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信息设备:光模块行业分析

归档日期:07-19       文本归类:多芯片模块      文章编辑:爱尚语录

  早期数据通信主要以电子作为信息载体通过铜线进行传输,但由于铜线直径随着传输距离同比例增大,且难以满足10Gb/s 以上高速率传输,同时电接口功耗也难以降低,而光传输在距离、速率、功耗等方面具备显著优势,由此光纤通信逐渐登上历史舞台,采取“电处理+光传输”的方式,将传输载体的成本转移到完成光电信号转换的光模块环节。

  光模块承担光电转换功能,是光通信系统的核心组件。光通信采用“光传输+电处理”模式,信息以光信号的形式在光纤中传输,在设备处转化成电信号进行信息处理,其中光模块负责完成光信号和电信号的相互转换。电信号在发射端经电芯片处理,驱动激光器发射搭载信息的调制光信号,随后经过光纤传输至接收端,被光电探测器接收,再经放大器还原恢复成电信号进行处理。光模块具有传输距离长,抗干扰,节省布线空间,易于更换等特点,已成为光通信系统的核心组件。

  面向实际需求,持续向更高速率、更高质量的封装工艺发展。光模块产品类型众多,内部主要由光发射次模块、接收次模块、电芯片,内电路、PCB 面板等构成。随着通信网干线容量和速率的不断提升以及数据中心流量的快速增长,对于光模块的需求种类越来越多,性能指标要求也越来越高,复杂度更是以惊人的速度发展。整体而言,光模块产品朝着小型化、低成本、低功耗、高速率、大容量、远距离以及热插拔方向发展,通过不断迭代升级以满足高速可靠的信息传输需求。

  上承光芯片、光器件,面向下游电信和数通市场。光模块处于光通信产业链中游,上游是生产和封装产品的原材料,主要包括光接收/发射次模块(含发射芯片、接收芯片)、IC 电芯片以及其他结构件,下游主要包括电信市场、数通市场和接入市场。光模块厂商从上游采购光学和电子原件、芯片等原材料,经过集成、封装、测试合格后向下游客户供货。主要应用场景为数据宽带、电信通讯、数据中心、光纤接入、智能电网、安防监控等领域,其中电信通讯网络和数据中心网络是光模块的主要应用场景。作为支撑宽带网络、移动通信、云计算、物联网、数字医疗等现代高科技的重要单元,光模块占据产业链重要地位。

  光模块产品升级换代快,“技术+需求”持续驱动行业发展。光模块性能取决于上游光电子芯片与器件性能以及自身封装工艺等环节,每项技术进步都将带来产品性能大幅提升,伴随下游电信和数通市场需求传导带来光模块行业增长动力。技术进步和需求增长推动光模块产品不断迭代升级,一般而言数通市场平均2~3 年一代,电信市场5~6 年一代。相关厂商对新技术的角逐将成为常态,而优质龙头企业有望抢得先机,进一步巩固行业地位,在机遇与挑战并存的时代脱颖而出。

  超大规模数据中心建设持续推进,云数据中心流量快速增长。云计算、在线游戏、高清视频等应用推动数据流量快速增长,思科预计2016-2021 年全球数据中心流量年复合增速25%,其中云数据中心流量占比将提升至95%。流量快速增长拉动数据中心等网络基础设施建设持续推进,全球超大规模数据中心将从2016 年338 个增长到2021 年628 个,且服务器数量占比将提升至53%。

  数据中心内部流量占比超过7 成,交换效率亟需提升,传导到硬件设备层面,则是数据中心架构的调整以及对更多光纤资源和更高带宽速率光模块的需求。从数据中心流量构成来看,连接用户的流量占比不足15%,而数据中心内部交换的流量占比超过7 成,若算上数据中心之间互联则合计占比85%左右。而传统三层数据中心架构单个集群规模小,汇聚层与核心层连接有限,其时延和交互效率受到限制。高速的信息交换需求推动传统三层结构向叶脊两层结构转变,通过接入层和汇聚层的连接降低核心层流量负载,增加横向传输通道。数据中心内部结构的调整大幅增加光纤连接数,光模块需求也随之增加。

  数据中心内部光互连接口速率已经从10 G/40 G 迈入25 G/100 G 时代。数据中心内部网络的架构变革提升数据交换效率,网络架构的扁平化带动了数据中心内东西数据流的交换设备的数量上升,每一个交换设备的交换容量也在同时增长,导致单个光模块传输速率从10/40G 向25/100G 升级。

