光模块和光通信知识分享

2022-11-22 09:26:22 553

1、光模块发展

光模块(Optical Transceiver)是指进行光电和电光转换的光电子器件。光模块的发送端把电信号转换为光信号，接收端把光信号转换为电信号，主要由光纤接口、信号处理单元、电路接口三部分组成。广泛应用于数据中心（云）、电信网络（管）、接入终端（端）领域。

伴随着“光进铜退 ”，光模块开始崛起。当通信进入现代科技阶段，首先以电为研究对象。从早期的固定电话，到 2G、 3G 无线通信基本都是基于电的通信方式。但受限于电缆本身的特性无法实现高速率信号的长距离传输。用电传输信号，随着传输距离增加频率越高，损耗越大，信号变形越厉害，从而引起了接收机的判断错误，导致通信失败。为了克服这个限制，光模块把电信号在发射端转成光信号 , 即发送器Transmitter），负责将设备产生的电信号转换成光信号发出；而在接收端再把收到的光信号转换成电信号，即为接收器（ Receiver）。

把 Transmitter 和 Receiver 封装在一个模块里，组合成为 Transceiver，既可以发送也可以接收，即为光模块 optical transceiver）。

1.1、光模块种类、功能不断演进

光模块自身进化经历了速率提升、封装形式改变、接入应用改变和功能提升等方面。其中 SFP (Small Form-Factor Pluggable) 的 Transceiver模块 , 也称为小封装可插拔模块，支持热插拔，即插即用。SFP的速率越做越高，从 1.25G、 2.5G、 4G、 6G、到了10Gb/s以后 , 原先的封装大小已无法满足，因此定义了新的标准 XFP。

XFP指的是10Gb/s速率的可插拔光模块。随着集成工艺的提升，可以实现将 XFP装进 SFP，这种新的 SFP的 Transceiver称作 SPF+，即增强型 SFP模块。SFP和 SFP+尺寸大小，但比早期的 XFP光模块外观尺寸缩小了约 30%。和 SFP连接器定义，功能完全相同，简化了设计，功耗更小。为了区分，把支持 8Gb/s以 5G上的 SFP称为 SFP+。

1.2、光模块将向高速、小型、长距和热插拔发展

目前，扩展速率通信网络传输容量的增大光纤通信已成为主要通信方式。对光收发模块的要求逐渐提升，主要表现为高速率、小型化、低功耗、远距离和热插拔。人们的需求越来越多的信息量，信息传输速度的要求越来越快，光通信网络作为现代信息交换、处理和传输的中流砥柱，是超高频率、高速度、大容量、传输速率高、大容量、发送每个信息成本越来越小。

光学装置一般采用混合集成技术和密封的包装过程，下一步将有望向不气密发展，需要依靠被动光学耦合技术来提升自动化生成程度，降低成本。光学网络铺设距离增加要求远程收发器相匹配，要求光模块向远距离发展。光模块未来需支持热插拔，即没有切断电源时光模块可以连接或断开设备。

网络管理人员可以在不关闭网络时升级和扩展的系统，不影响在线用户使用。热插拔可以简化了维护工作，使最终用户更好地管理他们的光模块。同时，由于换热性能 ,光模块可以让网络管理人员根据网络升级需求，总体规划，链接距离输电费用和所有网络的拓扑结构，而不需要更换所有的系统板。光学模块支持热插拔有 GBIC和SFP(小形式可插入 )，因为 SFP和外观差不多的大小，设定触发器可以直接插在电路板，应用范围广，因此其未来发展值得期待。

硅光模块有望成为推动光通信产业新动力。硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料 (如SiGe/Si、 SOI 等 )，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势，是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。硅光模块优势十分明显，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，目前仍存在着明显的劣势，比如成本高、技术成熟度低等。随着硅光技术探索的不断深入，未来硅市场有望迎来迅猛增长。Yole的数据显示， 2018-2024年硅光市场规模年复合增长率为 2024年有望增长到 40亿美元。

2、光模块市场发展

光模块是信息光电子技术领域核心的光电子器件，是构建现代高速信息网络的基础。2012年工信部颁布《电子信息制造业 “十二五 ”发展规划》，明确指出将推动智能光网络和大容量、高速率、长距离光传输、光纤接入（ Fttx）等技术和产品的发展，近年来，国家制定了多项产业政策和实施方案以支持行业发展，助力行业升级。2018年工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（ 2018-2022年）》中对光模块器件发展提出了新的标准。

