中国光模块市场发展预测分析及5G新应用带动需求
一、电信市场与数据市场共助光模块产业发展
光通信成为通信网络构建的主流选择 。 光通信因具有速度快的特点使其满足于现代通信的需求 ， 在网络构建的选择上也成为了主流 。 在光通信中 ， 信号是以光的形式在网络内进行传播 ， 但使用信号的终端却以电作为信息传递的媒介 。 为实现两种信号的转换 ， 打通整个网络咽喉 ， 光模块是实现这一功能的关键部件 。 光模块的本质是实现光电信号转换 。 光模块是起到光电转换作用的一种连接模块 ， 包含两个端口即发送端和接收端 。 其中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 。 光模块性能成为决定光通信网络效率的因素之一 。
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模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成 ， 光电子器件包括发射和接收两部分 。 光模块依据所使用的场景不同 ， 分为点对点(P2P)光模块和点对多点(P2MP)光模块 。 传统光模块是点对点的代表 ， 模块成对使用 ， 并使用一根或两根光纤进行传输 ， 传输距离较远 ， 主要用于通讯网络的骨干网 。 PON光模块则是点对多点的代表 ， 其最大的特点是可以不成对使用 ， 但其传输距离较短约为20KM左右 ， 主要应用于通讯网络的接入网 。
光模块剖析图
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光模块工作原理
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中金普华产业研究院数据显示：光模块主要应用于电信市场与数据市场 。 在电信市场 ， 光模块厂商的主要客户为通信设备制造商 ， 而终端用户为运营商 。 而数据光模块主要应用场景为数据中心 。 因此 ， 因特网内容提供商（ICP：InternetContentProvider）是数据光模块主要需求方 。 虽然电信产品与数通产品具有一定差异 ， 但在流量爆发的背景下 ， 对于提升网络效率有着一致的追求 。
1、移动通信升级 ， 5G基建成电信光模块亮点
通信升级实现不同功能 。 移动通信技术大约每10年就会进行一次革新 ， 从第一代技术诞生到如今第五代技术的建设推广 ， 通信实现从语音传输到移动互联再踏入万物互联时代 。 每一代通信技术都存在着各自特点 ， 与上一代技术相比在性能上均有不同程度的提升 ， 为使用者创造更佳的体验感 ， 也为下游应用的创新提供土壤 。
世界通信技术发展史
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通信换代需要硬件设备的支持 。 新一代通信技术商业化离不开硬件设备的支持 ， 运营商需要更新设备以提供相关服务 ， 对于设备投入将有所加大 。 从我国运营商的资本开支来看 ， 在2G换3G（2009年发放3G牌照）和3G换4G（2013年发放4G牌照）之后的2-3年 ， 运营商资本开支均在不断上升 ， 其中大部分投资是对基站及传输设备进行升级 。 对于5G通信 ， 2019年6月6日 ， 工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照 。 所以 ， 2019年是5G建设元年 ， 且运营商资本开支同比重回正增长 。 在国家政策的加持下 ， 运营商对于5G建设将会有所加速 ， 预计运营商资本开支增速将会加大 。
我国三大运营商资本开支
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2、移动流量爆发促使承载网升级
移动数据爆发成为趋势 。 4G时代 ， 网络购物、小视频等下游应用的兴起 ， 使得移动数据流量呈现爆发性增长 。 1－11月 ， 移动互联网累计流量达1107亿GB ， 同比增速降至77.4%；其中通过手机上网的流量达到1101亿GB ， 占移动互联网总流量的99.5% ， 同比增速降至78.8% 。 11月当月户均移动互联网接入流量（DOU）达到8.27GB 。 5G时代在移动数据流量上将延续4G流量爆发趋势 。 以韩国为例 ， 其是全世界5G商用最早的国家 ， 从韩国科学和信息通信技术部所公布的数据来看 ， 韩国自2019年4月启动5G商用以来 ， 5G用户的渗透率和5G用户DOU持续上升 。 从9月份的数据来看 ， 韩国5G户均移动互联网接入流量约26GB,4G用户约为9GB ， 两种用户移动数据使用量有约3倍的差距 。 在下游应用内容方面 ， 韩国三大运营商专门针对AR、VR、游戏推出基于5G的内容和平台活动 ， 激发5G用户的活跃度 ， 使得移动数据使用量较4G用户有较大的提升 。
