份額有望超過 50%，城域部署需求成為主要推動因素。
中國企業已經成為全球傳輸設備產業引領者。網絡電信 2019 年光通信行業競爭力數據顯示，在全球光傳輸設備企業市場份額排名中，中國企業全球市場佔有率為 41%，美國企業全球市場佔有率為 17%，歐盟企業全球市場佔有率為 16%，日本企業全球市場佔有率為 12%。全球光傳輸設備市場領先企業包括華為、諾基亞、烽火通信、訊遠通信、中興通訊。隨著全球運營商 5G 網絡建
設的陸續開展，依靠 5G 技術領先優勢，華為、中興通訊和烽火通信有望進一步擴大全球傳輸設備的市場份額。
全球信息化程度提升，路由器市場增長緩慢。路由器是連接全球互聯網的核心設備，以實現全球不同區域之間和區域內部的互聯網數據流量轉發，主要運用於骨幹網、城域網、移動承載和企業接入等領域。隨著全球經濟發展和信息技術成熟度提升，各地區網絡基礎設施市場增長放緩，路由器市場的增長與運營商骨幹網增長保持同步。根據 IDC 的統計數據，2014-2019 年全球路由器市場複合年增長率約 3%。2019 年，全球路由器市場規模達 155 億美元，同比增長 0.4％。
新興市場增速較快，兩大巨頭齊頭並進。從市場地域位置看，亞太地區、北美、歐洲是路由器的主要市場，高端路由器集中在北美地區，最大的美國市場 2019 年收入下降 3.1%。中東和非洲新興市場保持積極增長，2019 年收入增速分別為 2.4%和 7.2%。全球路由器市場領先企業包括思科、華為、Juniper、諾基亞。2019 年，從企業增速來看，思科收入下降 3.4%，Juniper 收入下降11.7%，華為收入增長 4.1%。從市場佔有率來看，思科市佔率 37.2%，華為市佔率 29.8%，Juniper 市佔率 13.2%，依靠成本優勢，華為對思科全球市場形成持續壓力。
受益數據中心快速發展，交換機市場迎來增長機遇。交換機可提供穩定可靠安全的數據交換服務，主要應用於雲數據中心、運營商網絡邊緣匯聚接入、企業接入。雲計算業務和雲流量的快速增長，帶動數據中心進入快速發展通道，交換機在數據中心市場迎來巨大發展空間，市場規模遠大於路由器。根據IDC 的統計數據，2014 -2019 年全球交換機市場複合年增長率約 4.5%。2019年，全球交換機市場規模 288 億美元，同比增長 2.3％。
數據中心市場的高速率交換機成為競爭焦點。從市場地域位置看，最大的美國市場，中東和非洲市場增速最快，同比增長 9.8%。從產品結構看，高速率交換機增速最快，100G 端口交換機市場份額為 18.3％，10G 端口交換機市場份額為 27.3%。全球交換機市場領先企業包括思科、華為、Arista、HPE、華三。2019 年，從企業增速來看，思科增長 0.1%，華為增長 7.8%，Arista 增
長 9.8%，HPE 下降 9.1%。在競爭激烈的 100G 細分市場中，思科仍然是市場領導者。Arista 專注於超大規模雲計算廠商，在高端 100G 交換機市場保持優勢。
2.5 光通信行業市場格局分析
光通信行業受益於 5G 網絡和數據中心建設需求，未來 2-3 年具有確定性行業發展機遇。光通信行業包括光纖光纜、有源線纜、光器件、光模塊、光設備等細分領域，各細分行業在技術難度、市場規模、市場增長率和市場競爭格局又有所差異。各行業市場格局對比分析如下表所述，行業機會從大到小依次是光模塊、光設備、光器件、光線纜。
3．光電子產業未來市場前景廣闊
3.1 上游核心芯片是光通信短期突破方向
國外政府積極佈局研究光電子先進技術。20 世紀 80 年代以來，光電子產品市場規模不斷擴大，應用日益廣泛，大規模光子集成芯片已成為國際競爭最激烈的領域之一，美歐發達國家紛紛將光子集成產業列入國家發展戰略性規劃。美國宣佈光子集成技術國家戰略，建立“國家光子集成製造創新研究所”，打造光子集成器件研發製備平臺。歐盟“地平線 2020”計劃中集中部署光電子集成研究項目，旨在實現基於半導體材料和二維晶體材料的光電混合集成芯片。日本實施的“先端研究開發計劃”部署光電子融合系統技術開發項目。
我國在光電子技術產業也進行了政策重點佈局。“十二五”期間我國在多波束、高速率、大規模和全光信號處理芯片等光電子集成芯片相關技術方面取得了重要進展。“十三五”期間，我國明確了信息光電子方向的技術發展趨勢，高端光電子關鍵技術達到國際先進水平。工信部和電子元器件行業協會也推出了中國光電子器件產業技術發展路線圖。
