硅光模塊大有可為

1、摘要硅基光子技術(shù)在成本方面相對于傳統(tǒng)InP材料光子集成具有較大優(yōu)勢，是光通信技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的方向，也是下一代計算機(jī)技術(shù)的組 成之一光模塊市場前景廣闊，當(dāng)前處于高成長賽道。硅光技術(shù)有望憑借其成本、傳輸速率優(yōu)勢在光模塊領(lǐng)域規(guī)模應(yīng)用。當(dāng)前5G和400G系統(tǒng) 大型數(shù)據(jù)中心正處于規(guī)模建設(shè)初期，硅光模塊有望逐步被引入，預(yù)計到2024年占到高速光模塊市場的60%。硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的核心在于硅光芯片的商業(yè)化和量產(chǎn)，其它環(huán)節(jié)均有成熟配套，目前該領(lǐng)域以Intel、Luxtera為代表的歐美企業(yè)為主 導(dǎo)，國產(chǎn)化率極低，中國廠商更多以封裝廠的身份參與到產(chǎn)業(yè)中。上市公司中，博創(chuàng)科技通過與芯片廠商Sicoya的合作，在華為

2、的支持下優(yōu)先規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)硅光模塊，走在各大傳統(tǒng)光模塊廠商前列，在電 信領(lǐng)域有一定突破性，具備 了一定的先發(fā)優(yōu)勢。同時公司產(chǎn)品未來也不排除大舉進(jìn)軍數(shù)通領(lǐng)域，可重點關(guān)注。一、硅基光集成技術(shù)簡述 二、硅光模塊應(yīng)用前景 三、硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂硭?、上市公司及投資機(jī)會梳理目錄一、硅基光集成技術(shù)簡述電子集成技術(shù)簡述電子集成技術(shù)，也就是我們熟悉的集成電路技術(shù)（IC），是指采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互 連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)。集成電路具有體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性

3、能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。硅和鍺都具有良好的單向?qū)щ娦裕侵匾陌雽?dǎo)體基底材料。但因為英特爾公司力推硅芯片，奠定了硅作為主要材料的半導(dǎo)體格局。由于受到RC（電阻電容）延遲經(jīng)典物理效應(yīng)的限制，電子技術(shù)難以突破納秒的門檻，制約了超高速信息傳輸?shù)陌l(fā)展，光子成為新的信息傳輸?shù)妮d 體，光子和電子的結(jié)合成為業(yè)界研究的重點。圖1：分離電路VS集成電路資料來源：電子發(fā)燒友，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所表1：半導(dǎo)體材料分類材料電導(dǎo)率導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等105S.1半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等109102S.1絕緣體SiO2、SiON、Si3N4等1022101

4、4S.1資料來源：電子發(fā)燒友，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所光子集成技術(shù)簡述光子集成技術(shù)，即光子集成電路技術(shù)（PIC，Photonic Integrated Circuit），與電子集成技術(shù)科類似，只不過集成的是各種不同的光學(xué)器件或光 電器件，比如激光器、電光調(diào)制器、光電探測器、光衰減器、光復(fù)用/解復(fù)用器以及光放大器等。通過將很多的光學(xué)元器件集成在一個單片之中，大規(guī)模單片PIC使得系統(tǒng)尺寸、功耗以及可靠性都得到大幅度提高，同時大大降低了系統(tǒng)成本。 隨著運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)向100G/400G高速系統(tǒng)的不斷升級，低成本的集成技術(shù)成為必然選擇?，F(xiàn)有PIC所采用的基底材料主要包括磷化銦（InP）、砷化鎵（GaAs）、鈮酸

5、鋰（LiNbO3）、Si/SiO2，目前已經(jīng)商用的大規(guī)模單片PIC采用的就是磷化銦材料。圖2：光子集成示意圖資料來源：訊石光通訊，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所圖3：光子集成發(fā)展目標(biāo)資料來源：訊石光通訊，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所InP（磷化銦）VSSi（硅）目前大規(guī)模光子集成的材料主要是InP，但是其由于價格昂貴，業(yè)界在探討基于硅的解決方案。硅由于本身材料低廉且在半導(dǎo)體工藝中已實現(xiàn)成熟應(yīng)用，半導(dǎo)體巨頭紛紛 探索硅光子的可能性。硅材料由于發(fā)光效率低等原因，在光通信領(lǐng)域受到了一定的限制。如，目前難以實現(xiàn)單片硅光集成，而是需要以硅為襯底，外接激光器，實現(xiàn)混合集成。硅基光混合集成（OEIC）可以說是過渡方案，但是在目前

6、理論為突破前提下的可落地方案。當(dāng)前，業(yè)界對于硅基激光器的研究已實現(xiàn)了一定突破，未來有望實現(xiàn)單片集成的全光芯片。InP單片光子集成已有多年的發(fā)展歷史，目前已實現(xiàn)大規(guī)模集成的應(yīng)用突破。硅基光子集成技術(shù)研究歷史較短，但研究力量和關(guān)注度極高，目前已有小批量落地產(chǎn)品。Infinera是大規(guī)模InP PIC技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者；Intel、Luxtera等致力于硅基光子集成的研究，對推動產(chǎn)業(yè)應(yīng)用做了大量貢獻(xiàn)。硅光子除了在通信電子領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景，在光伏能源、自動控制、航空航天中均有重要作用。表2：硅 VS InP 材料在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用資料來源：電子發(fā)燒友，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所優(yōu)點缺點成熟應(yīng)用場景硅成熟應(yīng)用