  当前数据中心100G 光模块已成主流产品,400G 预计在2020 年之后逐渐规模放量。100G 光模块早已成为海外Amazon、Google、Facebook 等云计算厂商主流需求,国内厂商大约晚1-2 年时间,BAT 在2017 年才开始批量部署100G 网络,截至目前百度已完成约一半,并预计将于2019年全部完成25/100G 网络部署。对于400G 产品,国外云计算厂商预计将在2018/2019 年开始部署,而国内预计最早将在2020/2021 年。据Ovum 统计和预测,100G 光模块在2017 年开始迅猛增长,预计到2022 年将超过70 亿美元。同时LightCounting 数据显示2017 年全球100G 模块发货量290 万个,2018 年有望达到500 万。目前400G 光模块还处于规划布局阶段,主流光模块厂商都已推出相关解决方案,预计400G 光模块将在2020 年以后规模放量。

  全球IP 流量持续快速增长,持续推动电信网络基础设施扩容升级。思科预测全球IP 流量在2016-2021 年复合增长率为24%,其中移动蜂窝网络流量复合增速为46%,而来自移动设备及WiFi 的流量占比将从2016 年49%提升至2021 年63%。光模块作为通信网络中的光电转换核心单元几乎无可替代,从骨干网、城域网再到接入网,不同的网络层级需要不同类型的光模块以满足传输距离和带宽需求,而流量的快速增长将直接导致电信网络基础设施的新建、扩容与升级。

  5G 接入网将采用C-RAN 组网,三级架构带来高速光模块需求。5G 基站密度加大,带宽增加,SDN/NFV 技术推动软硬件解耦,实现通用设备和专有设备灵活配臵,主流观点认为传统基站BBU将拆分成CU 和DU,并视实际需求选择合设或分开部署。据IMT-2020《5G 承载需求白皮书》测算,5G 前传和中传主流方案带宽将分别达到29.3Gbps、33Gbps,而CU 与核心网之间回传的汇聚层与核心层则将分别达到198Gbps 和794Gbps,对应到光模块,前传、中传将分别以25G 和50G 光模块需求为主,而回传预计在建网初期将采用100G,后期根据需要部署200G/400G。

  5G 接入网光模块需求测算:按三大运营商口径截至2017 年底4G 基站总数约390 万,随着偏远地区4G 覆盖推进预计最终达到400 万。考虑到5G 或将在2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz 频段建网,若要实现良好覆盖,在不考虑现有存量基站复用的情形下,宏基站总数按600 万计算,则相应前传/中传/回传所需光模块总数接近5000 万,投资规模超过400 亿元(测算过程见后文)。

  就电信市场而言,随着光纤入户固网带宽逐渐从50M 提升到100M 甚至千兆,移动4G 接入速率也逐渐提升,尤其是未来5G 商用带来移动端超高清视频、AR/VR 等应用的普及和爆发,固网流量与移动网流量扩张都将进一步加速,网络基础设施扩容升级将成为持续的刚需,并将带动电信市场对光器件需求的景气度。

  光芯片是光模块的功能核心与成本核心。光模块构成元件包括光发射/接收次模块(TOSA/ ROSA)、电芯片、PCB 面板等,其中次模块最重要的部件是光芯片,在TOSA 侧主要是激光器芯片,ROSA侧主要是探测器芯片,光芯片及组件占光模块成本超过70%,并且越是高端的光模块,对其光电转换效率要求越高,其芯片成本占比也就越高。可以说光芯片是光收发元件乃至整个光模块的功能核心与成本核心。

  高端光芯片依然由国外厂商主导。虽然我国光通信产业在近十年取得迅猛发展,设备商在全球份额第一,但光通信器件与国际领先水平还有较大差距,国内核心光通信芯片及器件仍然严重依赖进口,以高端激光器芯片为例,VCSEL、DFB、EML 等高速率芯片主要由美国、日本厂商主导。国内少数企业虽然依靠器件封装优势在中低端市场形成较强影响力,但高端光通信芯片与器件国产化率不足10%,25G 及以上高速率光芯片国产化率仅3%左右,电芯片国产化率更是约等于零。

  国外主流厂商采用“光芯片-光模块”一体化,国内厂商以模块封装为主。国外光模块龙头厂商大多采用“IC 设计+光芯片+光模块”一体化模式,如Finisar、AAOI 等,自主研发光芯片并设计生产光模块产品,把握住产业上游核心,以此延伸至整个光模块产业链。国内厂商由于高端芯片能力不足、起步较晚等因素,大多聚焦于光模块封装环节,上游芯片依赖进口。相较而言,一体化模式