我國光通信領域企業整體實力仍然偏弱，產業結構不合理，大部分企業位於產業中低端領域。從產品結構看，光通信上游光芯片和光器件處於光通信產業鏈的核心位置，具有技術壁壘高、產品價值含量高的特點。我國企業雖然逐步提升了在光通信設備器件的全球市場佔有率，但仍以中低端的光模塊封裝製造為主，在上游核心光芯片領域與國際先進水平差距較大。上游材料和芯片的薄弱導致相應的光器件及模塊業務發展受到制約，嚴重依賴於進口。
核心光電芯片成為短期重點突破方向。目前，光芯片核心技術主要掌握在美國、日本廠商手中，我國企業雖然具有光芯片量產能力，但依然以中低速率光芯片、無源芯片製造為主，產品附加值不高，產品同質化嚴重。國內光模塊對於高速率光芯片、可調諧激光器芯片、相干 DSP 芯片、電跨阻放大芯片（TIA）、半導體制冷器（TEC）等高價值核心器件的需求依然依賴進口，未來成為重點突破方向。
3.2 硅光集成是光通信中期發展趨勢
硅光集成是光通信未來發展方向。隨著高速光模塊在數據中心的大量運用，傳統光模塊將面臨成本高、功耗高、體積大的問題。硅光集成技術以硅基襯底材料作為光學介質，利用成熟 CMOS 工藝製造光電器件，利用這些器件進行光子發射、傳輸、檢測和處理，實現在光通信、光互連、光計算等領域的應用。硅光集成將大量分立光學元器件集成在單個硅片上，提升了產品性能，降低了產品價格，將傳統光模塊的勞動密集型產業升級到高端半導體制造業，是光通信行業未來的發展方向。
光電芯片一體封裝（Co-Package）成為硅光集成的技術方向。隨著數據中心對於功耗與高密度安裝的要求越來越高，可插拔模塊漸漸不能滿足要求。Co-Package 技術是不再需要連接交換機面板上的光模塊與 PCB 板上交換芯片之間的銅線，而且其更簡單的 SerDes 接口不僅可以帶來更低功耗，也帶來更低延遲。Co-Package 憑藉尺寸小、功耗低，受到大型互聯網公司的青睞。網絡交換機的數據速率每 18 個月翻一番，2017-2025 年交換機的數據速率將從5Tbps 增長到 51.2Tbps，光模塊的數據速率將從 100Gbps 增加到 800Gps。CoPackage 成為交換機升級到 51.2Tbps 的關鍵因素，更低的損耗和更好的熱管理技術解決了光器件集成帶來的散熱問題。
數據中心成為硅光最大細分市場。根據 Yole 的報告，2019-2025 年硅光市場有望從 4.8 億美元增長到 39 億美元，複合年增長率達 40%。其中，數據中心市場是最大細分市場，從 3.64 億美元增長到 36 億美元，複合年增長率達46%。預計到 2025 年，5G 市場規模 6100 萬美元，長距離光模塊市場規模18600 萬美元，光互聯市場規模 1800 萬美元，汽車 LiDAR 市場規模 4400 萬美元，免疫測試市場規模 2200 萬美元，光纖陀螺儀市場規模 2000 萬美元。
Intel 和 Cisco 引領硅光市場。在硅光集成領域有眾多公司參與競爭，其中 Intel、IBM、Cisco(收購 Acacia 和 Luxtera)、Mellanox 等公司具有較強競爭力。經過了十多年的發展，亞馬遜、谷歌、微軟等互聯網公司的數據中心已大規模採用 100G 硅光模塊，隨著 400G 以上高速率光模塊的應用，硅光技術在良率和成本價格方面逐步具備競爭優勢。我國企業在硅光集成領域還需加大投入，在硅光器件以及無源硅光集成芯片等領域均有突破。
3.3 光電子技術應用場景不斷擴大成為長期發展目標
隨著 5G、雲計算、大數據和人工智能的迅猛發展，光電子市場規模不斷擴大，光電子技術在數據中心、高性能計算、消費電子、自動駕駛、衛星通信、生物醫療、工業製造等領域的應用越發廣泛，光電子產業獲得前所未有的市場機遇，產業規模持續擴大。
光電子技術將徹底改變數據中心和高性能計算體系。多國已將光電子技術列為 21 世紀的國家戰略核心技術，投入了鉅額資金進行大規模研究工作。光電子技術在高性能計算領域具有高性能、低成本和低功耗特性。以歐盟第七框架計劃資助的 PhoxTroT 項目為例，該項目目標以實現 Tbps 級別速率的光互聯，實現光路板速率超 1Tbps、光背板速率超 2Tbps、有源光纜傳輸速率超1.28T bps、集成 3D SiP 模塊和功耗降低 50%以上。光電子技術在高性能計算領域逐步成熟，將有利於未來光電子技術在更大的服務器市場、PC 市場逐步替代原有的銅互連技術，實現規模化商業應用。