我国移动互联网累计接入流量及同比增速比较
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韩国5G情况（各代通信DOU值和5G渗透率）
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电信光模块升级势在必行 。 由于5G是万物互联时代 ， 增强移动宽带（eMBB）、高可靠低时延连接（uRLLC）和海量物联（eMTC）是5G的三大应用场景 ， 移动数据将会呈现量大且种类繁多的发展趋势 ， 对数据传输将提出新要求 。 所以 ， 移动数据爆发会对承载网进行冲击 ， 需要提升承载网的传输效率以应对数据传输需求 。 光模块作为光通信网络中较为重要的环节之一 ， 其性能对于网络效率有一定的制衡作用 。 5G在时延、速率和连接量上与4G通信相比都有不同程度的提升 。 在数据量增大的情况下 ， 对于光模块性能的要求有所上升 ， 高性能光模块需求将逐渐放量 。
3、5G通信特性筑造增量市场
5G频谱决定其基站数量将增多 。 对于5G网络覆盖 ， 可采用Sub6G频段或毫米波 。 虽然我国工信部分配给三大运营商的5G频谱处于Sub6G频段范围内 ， 但是由于大部分频谱处于高频部分 ， 对于基站密度有一定要求 。 由物理学知识可知 ， 当波速一定时 ， 频率越高则波长越短 。 5G通信建立在Sub6G高频段的基础上 ， 由此所形成的优势是带宽大、传输速率高 ， 但传播距离近 。 由于5G通信所采用的频谱较4G通信高 ， 所以5G基站将会较4G基站更多 。
4G基站与5G基站覆盖范围图示
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单基站光模块数量在增加 。 由于每代通信技术相较上一代技术在性能上都有提升 ， 所以对网络传输的要求也将会提升 ， 使得新一代通信网络都增加单基站光模块使用量 。 由于5G网络架构尚未完全定型且各运营商组建5G网络的方案有所差异 ， 所以各运营商对于5G组网光模块的使用量将不尽相同 ， 但光模块使用量的趋势将不会改变 。 以前传部分为例 ， 光模块使用量会基于不同方案出现差异 ， 预计使用量以6块或12块为主 ， 且不排除在特定方案下光模块使用量将会更多 。
5G通信构架中承载网新增中传部分 。 5G的BBU基带部分拆分成CU和DU两个逻辑网元 ， PDCP层及以上的无线协议功能由CU实现 ， PDCP以下的无线协议功能由DU实现 ， 而射频单元以及部分基带物理层底层功能与天线构成AAU 。 而CU与DU之间所形成的中传即是5G通信架构改变下的新变化 。 由于运营商在5G前期部署中会考量部署难度、成本等因素 ， 在5G建设前期会考虑DU和CU合设以增加5G覆盖的速度 。 但随着5G技术普及、下游应用开发及5G应用场景逐步落地 ， 对于低时延等需求上升 ， DU和CU分开部署会优化网络传输及提升网络效率 。 所以 ， DU和CU分开部署将会成为发展趋势 。
4G与5G通信区别
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DU和CU合设情况下RAN部署架构的承载网络分段
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5G组网将激发光模块需求 。 基站数量增加意味着对光通信需求在上升 ， 而光模块作为光通信中不可获取的一环 ， 其需求量也将会有所放大 。 此外 ， 基于不同方案5G单基站光模块使用量将保持增加的趋势 。 从基站建设的角度来看 ， 光模块的需求会随着5G组网进程的推进而得到释放 。 对于架构的改变所形成的光模块增量是一个从无到有的过程 ， 预计在下游应用对网络环境产生需求后 ， 对光模块的需求会逐步呈现 。