7、于電子集成電路，價格 便宜，工藝成熟，適合規(guī)?；?產(chǎn)1、激光發(fā)射效率很低，硅基激光器非 常難以實現(xiàn)，2.需要引入Ge PD進(jìn)行通 訊波段的接收探測，需要特殊工藝；3. 硅折射率高導(dǎo)致波導(dǎo)尺寸小，與光纖耦 合難度大無源PIC（如AWG）磷化銦能夠同時集成有源與無源光器件 可保證工作波長為目前光通信廣 泛使用的1310nm和1550nm波段； 可以大規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)約成本；可 同時實現(xiàn)激光發(fā)射、探測、光放 大以及電光調(diào)制磷化銦是稀有材料，價格相對來說十分 昂貴；晶圓尺寸為2-3寸無法實現(xiàn)大規(guī) 模集成（產(chǎn)出低）分立DML、EML、可 調(diào)光源等圖4：光子集成發(fā)展歷程資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國信證

8、券經(jīng)濟(jì)研究所硅光集成（OEIC）-光模塊成為可見的落地應(yīng)用資料來源：豆丁網(wǎng)，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所硅基光電集成（OEIC），即在硅的襯底上，實現(xiàn)光子的傳輸。其分為單片集成和混合集成。目前，光波復(fù)用/解復(fù)用、光波長調(diào)諧和變換等器件 已可實現(xiàn)單芯片集成，而光模塊需要混合集成。雖然混合集成是過渡方案，但使得硅光技術(shù)在光模塊領(lǐng)域有了落地的應(yīng)用。目前的混合集成方案是在硅基上同時制造出電子器件和光子器件，將電子器件（Si-Ge量子器件、HBT、CMOS、射頻器件、隧道二極管等）、 光子器件（激光器、探測器、光開關(guān)、光調(diào)制器等）、光波導(dǎo)回路集成在同一硅片或SOI上。當(dāng)前，硅基探測器（Ge探測器）、光調(diào)制器（Si

9、- Ge調(diào)制器）、光開關(guān)、光波導(dǎo)等均已實現(xiàn)了突破，激光器是最大瓶頸，但也有了Si基量子級鏈激光器、硅納米晶體激光器、硅基III-IV族異質(zhì)結(jié)構(gòu) 混合型激光器、混合型面發(fā)射激光器等初步方案。混合集成方案逐步成熟并進(jìn)入商用階段。當(dāng)然硅光混合集成技術(shù)在生物傳感、軍事、光學(xué)儀器、光計算領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。圖5：光電子集成收發(fā)模塊示意圖圖6：硅基光電子集成電路示意圖資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所硅基光電集成技術(shù)的未來硅光芯片，即硅基光混合集成在單芯片上的實現(xiàn)，將推動多技術(shù)領(lǐng)域的突破：硅芯片上的光子晶體結(jié)構(gòu)可降低光速，光學(xué)數(shù)據(jù)緩沖存儲成為可能全光邏輯控制器件的突破，將幫助實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)交換

10、系統(tǒng)的到來在硅基光子器件中實現(xiàn)單光子探測，將推動量子通信的發(fā)展硅基光子技術(shù)在液晶顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，有望進(jìn)一步推動微投影技術(shù) 的發(fā)展，催化新的信息顯示模式圖7：硅基光電子集成電路示意圖資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所計算機(jī)光互聯(lián)-硅光技術(shù)最有想象力的應(yīng)用場景計算機(jī)的互連包括計算機(jī)站間、機(jī)柜間、電路板間、芯片間和芯片內(nèi)的互連。計算機(jī)站間、機(jī)柜間已經(jīng)和正在采用光纖實現(xiàn)光互連，而電路板間、 芯片間和芯片內(nèi)的互連都是依靠銅線等金屬進(jìn)行的，它們之間的互連受電子器件(電阻電容）效應(yīng)的影響，信息的傳輸速率大大降低，解決這一難題的辦法就是采用硅光子器件來提高傳輸速率。一個硅基光互連系統(tǒng)主要包括外

11、部光源、耦合器、光波導(dǎo)、調(diào)制器/光開光和光電探測器等。采用電子互聯(lián)，計算機(jī)芯片間傳輸速度可達(dá)12Gb/s，而采用硅光子器件可輕易提高到40Gb/s（2010年數(shù)據(jù)）。硅光技術(shù)在片上互連、片間互連 的應(yīng)用，將推動計算機(jī)光互連甚至是光計算的革命，使得計算速度全面提升，這是硅光技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。也正是如此，Intel、思科等巨頭全 力研究硅光技術(shù)，以期在未來的技術(shù)革命中繼續(xù)引領(lǐng)潮流圖10：硅光在計算機(jī)互連中的應(yīng)用速率資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所圖8：集成電路中的能耗分布資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所圖9：點對點的光互連總線資料來源：光電集成技術(shù)研究綜述，國

