詳解:光模塊和光通信知識

1、 光模塊發展

光模塊(Optical Transceiver)是指進行光電和電光轉換的光電子器件。光模塊的發送端把電信號轉換為光信號，接收端把光信號轉換為電信號，主要由光纖接口、信號處理單元、電路接口三部分組成。廣泛應用於數據中心（雲）、電信網絡（管）、接入終端（端）領域。

伴隨著「光進銅退 」，光模塊開始崛起。當通信進入現代科技階段，首先以電為研究對象。從早期的固定電話，到 2G、 3G 無線通信基本都是基於電的通信方式。但受限於電纜本身的特性無法實現高速率信號的長距離傳輸。用電傳輸信號，隨著傳輸距離增加頻率越高，損耗越大，信號變形越厲害，從而引起了接收機的判斷錯誤，導致通信失敗。為了克服這個限制，光模塊 把電信號在發射端轉成光信號 , 即發送器Transmitter），負責將設備產生的電信號轉換成光信號發出；而在接收端再把收到的光信號轉換成電信號，即為接收器（ Receiver）。

把 Transmitter 和 Receiver 封裝在一個模塊裡，組合成為 Transceiver，既可以發送也可以接收，即為光模塊 optical transceiver）。

1.1、 光模塊種類、功能不斷演進

光模塊自身進化經歷了速率提升、封裝形式改變、接入應用改變和功能提升等方面。其中 SFP (Small Form-Factor Pluggable) 的 Transceiver模塊 , 也稱為小封裝可插拔模塊，支持熱插拔，即插即用。SFP的速率越做越高，從 1.25G、 2.5G、 4G、 6G、到了10Gb/s以後 , 原先的封裝大小已無法滿足，因此定義了新的標準 XFP。

XFP指的是10Gb/s速率的可插拔光模塊。隨著集成工藝的提升，可以實現將 XFP裝進 SFP，這種新的 SFP的 Transceiver稱作 SPF+，即增強型 SFP模塊。SFP和 SFP+尺寸大小，但比早期的 XFP光模塊外觀尺寸縮小了約 30%。和 SFP連接器定義，功能完全相同，簡化了設計，功耗更小。為了區分，把支持 8Gb/s以 5G上的 SFP稱為 SFP+。

1.2、 光模塊將向高速、小型、長距和熱插拔髮展

目前，擴展速率通信網絡傳輸容量的增大光纖通信已成為主要通信方式。對光收發模塊的要求逐漸提升，主要表現為高速率、小型化、低功耗、遠距離和熱插拔。人們的需求越來越多的信息量，信息傳輸速度的要求越來越快，光通信網絡作為現代信息交換、處理和傳輸的中流砥柱，是超高頻率、高速度、大容量、傳輸速率高、大容量、發送每個信息成本越來越小。

光學裝置一般採用混合集成技術和密封的包裝過程，下一步將有望向不氣密發展，需要依靠被動光學耦合技術來提升自動化生成程度，降低成本。光學網絡鋪設距離增加要求遠程收發器相匹配，要求光模塊向遠距離發展。光模塊未來需支持熱插拔，即沒有切斷電源時光模塊可以連接或斷開 設備。

網絡管理人員可以在不關閉網絡時升級和擴展的系統，不影響在線用戶使用。熱插拔可以簡化了維護工作，使最終用戶更好地管理他們的光模塊。同時，由於換熱性能 ,光模塊可以讓網絡管理人員根據網絡升級需求，總體規劃，連結距離輸電費用和所有網絡的拓撲結構，而不需要更換所有的系統板。光學模塊支持熱插拔有 GBIC和SFP(小形式可插入 )，因為 SFP和外觀差不多的大小，設定觸發器可以直接插在電路板，應用範圍廣，因此其未來發展值得期待。

矽光模塊有望成為推動光通信產業新動力。矽光子技術是基於矽和矽基襯底材料 (如SiGe/Si、 SOI 等 )，利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，結合了集成電路技術的超大規模、超高精度製造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢，是應對摩爾定律失效的顛覆性技術。矽光模塊優勢十分明顯，包括低能耗、低成本、帶寬大、傳輸速率高等。

但同時由於矽光晶片在材料和生產技術方面的複雜，目前仍存在著明顯的劣勢，比如成本高、技術成熟度低等。隨著矽光技術探索的不斷深入，未來矽市場有望迎來迅猛增長。Yole的數據顯示， 2018-2024年矽光市場規模年複合增長率為 2024年有望增長到 40億美 元。

2、 光模塊市場發展

光模塊是信息光電子技術領域核心的光電子器件，是構建現代高速信息網絡的基礎。2012年工信部頒布《電子信息製造業 「十二五 」發展規劃》，明確指出將推動智能光網絡和大容量、高速率、長距離光傳輸、光纖接入（ Fttx）等技術和產品的發展，近年來，國家制定了多項產業政策和實施方案以支持行業發展，助力行業升級。2018年工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（ 2018-2022年）》中對光模塊器件發展提出了新的標準。