二、5G新应用带动需求侧景气高企 ， 供给侧国内厂商蓄势待发 ， 400G光模块逐步成为数通市场主角
1、需求侧：超大规模数据中心建设进入400G时代 ， 引领技术发展趋势
全球数据中心建设呈现大型化和集约化特点 ， 转向更大规模发展 。 全球数据中心数量呈现逐年下滑的趋势 ， 但机架数仍维持增长 ， 预计到2020年全球数据中心约为42.2万个 ， 机架数量则达到498.5万架 ， 服务器将超过6200万台 ， 每个数据中心的平均机架数呈明显的上升趋势 ， 数据中心转向更大规模的趋势发展 。 从2012年至今 ， 数据中心开始进入整合、升级和云化的新阶段 ， 如美国数据中心从粗放式发展阶段进入规模建设阶段 ， 发展模式将转入以改建和扩建等利旧建设 ， 2018年美国数据中心建设主要以改建和扩建为主 ， 新建规模占比降低至20% 。
全球数据中心和机架数量统计及预测
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2018年美国数据中心建设结构占比
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超大规模（Hyperscale）数据中心建设持续高景气周期 。 “超大规模”的定义各不相同 ， 一般指拥有5万-10万服务器的数据中心 ， 认为是拥有“几十万台服务器 ， 有时甚至是数百万台” 。 2018年全球超大规模供应商运营的大型数据中心数量将达到430个 ， 同比增长了11% ， 到2019第三季度已突破504个 ， 目前还有151个超大规模数据中心正在规划或在建设当中 ， 超大规模数据中心的建设高景气将有望持续 。 预计到2021年 ， 超大规模数据中心的服务器数量将占全部数据中心服务器总量的53% ， 流量占比将达到55% ， 成为市场主力 。
全球超大规模数据中心持续增长
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超大规模数据中心作为新技术担当 ， 代表数据中心未来的发展方向 。 超大规模数据中心的软硬件设计、配置、能耗和管理运维等技术要求较高 ， 通常需要综合技术能力和资金实力较强的大型互联网公司才有能力设计建设和运营 ， 其技术预研的方向往往被认为是代表数据中心技术发展的方向 。 业界普遍认为谷歌、亚马逊、微软、Facebook、腾讯、百度以及阿里巴巴等可以被称为超大规模数据中心运营商 。 亚马逊和微软在过去的12个月内开设了最多的新数据中心 ， 合计超过总数的一半 。 紧随其后的是谷歌和阿里巴巴 。 从地区上看 ， 美国超大规模数据中心数量占比始终是全球最大 ， 但近年随着中国、日本等地区数据中心建设热潮的兴起 ， 占比逐渐下滑 。
各国超大规模数据中心占比
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数据中心东西流量远超南北流量 。 一般的数据中心内部主要由服务器、交换机和路由器组成 。 其中服务器提供数据的存储、计算、控制等功能 ， 是数据中心的核心；交换机作为数据中心的骨干组成 ， 搭建起数据中心内外部的神经中枢 ， 通过连接服务器与服务器提供东西流量通道 ， 连接服务器与路由器提供南北流量通道；路由器主要承担数据中心数据的进出口流量的传输和控制 。 据Cisco预测 ， 数据中心的所有数据流量中 ， 东西流量占比将在2021年达到85% ， 南北流量仅占15% 。 其中数据中心与数据中心之间的流量占比将由2016年底的10%提升到将近14% ， 超过数据中心内部（75.4%->71.5%）和数据中心到用户流量（基本维持在14.5%）的增长 ， 这主要是受CDN网络、云服务和数据中心备份等应用场景的增加所致 。
2021年全球数据中心流量流向
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2、需求侧：400G交换生态圈已成熟 ， 提振光模块需求空间 ， 加速市场爆发 。