12、信證券經(jīng)濟(jì)研究所二、硅光模塊應(yīng)用前景光模塊市場前景廣闊資料來源：中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖2018-2022，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖12：光模塊示意圖資料來源：飛速光纖，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理光模塊是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化的核心器件，其伴隨數(shù)據(jù)交換需求的增長而增長。目前，光模塊廣泛運(yùn)用于FTTx、通信基站、承載網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等節(jié)點。其中，需要高速 傳輸?shù)某休d網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心，是硅光技術(shù)的重要應(yīng)用場景根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)，2018年全球光模塊市場規(guī)模約60億美元，其中電信承載網(wǎng)市場規(guī)模17億美元，每年以15%的速度增長，接入網(wǎng)市場規(guī)模約12億美元， 年增長率約11%，而數(shù)據(jù)中心和以太網(wǎng)市場

13、規(guī)模已達(dá)30億美元，未來5年復(fù)合增長率達(dá)19%圖11：光模塊理論示意圖圖13：2017-2023年全球光模塊市場規(guī)模及結(jié)構(gòu)預(yù)測（百萬美元）資料來源：Lightcounting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理硅光模塊有望逐步替代傳統(tǒng)光模塊資料來源：100G硅光調(diào)制器集成芯片研究，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理根據(jù)Intel的硅光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，硅光模塊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展期，2022年，硅光子技術(shù)在每秒峰值速度、能耗、成本方面將全面超越傳統(tǒng)光模塊。當(dāng)前來看，硅光模塊的工藝難度大，封裝成本較高，在1.52美元/GB。但是傳統(tǒng)光模塊的成本在1+美元/GB，難以進(jìn)一步降低，而硅光模塊的成本理論上有望降 至0.3美元/

14、GB，在規(guī)模量產(chǎn)情況下具有極強(qiáng)的成本優(yōu)勢。近些年，大量光通信龍頭企業(yè)涌入硅光技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化中，成果顯著。圖14：100G光模塊均價走勢表3：硅光子模塊性能指標(biāo)資料來源：Lightcouting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理2013201620192022Flops20P160P1.28E10.2EAggregate BW80 Pbps640 Pbps5.12 Ebps40.8 EbpsEnnergy/bit75 pJ/bit11 pJ/bit1.7 pJ/bit250 fJ/bitSize2400mm3/Gbps120mm3/Gbps6mm3/Gbps50mm3/GbpsCost6 $/Gbps

15、1 $/Gbps0.16 $/Gbps0.02 $/Gbps表4：硅光模塊最新進(jìn)展時間進(jìn)展2018新加坡AMF公司推出多層SiN-on-Si集成平臺2019Intel推出400G硅光子收發(fā)器2019新加坡Compound Tek公司推出硅光芯片工藝設(shè)計工具 庫2019美國Juniper公司發(fā)布400G硅光模塊2020加拿大Ranovys推出硅光平臺Odin2020Intel將硅光引擎與交換機(jī)甲集成2020Sifotonics交付超過500萬個鍺硅光電器件資料來源：訊石光通信，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理5G時代網(wǎng)絡(luò)升級或逐步引入硅光技術(shù)硅光技術(shù)有望突破當(dāng)前光通信傳輸速率瓶頸。光通信系統(tǒng)的每一次升級，

16、都有賴于新技術(shù)的引入。當(dāng)前主流的100G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下，相干光通信技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù) 已被大量應(yīng)用，隨著流量的繼續(xù)快速攀升，后續(xù)骨干網(wǎng)向400G、800G甚至1.6T演進(jìn)，單模光纖100Tb/s的傳輸速度或成為門檻。而硅光子集成技術(shù)的引入，有望 打破這一限制，實現(xiàn)Pb/s量級的傳輸5G時代，核心骨干網(wǎng)向400G系統(tǒng)升級，或逐步引入硅光子技術(shù)，實現(xiàn)高速度大容量的數(shù)據(jù)傳輸圖15：光纖通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)化歷程資料來源：100G硅光調(diào)制器集成芯片研究，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖16：5G承載組網(wǎng)架構(gòu)資料來源：工信部，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理5G是新基建七大領(lǐng)域之一（特高壓、新能源充電樁、5G 基站建設(shè)、大數(shù)據(jù)中心、人

17、工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和城際高速鐵路和城市軌道交通），2020年以來政治局會議多次要求加快5G建設(shè)2019年6月6日工信部向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，10月底運(yùn)營商宣布5G商用2019年是國內(nèi)5G基站建設(shè)元年，2020年是5G基站建設(shè)爆發(fā)期，三大運(yùn)營商資本開支計劃明確圖17：運(yùn)營商資本開支計劃運(yùn)營商資本開支合計（億元）增速500020%450018%438617%15%4000350030002500237525477%299713%3753338411%3562308328692998 5%334812%10%5%0%2000-7%-5%15001000-13%-1

18、0%-15%500-19%-20%0-25%20102011201220132014201520162017201820192020資料來源：工信部，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理5G資本開支（億元）20192020增速中國移動2401000317%中國電信93453389%中國聯(lián)通79350343%合計4121803338%5G新建基站數(shù)（萬）20192020增速中國移動525400%中國電信317%6（其中有2萬與聯(lián)通 共建共享）6（其中有2萬與電信25（前三季度，與聯(lián) 通共建共享）25（前三季度，與電中國聯(lián)通共建共享）信共建共享）317%合計1550233%表4：三大運(yùn)營商5G建設(shè)情況資料來源：