光電子在消費電子市場即將迎來爆發性增長。消費電子市場在移動互聯網時代剛剛崛起，在 5G 智能穿戴時代將迎來全面爆發。隨著大帶寬需求的增長，消費電子的連接問題日益暴露出來，帶寬、傳輸距離等受到極大挑戰，以光纖作為傳輸介質的連接線解決銅線傳輸的瓶頸，能確保數據高質量無損傳輸。英特爾和蘋果公司推出 Thunderbolt 技術，將光電子用於消費電子市場，能夠提供 40Gbps 以上的傳輸速率。根據 Yole 的預計，2018-2024 年 VCSEL 在手機 3D 感知市場規模將從 5.5 億美元增長至 33.8 億美元。蘋果公司 iPhone的 3D 感知技術，採用 ToF 技術，將人機互動由 2D 觸摸屏互動推向 3D 感知互動發展，深刻改變人力生產生活，未來在智能家居、智能汽車、AR/VR 設備、遊戲、虛擬現實、生物識別等領域發展空間巨大。
光電子開啟汽車電子市場，3D 感知提升汽車智能化和自動駕駛安全性。3D感知技術在提高智能自動駕駛汽車的安全性和功能性方面發揮越來越重要的作用，短距激光雷達可應用於 10-50 米範圍的車輛周邊區域檢測，遠程激光雷達可應用於 200 米範圍內障礙物和行人檢測，車內駕駛艙感測通過收集信息用於支持車載導航、駕駛員疲勞提醒和手勢操作識別等讓駕駛體驗更加輕鬆舒適。
激光雷達將成為未來汽車的一項核心技術，根據 Yole 的預計，激光雷達市場將獲得巨幅增長，2017-2022 年市場規模將從 3 億美元增長至 44 億美元。
光纖激光器用於工業精密切割和焊接，比傳統焊接工藝效率更高。光纖激光器作為新一代工業激光器，已廣泛應用於雕刻、打標、切割、焊接和製造領域。光纖激光器具備精度高、功率高、散熱好、穩定性好、重量體積輕等性能優勢，迅速在工業激光器市場快速增長，隨著傳統替代和新興應用場景的不斷開發，光纖激光器在全球的市場佔比加快提升。根據 Optech 的報告，光纖激光器快速增長，2005-2017 年全球市場規模從 1.05 億美元增長到 22 億美元，年均複合增速達到 29%，預計到 2025 年全球市場規模將達到 44 億美元。
光電子技術應用場景不斷擴大，新應用不斷湧現。光電子技術是電子信息技術的分支，包括半導體、微電子、光學、通信、計算機、材料等多學科交叉技術。光電子產業鏈包括激光器、光探測、光傳輸、光處理、光顯示、光存儲、光集成、光轉換等多個領域。根據光纖在線的報告，光通信產業直接市場規模近 500 億美元，隨著光電子產業的迅猛發展，全球光電子器件市場規模逐年攀升，光電子技術成為 5G、消費電子、工業製造、光學顯示、國防軍工、光纖傳感、自動駕駛、生物醫療等領域推動力量，間接市場規模突破萬億美元。
4．業務建議及風險
我們採用產業投資曲線方法，把光通信細分產業按照其成熟度歸類到技術驅動、產能驅動、品牌驅動三階段，依照不同階段的投資風險和產業波動程度，將 5G 細分產業分別匹配到風險投資者（股權）、產業投資者（股權、債券、信貸）和財務投資者（股權、債券、信貸），以指引各部門的業務佈局。建議圍繞上游光器件、中游光模塊、下游光設備積極佈局。
（1）中期看，受益於 5G 網絡和數據中心建設需求，光通信行業未來 2-3年具有確定性行業發展機遇，結合光通信細分領域的市場規模、行業增速、競爭格局，行業機會從大到小依次是光模塊、光設備、光器件、光線纜。可積極佈局產能驅動階段的子行業，包括光模塊、光設備和光器件。
光模塊市場受益於 5G 網絡和數據中心市場雙輪驅動，具有確定性高速增長機會，我國企業市場佔有率較高。其中，數據中心光模塊市場規模較大，行業龍頭企業是重點方向。
光設備市場規模較大，我國企業在傳輸設備領域具備較強技術優勢和領先的市場份額，在 5G 網絡建設期具有行業增長機會。
光器件市場規模較小，毛利率和系統重要性較高，美日企業具備較強技術優勢，我國企業在部分領域具有成本和規模優勢。
光纖光纜處於行業下行期，未來 3 年處於產能消化階段，需要關注龍頭企業的融資需求。有源線纜處於行業早期，未來有高速增長預期。
（2）長期看，光電子產業是下一個半導體產業。光電子產業從通信到消費電子，正在走向更寬泛的汽車、工業、醫療、國防軍工等行業，市場規模將突破萬億美元。可參與硅光集成和光電子在傳統行業新應用的早期股權投資。
投資風險：
（1）我國光通信產業上游依然比較薄弱，核心光芯片、電芯片製造和上游設備受制於人，國際貿易爭端的加劇，可能影響光通信產業良性發展。
（2）光通信主要數據中心市場在海外，全球化進程受阻可能帶來光通信需求市場的不確定性。
（本報告觀點及版權屬於原作者，僅供參考。報告來源：招商銀行研究院）