交换机是数据中心里十分重要和关键的网络设备 ， SDN催生白盒化模式 。 作为数据中心内部数据传输通道的骨干 ， 交换机的容量和速率决定了数据中心可对外提供的能力 。 数据中心借助交换机协同内部密集的服务器阵列进行整合 ， 对外提供存储和算力等服务 。 东西向是数据中心占比最多的流量应用场景 ， 内部数据传输通道的带宽很大程度上决定了数据中心整体能力的表现 。 目前市场的交换机按软硬件内部设计界面划分 ， 可分为裸机交换机、白盒交换机和传统商业交换机等 ， 其中传统商业交换机为传统常见的模式 ， 由设备商自行设计硬件并加载操作系统 ， 提供功能通用的交换机 ， 常见的制造企业包括思科、华为、Juniper等；裸机交换机则主要由制造商提供组装好的硬件 ， 由用户自行加载操作系统 ， 制造商通常为ODM厂家 ， 如Accton ， QuantaQCT等；白盒交换机则是近几年兴起并得到超大规模数据中心运营商青睐的交换机种类 ， 在软件定义网络（SDN）出现以后 ， 通过软件控制器和直接流表转发的白盒交换机就可以完成数据中心网络的部署 ， 而且这种网络部署快、成本低、便于维护 ， 十分适合超大规模数据中心的批量建设 。 据CrehanResearch的统计 ， 2018年亚马逊、谷歌和Facebook对白盒交换机的购买规模已经超过了其市场总规模的三分之二 ， 虽然白盒交换机在数据中心交换的整体市场采用率在20％的范围内 ， 但是亚马逊 ， 谷歌和Facebook倾向于更早采用这些设备以满足对更新更快网络速度的追求 ， 白盒交换机将继续增长 。 目前谷歌几乎所有400GbE数据中心都是白盒级交换机驱动的 。
4、硅光模块 ， 400G光模块市场的搅局者还是赋能者？
硅光技术有效提高光模块集成度 ， 更适用未来高速光模块生产 。 硅光技术主要是基于CMOS工艺 ， 在同一硅基衬底上利用蚀刻的方法 ， 同时制作光子器件和电子器件 ， 实现光信号处理和电信号处理的深度融合 ， 形成一个具有综合功能的完整大规模集成芯片 。 传统光模块采用分立式结构 ， 光器件部件多 ， 封装工序复杂且需要较多人工成本 。 相对传统的分立式器件 ， 硅光模块将多路激光器 ， 调制器和多路探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上 ， 体积大幅减小 ， 有效降低材料成本、芯片成本、封装成本 ， 同时也能有效控制功耗 。 硅光芯片内的功能部件主要通过光子介质传输信息 ， 连接速度更快 ， 因此更适合数据中心和中长距离相干通信等应用场景 。 其中在400G光模块领域 ， 由于单通道光芯片速率瓶颈问题 ， 多通道的PAM4电调制方案不可或缺 ， 而电调制带来的损耗较大 ， 要求传统方案光模块内部激光器、调制器、DRIVER、MUX等器件更加紧凑 ， 激光器芯片处于裸露状态 ， 受环境损耗的可能性大幅度提升 。 另外通道数的增加导致器件数量增加 ， 器件集成复杂度和工作温度提升带来的温漂问题都具备较大挑战性 。 硅光方案通过高度集成能很好解决以上问题 。
硅光方案与传统分立式方案对比
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硅光技术逐渐成熟 ， 400G硅光模块已具备商用条件 。 关于硅芯片上的光源主要有两种主流的方案 ， 通过外置激光器导入光源（Luxtera）和通过激光器粘合在硅芯片上（Intel） ， 两种方案均已有成熟商用产品 。 其中在400G光模块场景中 ， Intel在成功推出100G光模块的基础上 ， 继续使用在硅晶圆上粘合InP光源的方式推出了400GQSFP-DDDR4光模块 。 业界认为DR4将是400G硅光模块的基础形态 ， 既可以实现1分4的Breakout组网 ， 实现与已有的100GDR1/FR1对传 ， 又可替代接入侧短距离多模400G光模块的互联 ， 具备端到端成本竞争力 。 此外在单纤传输的优势下 ， 与多波长光源封装即可轻易切换为WDM模块形态 。
硅光模块市场规模快速爬坡 。 硅光模块市场仍处于爬坡阶段 ， 但市场空间增长速度较快 ， 硅光模块在2018年-2024年间的复合年增长率将达到44.5% ， 有望从2018年的4.55亿美元增长到2024年的40亿美元 ， 届时有望占整体市场规模21% ， 较2018年增加约10个百分点 。 硅光模块的市场主要集中在相干通信和DCI应用场景 。
硅光模块2018-2024年的快速爬坡