2.1、 5G全產業鏈激發光模塊需求

運營商發力5G基站建設，光模塊需求持續不斷擴容。2019年我國已建成超過 13萬個 5G基站， 2020年為 5G基站大規模建設元年，主要覆蓋城市區域。2020年 5G網絡建設將更多 SA 組網為主，商用價值更高。2020年兩會期間，工信部表示我國每周新增 1萬多個基站。根據運營商投資計劃來看，三大運營商 2020年 9月份 將建成70萬個基站 而 9-12月份建設並不會停止 。隨著中國廣電作為新入局者，與中國移動共享共建 700MHZ 5G基站 前傳 、 中回傳有望進一步擴容 。

光模塊是5G網絡物理層的基礎構成單元，廣泛應用於無線及傳輸設備。5G 網絡主要由三個主要部分組成，分別為無線網、承載網、核心網。其成本在系統設備中的佔比不斷增高，部分設備中甚至超過 50-70%，是 5G低成本、廣覆蓋的關鍵要素。

5G網絡建設相較於 4G對光模塊提出的新的要求。5G 無線接入網（ RAN）重新劃分為有源天線單元（ AAU）、分布單元 DU）、集中單元 CU）部分。在無線網側的基站中， AAU與 DU之間的前 傳光模塊將從 10G升級到 25G，新增加了 DU和 CU間的中傳光模塊的需求。假設一個 DU承載一個基站，每個基站連接 3個 AAU，每個AAU一對收發接口，5G前傳將為 25G光模塊帶來至少 3000萬個的規模需求。

5G 網絡將以 SA 組網為主，需要建設獨立的 5G承載網。5G承載網分為骨幹網，省網和城域網。在承載網的回傳中，城域網的需求從 10G/40G升級到 100G，城域網進一步可細分為核心層，匯聚層，接入層，不同層級的承載網通過不同的埠速率提供不同能力的中回傳服務，需要不同速率的中回傳光模塊。骨幹網對光模塊的需求將從 100G升級到 400G。

5G網絡商用將帶動全球大型 /超大型數據中心的建設，進一步拉動光模塊市場需求。5G網絡的大帶寬、廣連接、低時延將極大提高數據通信量，並帶動高清視頻、 VR、雲計算等下遊產業發展，對數據中心內部數據傳輸提出了更高要求。大型數據中心的擴容、新建、網絡性能的優化將進一步開展。

根據 Cisco的預測，全球 IDC市場規模將持續增長，到 2021年全球將有 628個超大規模數據中心，相比 2016年的 338個，增長近 1.9倍。Cisco預測全球雲計算總量將從 2016年的 3850EB增長到 2021年 14078EB。

全球數據中心進入400G時代，要求光模塊向高速率、長距離發展。數據中心大型化趨勢導致傳輸距離需求提升，多模光纖的傳輸距離受限於信號速率的提升，預計將逐漸被單模光纖代替。大型數據中心的建設將帶動光模塊行業產品升級，高端光模塊產業需求有望放量。

扁平化新型數據中心增加了對光模塊的需求。數據中心架構從傳統的 「三層匯聚 」向「兩層葉脊架構 」轉型升級，使數據中心從基於縱向（南北向）流量建立變為基於橫向（東西走向）建立，滿足數據中心東西流量需求的同時加速數據中心內部的橫向擴展。

傳統三層架構下光模塊數量約為機櫃數的8.8 倍（ 8 個 40G 光模塊， 0.8個 100G 光模塊），改進的三 層架構下光模塊數量約為機櫃數的 9.2 倍（ 8 個 40G 光模塊，1.2 個 100G 光模塊），新興的兩層架構下光模塊數量約為機櫃數的 44 或 48 倍（其中 80-90%是 10G 光模塊，配置 8 個 40G 模塊或 4 個 100G 模塊）。

3、 併購不斷，光模塊行業馬太效應凸顯

國際市場主要有Finisar、 Avago 和 Source Photonics 等國際知名企業，專注於高端光模塊的研發及生產。光通信行業持續發展的背景下，光模塊企業加快併購重組，進行產業鏈垂直整合，行業集中度進一步提高。2017年光器件市場份額前三分別為Finisar、 Lumemtum和 Oclaro CR4為 2018年 Lumemtum收購 Oclaro II-VI收購光器件市場領導者 Finisar，光模塊行業頭部企業強強聯手，競爭度逐漸增加。

頭部公司致力於光晶片等高利潤領域，組裝產業逐漸向中國轉移。根據 Ovum的數據，國產廠商光模塊銷售額排名不斷提升，預計 2020年中際旭創 有望成為全球銷售額第一的供應商，打破 Finisar連年第一的格局。

國產廠商近年來也加大併購力度，不斷布局高端光模塊產品，實現升級。劍橋科技接連收購 MACOM公司日本子公司MACOM Japan部分業務，從 Oclaro日本公司購買光模塊生產線，接入高速光模塊業務。

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 活動預告 

聚焦新基建與新場景——2020中國國際建築智能化峰會（北京站）即將舉行

2020年第21屆中國國際建築智能化峰會北京站將於2020年11月19日（本周四）在北京金隅喜來登大酒店舉辦。此後，峰會還將分別在上海（11月26日）、廣州（12月10日）等全國主流城市舉辦，歡迎建築智能化行業人士報名參會，分享交流。

報名連結：https://www.huodongxing.com/event/5562124182800

活動官網：http://summit.qianjia.com/