19、運(yùn)營商年報，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理2020年進(jìn)入5G規(guī)模建設(shè)期參考4G周期，2020-2022年是國內(nèi)5G建設(shè)高峰期5G建設(shè)初期進(jìn)度不如4G迅猛，或?qū)⑼七t高點到來的年份，整體建設(shè)進(jìn)度或更加平穩(wěn)表5：運(yùn)營商基站數(shù)預(yù)測資料來源：工信部，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理4G基站新增數(shù)（萬座）2013201420152016201720182019合計中國移動7634041365568310中國電信6123338282121159中國聯(lián)通183134111442141合計1483104113759065增速498%25%8%-33%19%-27%累計14972013143894796095G新增基站數(shù)預(yù)測（萬座

20、20192020E2021E2022E2023E2024E2025E中國移動5256070605040310中國電信+中國聯(lián)通10253035252020165合計155090105857060增速233%80%17%-19%-18%-14%累計15651552603454154755G基站建設(shè)進(jìn)度預(yù)判：2020-2022年達(dá)到高峰期海外5G亦于20年進(jìn)入規(guī)模建設(shè)期2019年4月，美韓兩國搶先宣布5G商用，歐洲處于積極跟進(jìn)狀態(tài)，英德意西等16國共27家運(yùn)營商啟動5G，截至2019年10月底，全球已有32個國家/地區(qū)的58家運(yùn)營商實現(xiàn)5G商用。目前落后的日本在加大追趕力度，計劃于2020年春季推

21、出5G商用服務(wù)。2019年全球5G基站出貨量約為100萬臺，2020年全球多數(shù)國家/地區(qū)陸續(xù)進(jìn)入5G規(guī)模建設(shè)期，華為預(yù)計年2020年全球5G基站累計發(fā)貨量將達(dá)到150萬圖17：全球各區(qū)域5G規(guī)模建設(shè)時間點預(yù)測資料來源：5G行業(yè)應(yīng)用，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理表6：歐美日韓5G建設(shè)情況5G商用時間5G頻段建設(shè)進(jìn)度韓國2019.43.5GHz、28GHz2019年底，5G基站已超過19萬個，覆蓋韓國93%的人口T-Mobile（600M）、美國2019.4Sprint（2.5GHz）、Verion（28GHz）、2019年底5G基站數(shù)量約1萬個，2020年計劃新建5萬個AT&T（39GHz）日本預(yù)計2

22、0203.7GHz, 4.5GHz,28GHz預(yù)計到2024年底的5年間將投資1萬億日元， 在日本全國修建大約7萬個基站歐洲2019.43.4-3.8GHz、26GHz瑞士、英國、意大利和西班牙已規(guī)模商用，其余預(yù)計2020年加大建設(shè)力度資料來源：國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理5G基站建設(shè)帶來海量光模塊需求5G網(wǎng)絡(luò)端口接口速率全面提升，接入層、匯聚層、核心層光模塊相應(yīng)升級：接入層接口速率：從6G/10G提升至25G匯聚層接口速率：從25G/50G提升至50G/100G核心層接口速率：從100G/200G提升至200G/400G表7：中國電信5G承載網(wǎng)需求網(wǎng)層子項4G LTE5G初期5G成熟期核心層節(jié)點數(shù)

23、444帶寬4T4T11T接口20*200G20*200G30*400G區(qū)域核心節(jié)點數(shù)202020帶寬1.6T1.6T4.4T接口16*100G16*100G23*200G匯聚層節(jié)點數(shù)400400400帶寬157.8G157.8G442.6G接口4*50G4*50G5*100G接入層節(jié)點數(shù)100001000010000帶寬5.28G5.28G19.8G接口10G10G25G資料來源：5G時代光傳送網(wǎng)技術(shù)白皮書，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖18：城域OTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖資料來源：5G時代光傳送網(wǎng)技術(shù)白皮書，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理5G基站建設(shè)帶來海量光模塊需求根據(jù)前述基站數(shù)，我們測算國內(nèi)5G基站光模塊數(shù)需求

24、量，結(jié)果如下所示：25G前傳：若按照光纖直連、無源WDM、有源OTN=6:3:1的比例計算，25G前傳光模塊總量約5800萬只【華為或?qū)⒃跇I(yè)內(nèi)大幅推動50G前傳方案】50G&100G&200G中回傳：按照環(huán)裝組網(wǎng)架構(gòu)，城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)50G&100G/200G中回傳光模塊需求為1100萬只華為已經(jīng)在2019年底的25G前傳光模塊招標(biāo)中引入硅光模塊，后續(xù)替代效應(yīng)或逐步顯現(xiàn)。華為在前傳模塊引入硅光技術(shù)，更多是為后續(xù)的技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)鏈培育做 準(zhǔn)備。表8：5G基站光模塊需求測算網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)傳輸方案光模塊類型數(shù)量(萬只)接入網(wǎng)（前傳）光纖直連25G白光3478無源WDM25G彩光1739有源OTN580接入網(wǎng)

25、（中傳）WDM/OTN50G966城域網(wǎng)（回傳）WDM/OTN20KM 100G121骨干網(wǎng)（回傳）WDM/OTN40KM 200G20合計6903資料來源：中國移動，中國電信，中國聯(lián)通，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖19：25G前傳光模塊需求預(yù)測25G白光需求量(萬)25G彩光需求量(萬)80072070064857660050448050450043243238440033633628830020015610002019202020212022202320242025資料來源：中國移動，中國電信，中國聯(lián)通，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖20：25G前傳光模塊市場規(guī)模預(yù)測（億元）35.031.030.0