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相干光通信及数通400G模块有望成硅光最佳市场切入点 。 目前硅光模块市场的竞争者主要集中在Luxtera和Intel之间 ， 两者均已推出应用于DCI市场的100GPSM4产品 ， 另外Intel还有100GCWDM4产品 ， 另外Acacia也占据一定的份额 ， 主要在相干通信领域 。 Luxtera和Acacia已先后被Cisco收购 ， 表明Cisco对硅光模块市场的信心 。 目前已商用的100G硅光模块无论在良率还是成本控制方面与传统分离式方案相比还不存在竞争优势 ， 因此硅光技术的市场冲击还不明显 。 未来随着数据流量的快速增长 ， 电信骨干网城域网和数据中心间DCI链接由于更长距离和更大容量的传输需求进入相干光通信时代；数据中心内部也进入400G时代 。 硅光技术在相干光通信和400G模块中具有显著的技术和成本优势 。 相干光模块需要使用更多的电子器件实现相干调制功能 ， 硅光技术可有效实现电芯片的高度集成；400G光模块需要对多路光通道进行更高速率的PAM4调制 ， 硅光技术高度集成调制器 ， 同时可使用单一光源实现4路信号的调制和传输 ， 更具成本优势 。 相干光通信和400G光模块（如短距离DR4）有望成为硅光技术的最佳市场切入点 。
硅光市场目前竞争格局
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硅光技术发展迅速 ， 寡头市场或迎来更多竞争者 。 未来随着技术的不断推进 ， 将有越来越多的竞争者加入 ， 如阿里已发布基于硅光技术的400GDR4光模块 ， 与Elenion和海信宽带的深入合作及联合技术攻关 ， 预计2020年下半年将在阿里全球数据中心投入使用；博创科技推出了高性价比的400GQSFP-DD数据通信硅光模块解决方案DR4(500m)和DR4+(2km)；亨通光电与英国洛克利硅光子公司合作开发400G硅光子片及光子收发器技术 ， 并已发布采用此硅光技术的400GQSFP-DDDR4模块 。 未来的硅光市场有望呈现两超（Intel和Cisco）多强的竞争格局 。
400GQSFP-DDDR4硅光模块系统框图
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硅光产业链布局完整 ， Fabless模式有望进一步推动硅光模块成熟商用 。 硅光应用经过多年的发展 ， 充分利用已有产业资源 ， 形成自己特有的成熟产业链 。 与半导体产业链类似 ， 硅光产业链涉及有上游的SOI、晶圆材料生产 ， 硅芯片设计和生产 ， 光模块的封装生产 ， 中游的光模块封装生产以及下游设备和互联网和电信运营商等最终客户 。 其中硅光芯片的产业格局也与半导体类似 ， 存在有IDM和Fabless两种模式 ， 其中前者的代表为Intel；Fabless的模式如Luxtera与台积电合作生产硅光芯片 。 Fabless产业模式的成熟将会催生更多的硅光设计公司 ， 有望进一步推动硅光技术的发展和硅光模块的成熟商用 。
硅光模块的产业链
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【中国光模块市场发展预测分析及5G新应用带动需求】硅光模块优势与劣势明显 ， 短期难完全取代传统光模块 ， 或在细分领域彰显特点 。 硅光模块基于大规模CMOS集成生产 ， 优势十分明显 ， 包括低能耗、低成本、带宽大、传输速率高等 。 但同时由于硅光芯片在材料和生产技术方面的复杂 ， 还存在着明显的劣势：1)良率不高导致生产成本高 ， 同时传统分立方案成本在持续优化 ， 硅光模块成本优势尚不明显；2)硅波导与光纤的耦合效率低导致损耗较大 ， 不利于长距离应用；3)硅光芯片集成的合分波器件存在温漂问题 ， 所以目前成熟常用的400G硅光模块主要以DR4为主 ， 限制了硅光技术应用场景 。 光模块作为连接网络的关键部件 ， 产业链下游客户更关心的是实现同等传输性能技术上的综合成本 ， 对内部实现的技术并不敏感 。 我们认为在短期硅光模块难以完全取代传统光模块 ， 下游客户仍需要较长的时间去认证和认可 ， 但可能会在某些细分领域会发挥其成本、能耗和速率等优势率先取得突破 ， 并逐渐取得相应的市场份额 ， 如在数据中心领域已实现商用的100GPSM4和CWDM4 ， 以及未来的400GDR4 。 传统分立光模块与硅光模块将会长期共存 。
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