AI产业链分析光模块光模块发展趋势和方向

时间：2024-06-25 15:23:06

光模块是网络基础设施层面的核心承载硬件。现代信息网络主要以光纤作为传输介质，但计算、分析还必须基于电信号，光模块是实现光电转换的核心器件，光模块的传输速率直接影响了网络传输的带宽及速度。
在网络时代信息流量的爆发式增长背景下，云计算和大数据等技术的应用驱动全球超大规模数据中心的加速建设。近2年来，AI大模型技术的飞速发展，催生了行业对高速光模块需求量的提升，同时也推动了光模块的迭代升级。
光模块产业链概况
从产业链环节来看，上游环节包括光芯片制造商和光器件供应商，负责光模块制造的关键原材料提供；中游环节包括光模块制造商、光通信芯片制造商以及光通信设备供应商，这些企业负责将光芯片和光器件组装成完整的光模块，并开发与之配套的驱动电路和控制系统；下游环节主要分为数通市场和电信市场，包括互联网和云计算企业、电信运营商等最终用户。
光芯片在光模块成本中占比较高。光芯片主要由光芯片、电芯片、光组件和其他结构件所构成，其中上游光器件元件是光模块成本中的主要部分，在光器件元件中，光发射模块 TOSA 和光接收模块 ROSA 成本占比较高。TOSA 的主体为激光器芯片（VCSEL、DFB、EML 等），ROSA 的主体为探测器芯片（APD/PIN 等）。光芯片中高端芯片目前具备量产能力的供应商主要在海外；10G 及以下速率的 DFB、PIN、VCSEL、FP、APD 国内产商供应链成熟，50G 及以上速率的 EML 激光器目前仍需进口；10G-25G 速率的 EML 激光器，目前已有部分国内厂商可实现批量供应。
光通信模块的基本原理
光通信模块（Optical transceiver）是光纤通信系统中重要的器件之一，其主要由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括光发射器件和光接收器件两部分。其中，光发射器件部分为：输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号，其内部带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定；光接收器件部分为：一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号。

光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。光模块作为数据传输设备间的信号传输载体，具有传输距离长，抗干扰，节省布线空间，易于更换等特点。

5G网络所提供的多类业务的主要特征包括大带宽、低延时、海量连接等从而对承载网提出了大宽带、低延时、高精度时间同步、灵活组网、网络切片的要求。5G承载网将从4G时期的两级结构演化到三级结构，衍生出前传、中传和回传网络三部分。5G前传网络以25G光模块产品为主；中传或以50G PAM4为主；5G回传或将使用100G/200G/400G相干光模块（高速长距）。
未来发展趋势
硅光
硅光解决方案集成度高，同时在峰值速度、能耗、成本等方面均具有良好表现，因而是光模块未来的重要发展方向之一。硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。

硅光模块产生的核心理念是“以光代电”，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。硅光子技术将硅光模块中的光学器件与电子元件整合到一个独立的微芯片中，使光信号处理与电信号的处理深度融合，最终实现真正意义上的“光互联”。
相干技术
数据中心光互联方案可根据其传输距离来选择两种支撑技术，一种是直接探测技术，另一种是相干探测技术。相干探测凭借着高容量、高信噪比等优势在城域网内的长距离 DCI 互联中得到广泛应用，而直接探测的应用场景更适合相对短距离互联。随着单通道传输速率的提高，现代光通信领域越来越多的应用场景开始用到相干光传输技术，相干技术也从过去的骨干网下沉到城域甚至边缘接入网。
数据中心之间为实现数据直连通道，提高网络传输质量，需要用 400G、800G 等相干光模块来解决数据中心之间的 DCI 互联应用场景。旭创在产品研发和技术研究方面持续重点投入，公司的相干产品支持 5G 回传、边缘网络、城域和 DCI 互连等应用，目前 400G 全系列相干产品已实现批量发货。此外，公司还推出业界最高输出功率400G ZR / OpenZR+ QSFP-DD相干模块，输出光功率可以达到+5dBm，模块功耗业界最低。
线性驱动可插拔光模块 LPO
线性驱动可插拨光模块（linear drive pluggable optics），是指采用了线性直驱技术，去除传统的 DSP（数字信号处理）/CDR（时钟数据恢复）芯片，光模块中，只留下具有高线性度的 Driver（驱动芯片）和 TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器），并分别集成 CTLE（Continuous Time Linear Equalization，连续时间线性均衡）和 EQ（Equalization，均衡）功能，实现系统降功耗、降延迟的优势，但系统误码率和传输距离有所牺牲。根据 Macom 的数据，具有 DSP 功能的 800G 多模光模块的功耗可超过 13W，而利用 MACOM PURE DRIVE 技术的 800G 多模光模块功耗低于 4W。行业普遍认为，LPO 只适用于特定的短距离应用场景。例如，数据中心机柜内服务器到交换机的连接，以及数据中心机柜间的连接等。
半重定时线性链接（LRO）
Linear Receive Optics 或称“HALO” (半重定时线性光连接 Half-retimed Linear Optics) 架构进行优化。在 LRO 收发器或有源光缆(AOC)中，只需在从电口输入到光口输出的传输路径上放置一个用于信号重定时和均衡的 DSP，接收端采用线性设计。该方案在满足互操作性及标准的同时，使整体功耗大幅降低。其优势和弊端是介于传统方案和 LPO 方案之间，总体来看，LRO 被定义为 DSP 和 LPO 光模块的过度技术。
光电共封装技术（CPO）
光电共封装（CPO）指的是交换ASIC芯片和硅光引擎（光学器件）在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降低成本和实现高度集成。CPO 的发展才刚起步，并且其行业标准形成预计还要一定时间，但 CPO 的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变化。硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在 CPO 方案中。800G传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而CPO方案则更多的是技术探索。但是从1.6T 开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后续光互联升级可能转向 CPO 和相干方案。
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