26、25.024.025.020.020.016.015.013.010.05.05.00.02019202020212022202320242025資料來源：中國移動，中國電信，中國聯(lián)通，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖22：典型數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵數(shù)據(jù)資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理數(shù)據(jù)中心光模塊不斷升級，硅光有望大放異彩全球互聯(lián)網(wǎng)流量和帶寬需求繼續(xù)爆炸式增長（根據(jù)Equnix預(yù)測，2017年-2021年全球互聯(lián)網(wǎng)帶寬容量以48%的年復(fù)合增長率增長），要求數(shù)據(jù)中心用光模塊速率 不斷升級，2020年正式進(jìn)入400G時代，并有望于2022年進(jìn)入800G時代，硅光技術(shù)的應(yīng)用同樣有利于速率的升級。目前

27、一個典型的超大型數(shù)據(jù)中心，擁有超過10萬臺服務(wù)器和5萬多個交換機(jī)，它們之間的連接需要超100萬個光模塊，花費在1.5億美元至2.5億美元之間，占據(jù)數(shù) 據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)成本的60%，超過交換機(jī)、NIC和電纜等設(shè)備的總和。高昂的成本迫使產(chǎn)業(yè)界通過技術(shù)升級降低光模塊的單價。硅光模塊的引入有望解決這一問題。圖21：數(shù)據(jù)中心光模塊升級示意圖資料來源：Lightcouting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖23：交換機(jī)芯片周期資料來源：Lightcouting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理數(shù)通400G市場已開啟，進(jìn)入高景氣周期服務(wù)器算力依舊循著摩爾定律每兩年翻一倍。2019年12月，博通宣布推出全球首款具備25.6Tbps

28、交換能力的交換機(jī)芯片Tomahawk4，可支持64*400G/128*200G/256*100G部署。Tomahawk4的推出，標(biāo)志云計算廠商400G網(wǎng)絡(luò)部署條件已成熟，相應(yīng)地，400G光模塊有望于2020年規(guī)模發(fā)貨。根據(jù)100G光模塊的歷史需求量，我們認(rèn)為2020年400G光模塊將進(jìn)入規(guī)模放量期，達(dá)到大幾十萬只，2021年有望迅速增加至300萬只，行業(yè)進(jìn)入全面升級周期。圖23：全球數(shù)通400G光模塊需求量預(yù)計400G光模塊需求量（萬）60050050040040040030030020010070150201920202021202220232024資料來源：國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理2024年

29、硅光模塊有望占高速光模塊市場的60%結(jié)合電信和數(shù)通市場，2021年有望成為硅光加速出貨的第一年，市場正式啟動。在過去的100G光模塊中，已經(jīng)有廠商利用硅光技術(shù)生產(chǎn)，如Luxtera、Intel，但量級與傳統(tǒng)光模塊相比很少，其在400G時代的占比有望快速提升。Yole預(yù)測，硅光模塊市場將從2018年的約4.55億美元（相當(dāng)于130萬個）增長到2024年的約40億美元（相當(dāng)于2350萬個），復(fù)合年增長率達(dá)44.5%。而 Lightcouting預(yù)測到2024年數(shù)通高速光模塊市場整體達(dá)65億美金，即硅光占比達(dá)到了60%（20年占比為3.3%）。圖26：硅光模塊市場規(guī)模預(yù)測資料來源：Yole，國信證券

30、經(jīng)濟(jì)研究所整理圖25：高速光模塊市場規(guī)模預(yù)測資料來源：Lightcouting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理更遠(yuǎn)的未來：片上光互連在未來某個時間點，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方面的性能提升必然會到達(dá)一個天花板，屆時摩爾定律將失效。硅光子技術(shù)有望幫助提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的密度和能效，如交換機(jī)ASIC封裝上安裝硅光子端口，在交換機(jī)端整合收發(fā)器。英特爾已經(jīng)在其“ Tofino 2”交換機(jī)ASIC上測試了這個想法，如下所示，chiplet設(shè)計的芯片總帶寬為12.8 T/s，被共同封裝的100 G/s的光學(xué)tiles所包圍，其相應(yīng) 的交換機(jī)端口為400G/s。該方案可使得散熱和成為持續(xù)下降。因此2024年之后，光芯片組有望替代當(dāng)前

31、的可插拔模塊市場完成供應(yīng)鏈的重塑圖27：英特爾片上光互連示意圖資料來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖28：英特爾片上光互連示意圖資料來源：Lightcouting，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理三、硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂砉韫饽K產(chǎn)業(yè)鏈傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈如下圖黑色部分所示，主要由光電芯片-光器件-光模塊-數(shù)據(jù)交換設(shè)備廠商四個環(huán)節(jié)。硅光光模塊與傳統(tǒng)光模塊產(chǎn)業(yè)鏈的主要區(qū)別在于光芯片部分，其是高度集成的單芯片，而不是傳統(tǒng)的分離多器件的組合。其余產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)是相同的，不過硅光模塊的高度集 成會減少部分配套器件的使用，這一趨勢在后續(xù)“On-Board”封裝方案中體現(xiàn)將更明顯。圖29：光模塊產(chǎn)業(yè)鏈無源芯片（PL