  可以在光模块销售中获得更高的毛利率,但芯片研发成本同样会带来更高费用以及研发风险;芯片外采模式可以在全球芯片市场选取最成熟的产品,且无需承担高昂的芯片研发费用,但上游光芯片的强议价能力不容忽视,光芯片供需以及价格波动很容易传导到下游,从而影响整个光模块产业链。

  国内政策积极扶持芯片产业,相关企业积极投入,内生外延合力向上游芯片突破。工信部《中国光电子器件产业技术发展路线 年中低端光电子芯片国产化率超过60%,高端光电子芯片国产化率突破20%。今年中兴事件再次揭开国产芯片痛点,政府加大扶持引导措施,国内相关企业在分散采购上游芯片的同时不断加强自主研发,努力打开光电产业竞争格局,并逐渐在10G以上速率有源器件和100G光模块等高端领域有所突破,光芯片层面也出现华为海思、中兴、海信、光迅等一批具有自主研发能力的企业,通过自主研发+外延并购获取光芯片技术,例如华为收购英国CIP 和比利时Caliopa;光迅收购丹麦IPX 和法国Almae,海信收购美国Archom和Multiplex。其中光迅10G 以内多款芯片早已量产商用,25G EML 芯片预计将于2019 年初量产,海信同样有10G 以内FP、DFB 多款芯片量产商用,25G DFB、EML 芯片已于2017 年完成样品开发,目前正处于验证阶段。

  硅光方案成为突破性能和成本瓶颈的选择。目前光集成商业产品技术路线主要分为InP 和Si 两大阵营,区别在于光电子集成衬底材料。当前应用最为广泛的光模块主要基于InP(磷化铟)和GaAs(砷化镓)半导体材料制成,技术起步早、成熟度高,但集成难度大。以InP 为衬底材料集成器件数量每2.6 年翻一倍,而以Si 为衬底材料每年可翻一倍,在成本和集成能力上都具备天然优势。同时硅波导对1100-1600nm 中远红外波段近乎无损透明,因此越来越多的人考虑使用硅作为下一代光通信系统的解决方案,以便突破传统技术路线的性能和成本瓶颈。

  100G 硅光模块已经商用,目前以数据中心场景为主,但很难取代InP。Intel 面向数据中心场景的硅光混合集成100G PSM4 产品早已实现量产,并且由于更低的BOM 成本优势已占据PSM4 产品80%市场份额。但PSM4 主要适用于500 米以内互联场景,在2km 距离与CWDM4 相比不再具备成本优势。而对于100G CWDM4 产品来说,硅光方案的复用/解复用器件温度与极化特性欠佳,激光器与光纤耦合功率损耗较大,其内部架构并未得到简化,BOM 器件和组装成本优势不再。

  除数据中心之外,硅光在高性能计算、电信、激光雷达等领域也逐渐得到应用,但整体依然处于初步阶段,即便有商业化产品方案,也未能实现量产出货。

  长期来看硅光方案大势所趋,400G 时代或将规模发力。尽管市场在400G 方案技术路线上还存在争议,例如多通道相干技术降低了对芯片的要求,但整体成本高昂;单通道技术对芯片提出更高要求,但目前100G 以上高端单通道光芯片、电芯片的信号处理、协调能力尚不成熟。但不可否认的是,面向400G 及以上速率的场景需求,传统直接调制激光器DML 已接近带宽极限,EML 成本又居高难下,因而硅光若能解决前述光源及封装等关键技术问题,或将在400G 时代开始规模发力。

  尽管目前硅光模块仍偏小众,2016 年硅光芯片市场规模仅3000 万美元,但继Intel2016 年发布数据中心100G 硅光模块之后,2017 年Luxtera 实现业内首款2x100G PSM4 硅光嵌入式模块出货,SiFotonics 推出400G 硅光集成相干接收解决方案。Yole 预计2025 年硅光芯片市场将达到5.6 亿美元,硅光模块市场则主要由于数据中心内部互联需求而增长至接近40亿美元,市占率达到35%。

  技术+需求双驱动,瞄准高端产品,关注成本把控和新一代技术布局。纵向来看光模块行业下游面向数通和电信两大市场,对光模块数量和更高速率的产品需求旺盛,但客户集中度高,主要为云服务商和电信运营商,且产品迭代周期较快,尤其是数据中心一般2-3 年一代。上游高端光芯片由美国及日本厂商主导,议价能力较强,主流厂商选择芯片-模块垂直一体化。横向来看,光模块封装制造竞争激烈,尤其是中低端产品表现更甚。同时,尽管硅光模块在100G 时代对传统InP 光模块冲击有限,但随着硅光集成技术的进一步成熟和完善,或将在400G 时代逐渐规模发力。