2.1、 5G全产业链激发光模块需求

运营商发力5G基站建设，光模块需求持续不断扩容。2019年我国已建成超过 13万个 5G基站， 2020年为 5G基站大规模建设元年，主要覆盖城市区域。2020年 5G网络建设将更多 SA 组网为主，商用价值更高。2020年两会期间，工信部表示我国每周新增 1万多个基站。根据运营商投资计划来看，三大运营商 2020年 9月份将建成70万个基站而 9-12月份建设并不会停止。随着中国广电作为新入局者，与中国移动共享共建 700MHZ 5G基站前传、中回传有望进一步扩容。

光模块是5G网络物理层的基础构成单元，广泛应用于无线及传输设备。5G 网络主要由三个主要部分组成，分别为无线网、承载网、核心网。其成本在系统设备中的占比不断增高，部分设备中甚至超过 50-70%，是 5G低成本、广覆盖的关键要素。

5G网络建设相较于 4G对光模块提出的新的要求。5G 无线接入网（ RAN）重新划分为有源天线单元（ AAU）、分布单元 DU）、集中单元 CU）部分。在无线网侧的基站中， AAU与 DU之间的前传光模块将从 10G升级到 25G，新增加了 DU和 CU间的中传光模块的需求。假设一个 DU承载一个基站，每个基站连接 3个 AAU，每个AAU一对收发接口，5G前传将为 25G光模块带来至少 3000万个的规模需求。

5G 网络将以 SA 组网为主，需要建设独立的 5G承载网。5G承载网分为骨干网，省网和城域网。在承载网的回传中，城域网的需求从 10G/40G升级到 100G，城域网进一步可细分为核心层，汇聚层，接入层，不同层级的承载网通过不同的端口速率提供不同能力的中回传服务，需要不同速率的中回传光模块。骨干网对光模块的需求将从 100G升级到 400G。

5G网络商用将带动全球大型 /超大型数据中心的建设，进一步拉动光模块市场需求。5G网络的大带宽、广连接、低时延将极大提高数据通信量，并带动高清视频、 VR、云计算等下游产业发展，对数据中心内部数据传输提出了更高要求。大型数据中心的扩容、新建、网络性能的优化将进一步开展。

根据 Cisco的预测，全球 IDC市场规模将持续增长，到 2021年全球将有 628个超大规模数据中心，相比 2016年的 338个，增长近 1.9倍。Cisco预测全球云计算总量将从 2016年的 3850EB增长到 2021年 14078EB。

全球数据中心进入400G时代，要求光模块向高速率、长距离发展。数据中心大型化趋势导致传输距离需求提升，多模光纤的传输距离受限于信号速率的提升，预计将逐渐被单模光纤代替。大型数据中心的建设将带动光模块行业产品升级，高端光模块产业需求有望放量。

扁平化新型数据中心增加了对光模块的需求。数据中心架构从传统的 “三层汇聚 ”向“两层叶脊架构 ”转型升级，使数据中心从基于纵向（南北向）流量建立变为基于横向（东西走向）建立，满足数据中心东西流量需求的同时加速数据中心内部的横向扩展。

传统三层架构下光模块数量约为机柜数的8.8 倍（ 8 个 40G 光模块， 0.8个 100G 光模块），改进的三层架构下光模块数量约为机柜数的 9.2 倍（ 8 个 40G 光模块，1.2 个 100G 光模块），新兴的两层架构下光模块数量约为机柜数的 44 或 48 倍（其中 80-90%是 10G 光模块，配置 8 个 40G 模块或 4 个 100G 模块）。

3、并购不断，光模块行业马太效应凸显

国际市场主要有Finisar、 Avago 和 Source Photonics 等国际知名企业，专注于高端光模块的研发及生产。光通信行业持续发展的背景下，光模块企业加快并购重组，进行产业链垂直整合，行业集中度进一步提高。2017年光器件市场份额前三分别为Finisar、 Lumemtum和 Oclaro CR4为 2018年 Lumemtum收购 Oclaro II-VI收购光器件市场领导者 Finisar，光模块行业头部企业强强联手，竞争度逐渐增加。

头部公司致力于光芯片等高利润领域，组装产业逐渐向中国转移。根据 Ovum的数据，国产厂商光模块销售额排名不断提升，预计 2020年中际旭创有望成为全球销售额第一的供应商，打破 Finisar连年第一的格局。

国产厂商近年来也加大并购力度，不断布局高端光模块产品，实现升级。剑桥科技接连收购 MACOM公司日本子公司MACOM Japan部分业务，从 Oclaro日本公司购买光模块生产线，接入高速光模块业务。

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