32、C、AWG、WDM）：NTT、 JDSU、Mellanox、Kaiam、Neo Photonics 等有源芯片（激光器、探測器、放大器）： Avago、Oclara、三菱、往友、華為海思、 光迅、源杰等電芯片光芯片博通、Macom、硅光芯片：Intel、semtechSiFotonics、Luxtera、 Acacia、Mellanox、洛克 利、Sicoya、華為海思、 光迅科技無源器件（光纖連接器、分路器、波分復(fù)用器、光衰減器、光開關(guān)）：II-VI、往友、光迅科技、昂納科技、博創(chuàng)科技、天孚通信、太辰光、光庫科技有源器件（激光器、探測器、放大器）：Finisar、 Avago、Lumentu

33、m、Acacia、AOI、Fujitsu、 Neophotonics光器件光模塊配套器件中際旭創(chuàng)、光迅科 技、華工科技、新陶瓷套管、光纖適配器、緊 易盛、天孚通信、 密金屬件、光收發(fā)接口等： 博創(chuàng)科技、海信寬 三環(huán)集團(tuán)、天孚通信、太辰 帶、劍橋科技光亞馬遜、微軟、谷 歌、IBM、Azure、 BATJ云廠商光通信設(shè)備華為、中興、烽火、諾基亞、愛立信中國移動、 中國聯(lián)通、 中國電信、 AT&T、 Version運(yùn)營商資料來源：國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈而就芯片環(huán)節(jié)看，分為晶圓制造、設(shè)計、代工、封裝測試等環(huán)節(jié)，基本可復(fù)用電子集成電路產(chǎn)業(yè)鏈，具體公司如下所示。其中，Intel走的是一體化I

34、DM模式；代工廠如 TSMC（臺積電）、Silex、APM和VTT，都在積極研發(fā)硅光子規(guī)模制造工藝；Luxtera、Sicoya、Rockley、Inphi、Acacia在硅基光電集成收發(fā)芯片的設(shè)計方面走的較為 靠前。封裝環(huán)節(jié)，依舊是傳統(tǒng)光模塊的封裝廠商占主導(dǎo)，需要其對平面波導(dǎo)的耦合有深厚經(jīng)驗積累圖30：硅光模塊產(chǎn)業(yè)鏈資料來源：MEMS，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理國內(nèi)外巨頭紛紛入場硅光領(lǐng)域，鹿死誰手未可知硅光領(lǐng)域前景廣闊，傳統(tǒng)通信設(shè)備巨頭及相關(guān)行業(yè)有競爭力的企業(yè)紛紛入場布局，國外的企業(yè)如Intel、Acacia及SiFotonics等由于起步較早，均已推出多款基于硅光技術(shù)的器件產(chǎn)品，在行業(yè)內(nèi)占據(jù)頭

35、部地位。國內(nèi)企業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域較晚，主要通過并購或者與外企合作的模式來切入，在技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)與國外巨頭相比仍有不小的差距，目前仍處于追隨者的地位但總體來看，硅光市場剛剛開始，未來市場格局變數(shù)巨大，新進(jìn)入者均有機(jī)會表9：國內(nèi)外企業(yè)硅光技術(shù)布局企業(yè)競爭優(yōu)勢在研或主打的硅光產(chǎn)品國外Acacia在低功耗高速度傳輸?shù)墓饽K器件領(lǐng)域具有優(yōu)勢，研發(fā)實力 強(qiáng)，已被思科收購硅光集成電路產(chǎn)品（AC100-C， AC100-CFP-M，AC100-CFP2- ACO、AC400-UC等）Intel起步早，研發(fā)能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)占比大100G硅光收發(fā)器、PSM4硅光子產(chǎn)品SiFotonics在CMOS工藝的硅基光電

36、產(chǎn)品研發(fā)上有優(yōu)勢，產(chǎn)品涉及光收 發(fā)器、芯片等TP1001芯片、CR4Q01Mellonax收購硅光子專家Kotura與并行光互連芯片廠商Iptronics，已 被思科收購LinkXTM思科收購CoreOptics、Lightwire，可研發(fā)針對400Gbps以太網(wǎng)接 口的硅光子技術(shù)線卡CPAK光模塊1Tb線卡，ASIC產(chǎn)品國內(nèi)華為收購英國光子集成公司CIP和比利時硅光子公司Caliopa小型高容量硅光芯片光迅科技國產(chǎn)光芯片核心企業(yè)，國家重點扶持在研100G/200G全集成硅基相干光 收發(fā)集成芯片和器件亨通光電2017年12月與英國洛克利硅光子（Rockley）出資共同成立 江蘇亨通洛克利已通過

37、100G硅光芯片測試博創(chuàng)科技全資子公司上海圭博通信技術(shù)有限公司研發(fā)“硅基高速光收 發(fā)模塊開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化項目”，與 Sicoya 和陜西源杰成立斯 科雅（嘉興）技術(shù)有限公司25G前裝、100G/400G數(shù)通光模塊資料來源：國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖31：硅光模塊市場份額資料來源：MEMS，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Intel：硅光全力推進(jìn)者，旨在片上光互連資料來源：英特爾官網(wǎng)，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Intel在二十多年前就開始從事硅光子收發(fā)器的研究，2016年第一批光模塊投入使用，2018年底出貨100多萬，2019年底出貨300多萬，預(yù)計未來每年出貨200萬以上。公 司目前出貨的模塊主要是100G P