  2017 年行业集中度有所降低,光迅市占率进一步提升至6.1%。主流光器件企业主要集中在美、日等国家,龙头厂商Finisar 份额自2003 年7%提升至2016 年14.8%之后于2017 年下滑0.4 个百分点,同时全球主流厂商超过一半2017 年份额下滑,行业CR9 从57.4%下降至55.2%(注:2017年数据源未单列Broadcom/Foxconn,固2016 年也仅取其余9 家)。行业集中度降低或许跟海外光器件厂商更为聚焦高端模块及芯片产品,以及国内厂商份额提升有关。但目前中国厂商份额较为分散,仅光迅Accelink 进入前十,其份额在2015 年首次进入前五之后,2017 年进一步提升至6.1%。

  光模块行业竞争激烈,并购整合获取技术及市场或将成为常态。以当前全球光器件龙头厂商Finisar为例,自2000 年以来通过十余起并购不断完善自身产品体系和技术实力,在扩大市场份额的同时还能提供新领域的发展机会。截至目前,Finisar 已构建起业内最为完备的产品和技术体系,市场份额甚至小幅超过第二和第三名之和。但今年3 月份行业第二Lumentum 宣布以约18 亿美元对价收购Oclaro,若按2017 年份额计算,两者之和14%已经极其接近Finisar,或将挑战其龙头地位。

  我们也有理由相信类似的行业并购整合案例或将成为常态,横向整合或沿着产业链纵向延伸都将有效应对日渐加剧的行业竞争。

  主流厂商加码布局高端市场,400G 方案纷纷出炉。随着2017 年云业务爆发,光模块/光器件朝着高速率、高带宽方向发展,100G 及以上高速率产品成为光器件公司的角力场,除海外AAOI、Finisar、Lumentum 等主流厂商早已推出100G 产品之外,国内数据中心光模块龙头厂商苏州旭创40G/100G数据中心光模块出货更是全球第一,光迅也于2017 年一季度实现100G产品批量出货。而到2018 年,主流光模块厂商大多已推出400G 方案。

  数通领域成为光模块市场最大的增长引擎。LightCounting 分析指出,2017 年全球光器件市场主要由云应用拉动。美国大型数据中心对100G 光模块需求强劲,中国的云公司也逐渐开始部署100G。全球数据中心光模块市场规模将在400G 产品推动下从2017 年20 亿美元增长到2023 年60 亿美元以上,而中国市场光模块市场规模将从2017 年的16 亿美元增长到2023 年35 亿美元,其中以太网光模块的消费量增长最快,占比从27%提升至39%并超过FTTx 而成为最大份额。

  高速光模块是行业趋势。网络流量的持续快速增长,尤其是数据中心内部流量的增长对光模块速率提出更高要求,LightCounting 预计全球四大ICP(Amazon、Facebook、Google、Microsoft)在以太网光模块的投资将从2016 年的5 亿美元增长至2022 年接近20 亿美元,占全球以太网光模块市场30%。其中Amazon 和Facebook 数据中心内流量每年均翻倍以上增长。此外国内除BATJ还在继续加大投资,三大运营商也将在数据中心建设和升级的过程中占据更重要的地位。

  当前100G 光模块已逐渐经成为海外云计算厂商主流产品,国内以BAT 为首的互联网厂商也逐渐开始跟进。100G 数通光模块需求从2016 年开始保持快速增长,至2020 年将达到21.9 亿美元,复合增长率超过76%。400G 光模块起步比100G 晚,预计2020 年规模约3.2 亿美元,随后将伴随数据中心向400G 产品升级的趋势而逐渐替代部分100G 产品需求并快速增长。

  电信市场随着光纤入户渗透率、固网带宽向千兆提升,接入侧10G PON 将逐渐成为标配。移动网络随着4G 接入速率继续逐渐提升,5G 建设也指日可待。而随着移动端超高清视频、AR/VR 等应用的普及和爆发,固网流量与移动网流量扩张都将进一步加速,网络基础设施扩容升级将成为持续的刚需,并将带动电信市场对光器件需求的景气度。

  仅就5G 接入网建设而言,若按照600 万宏基站、CU 与DU 分开部署来测算,前传、中传、回传分别以25G、50G、100G 光模块为主,假设试验期、扩张期、成熟期建设基站数量占比为1:6:3,则对应光模块总数接近5000 万,投资规模超过400 亿元。返回搜狐,查看更多

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