38、SM4 QSFP和100G CWDM4 QSFP，并且在研發(fā)200G FR4、400 DR4模塊，終極目標(biāo)是在ASIC上安裝硅光子端口，即在交換機(jī)端整合 光模塊，而替代現(xiàn)有熱插拔的方式。以100G PSM4 QSFP為例，英特爾目前的激光器，還是通過鍵合技術(shù)將多個InP激光器和CMOS芯片集成在主硅片上，另外硅基光子集成回路（PIC）芯片包含4個馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）調(diào)制器和鍺硅光探測器（PD）。Intel最新演示的光子引擎運(yùn)行速度為1.6 Tb /秒（使用PAM4編碼的16個通道以100 Gb /秒的速度運(yùn)行），不僅速度大大增加，且這種集成將使整體網(wǎng)絡(luò)成本降低約30， 功耗

39、降低30，片上光互連才是英特爾硅光技術(shù)的終極應(yīng)用。圖32：英特爾光模塊路線圖圖33：英特爾1.6 Tb /秒光子引擎示意圖資料來源：MEMS，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Luxtera：硅光模塊量產(chǎn)第一人Luxtera總部位于加利福尼亞州卡，成立于2001年，由一群行業(yè)知名的研究人員以及來自通信和半導(dǎo)體行業(yè)的資深管理人員領(lǐng)導(dǎo)。Luxtera公司已在硅光子學(xué)研發(fā)方面投 資超過2.5億美元，是硅光子學(xué)的全球領(lǐng)導(dǎo)者。公司是最早開發(fā)硅光子芯片，并且硅光模塊出貨量達(dá)到百萬片的公司，2019年被思科以6.6億美金收購。2009年，Luxtera公司最早推出了基于硅光技術(shù)的4x10G AOC模塊，2014、201

40、5年推出200G PSM8和100G PSM4光模塊，并在100G PSM4領(lǐng)域占據(jù)了大部分的市場份額。公司的下一步將會是400G DR4以及ASIC與硅光芯片集成。公司的100G PSM4光模塊方案如下，電芯片通過Flip-chip的方式貼裝在光芯片上，激光器也通過類似的方式貼裝在光芯片上。其電芯片包括了MZI驅(qū)動、TIA和均衡器、 CDR、LDD、MCU、I2C等，集成度非常高。光芯片包括MZI調(diào)制器（Segmented）、Ge探測器、Ge探測器制作的MPD、光柵耦合器等。整個模塊只有一個激光器，波 長1310nm，耦合到片上后通過分束器，分成4路光，分別進(jìn)入4路MZI調(diào)制器。圖34：Lu

41、xtera 100G QSFP28模塊資料來源：Luxtera，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理圖35：Luxtera 2x100G-PSM4嵌入式光模塊資料來源：Luxtera，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Acacia：相干硅光模塊領(lǐng)導(dǎo)者Acacia成立于2009年，最早將硅光技術(shù)用于電信網(wǎng)絡(luò)的互連中，是遠(yuǎn)距離相干硅光光模塊的領(lǐng)導(dǎo)者。2011年其100G相干MSA開始批量生產(chǎn)和發(fā)貨，2014年首次交付可 插拔的相干100G CFP模塊AC-100的樣品和硅光電集成電路（PIC）封裝的100G相干模塊，2016年3月推出基于硅光子PIC的CFP2-ACO，2016年5月登陸納斯達(dá)克。 2019年，思科宣布以2

42、6億美金對價收購Acacia。圖37：Acacia硅光相干模塊示意圖資料來源：Acacia，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Acacia的硅光模塊方案，是先將分離光器件集成為PIC芯片，再與自研DSP電芯片集成在SOI上，最終外接激光器，封裝成光模塊。硅光子技術(shù)在相干光模塊領(lǐng)域已實現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用，從100G向 200G/400G順利升級，主要得益于相干領(lǐng)域?qū)r格不敏感，可根據(jù) 客戶需求進(jìn)行定制化，因此可用集成硅光子技術(shù)替代傳統(tǒng)的InP光模 塊公司毛利率在40%以上的水平，研發(fā)費費用率接近30%，體現(xiàn)了硅 光高投入，高技術(shù)含量的特點圖36：Acacia財務(wù)數(shù)據(jù)收入（百萬美元）凈利潤（百萬美元）毛利率研發(fā)費用

43、率60050.003550040040.00302530030.002020020.00151010010.0050201520162017201820190.00201520162017201820190資料來源：Wind，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Sicoya：全硅芯片的探路人Sicoya為德國一家硅光集成芯片創(chuàng)業(yè)新銳，其成立于2015年1月，是從TU柏林分公司衍生出來的。該公司自2007年以來一直在Silicon Photonics進(jìn)行持續(xù)研發(fā)，致力于 將光子學(xué)和電子學(xué)都集成在一個芯片上。公司的方式基于硅鍺（SiGe）BiCMOS工藝，實現(xiàn)模擬電子器件和光學(xué)器件在單片上的集成設(shè)計，集成度業(yè)界

44、最高。該硅光引擎一改傳統(tǒng)分立器件布局，采用3D封裝， 單片集成了MZM調(diào)制器、硅波導(dǎo)、探測器、Driver、TIA等多個有源和無源芯片。集成后的芯片體積大幅減小，可以利用成熟的COB技術(shù)封裝到模塊內(nèi)部，大幅簡化光模 塊的設(shè)計和制造，有利于規(guī)模化生產(chǎn)。公司的100G硅光子收發(fā)器于2017年進(jìn)入市場，2019年3月在OFC2019展會上首次推出三款400G收發(fā)器系列，還有一款面向5G基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的產(chǎn)品28G單通道單模 收發(fā)器（5G前傳光模塊）。博創(chuàng)科技基于Sicoya的硅光芯片，已成功推出電信25G前傳光模塊。圖38：Sicoya的單片集成式100G光電IC資料來源：EDN，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理

45、圖39：博創(chuàng)科技400G QSFP-DD DR4硅光模塊系統(tǒng)框圖資料來源：博創(chuàng)科技，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理Rockley：硅光子工藝平臺型公司Rockley Photonics由公認(rèn)的硅光子學(xué)先驅(qū)Andrew Rickman博士創(chuàng)立。在此之前，Andrew于1988年成立了Bookham Inc，是第一家將硅光子學(xué)商業(yè)化的公司，并于 2000年IPO，并于2009年成為Oclaro，現(xiàn)在已成為Lumentum的一部分；Andrew在2008年成為Kotura的董事長，最終Kotura出售給Mellanox Technologies。2013年 成立的Rockley，致力于構(gòu)建統(tǒng)一的硅光子工藝，

46、設(shè)計適用于從通信到消費者廣泛市場應(yīng)用的產(chǎn)品。目前，Rockley的硅光芯片平應(yīng)用其范圍已超出網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信中的 范圍，還涉及光傳感、機(jī)器視覺等領(lǐng)域，成為綜合性的光學(xué)公司。光子集成方面，Rockley的LightDriver光學(xué)引擎可實現(xiàn)電子和光子組件的3D集成。與一般的硅光技術(shù)相比，Rockely采用的是3um厚的厚硅技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的 220nm厚的硅波導(dǎo)。3um厚的硅光波導(dǎo)，無法通過設(shè)計硅的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，形成硅調(diào)制器。Rockley的方案是將III-V的電吸收調(diào)制器，通過flip-chip的方式，集成到硅光芯片 上。III-V的電吸收調(diào)制器可以實現(xiàn)100Gb/s的PAM-4調(diào)制速率。片上互連

47、方面，Rockley的OpticsDirect系統(tǒng)使新一代半導(dǎo)體芯片的光纖鏈路直接進(jìn)入封裝。這種方法替代了當(dāng)今集成（IC）行業(yè)中常見的大功率和短距離電氣互連。成像和傳感方面，Rockley為需要自由空間光學(xué)接口的成像，傳感和其他應(yīng)用提供了廣泛的產(chǎn)品。圖40：Rockley的硅基激光器示意圖資料來源：光學(xué)小豆芽，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理SiFotonics：硅光器件創(chuàng)業(yè)新星產(chǎn)品名稱應(yīng)用領(lǐng)域25G PIN工業(yè)溫度，高靈敏度，應(yīng)用于5G前傳光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，主要部署在中國;25G APD和ROSA工業(yè)溫度，高靈敏度，應(yīng)用于更長距離的5G前傳光網(wǎng)絡(luò)，主要在韓國和中國部署50G PIN和APD主要應(yīng)用于中國的5

48、G中傳光網(wǎng)絡(luò)4x25G PIN用于大容量100G數(shù)據(jù)中心互連應(yīng)用，主要在美國的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心部署4x100G PIN用于下一代400G數(shù)據(jù)中心光互連4x25G APD ROSA用于3040km擴(kuò)展距離的100G光纖網(wǎng)絡(luò)連接32Gbaud，64GBaud集成相干接收器芯片應(yīng)用于100G，200G，400G等速率的相干光傳輸資料來源：芯旸科技，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理芯旸科技（SiFotonics）成立于2006年，總部在美國波士頓，在香港、上海、北京設(shè)有分公司，主要員工畢業(yè)于MIT、清華、北大等全球知名院校，現(xiàn)有員工約100人。 公司專注于CMOS工藝的硅基光電產(chǎn)品及相關(guān)集成電路芯片的設(shè)計與開發(fā)

49、。公司產(chǎn)品主要涉及CMOS工藝Ge-Si材料2.5G/10G/25G 高速光探測器（PIN）及雪崩探測器及 陣列（APD），CMOS工藝10G/25G Modulator，CMOS工藝2.5G/10G TIA及10G MMF SFP+ SoC芯片，10G高速HDMI SerDes等集成電路芯片。2019年其硅光芯片 和器件出貨超500萬。公司推出的100G/200G全集成相干發(fā)射接收芯片TR4Q11，單片集成了一系列由SiFotonics獨創(chuàng)的光纖波導(dǎo)耦合器、偏振旋轉(zhuǎn)分束/合束器、90混頻器、8個40GHz Ge/Si波導(dǎo)型光探測器陣列、8個25GHz IQ調(diào)制器、可調(diào)光衰減器及MPD等，共計多達(dá)60多個有源和無源光波導(dǎo)元件被集成到面積僅為6.457.7 mm的光芯片中，是目 前報道的最高集成度的光集成芯片之一表10：公司2019年出貨產(chǎn)品清單圖41：公司100G200G相干集成ICR芯片資料來源：芯旸科技，國信證券經(jīng)濟(jì)研究所整理下一代光電技術(shù)，國家重點扶持方向資料來源