1、华西通信团队华西通信团队硅光：“超越摩尔”新路径，厚积薄发大未来20222022年年1 1月月1414日日请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明仅供机构投资者使用证券研究报告|行业深度研究报告“泽字节” 时代投资报告系列一硅光行业框架2流量爆发：流量爆发：网络流量每网络流量每 9 9- -12 12 个月翻一番，光通信设个月翻一番，光通信设备每备每 2 2- -3 3 年升级一次年升级一次高阶调制模式无法匹配信噪比，高阶调制模式无法匹配信噪比，DSP成本高度提升成本高度提升III-V族半导体激光调制间距受族半导体激光调制间距受限，单通道限，单通道50Gbps成
2、为传输速成为传输速率瓶颈率瓶颈高度集成、小型化、高速率是高度集成、小型化、高速率是光器件行业发展趋势光器件行业发展趋势产业分工细化：硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的产业分工细化：硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹，产业链逐渐分化，轨迹，产业链逐渐分化，Fabless商业基础将会初步形成商业基础将会初步形成硅光子光连接：硅光模块及硅光引擎光连接：硅光模块及硅光引擎光传感：自动驾驶光传感：自动驾驶Lidar&消费级消费级医疗可穿戴市场医疗可穿戴市场光计算：硅光子为核心的光计算：硅光子为核心的新型芯新型芯片算力系统片算力系统科技巨头加大投入：科技巨头加大投入：IntelIntel、Cisc
3、oCisco等领军企业的持续大等领军企业的持续大力投入之下，硅光产业链不力投入之下，硅光产业链不断完善，技术标准相继形成断完善，技术标准相继形成产业整合产业整合：硅光子是确定性技术发展趋势，海外外厂商瞄：硅光子是确定性技术发展趋势，海外外厂商瞄准硅光未来赛道，并购整合频发准硅光未来赛道，并购整合频发传统技术提升带宽模式逼近极限需求刺激，研发等投入加大硅光子产业链快速进化当前发展最成熟基于硅光的激光雷达、可穿戴设备、AI光子计算等领域会相继爆发产业标准产业标准：硅光子技术具体技术路线收敛确认中，产业重：硅光子技术具体技术路线收敛确认中，产业重点投入方向逐渐清晰，投资风险降低点投入方向逐渐清晰，投
4、资风险降低投资逻辑总结3流量爆发：全球数据中心流量从流量爆发：全球数据中心流量从20162016年的年的6.8 ZB6.8 ZB增长到增长到20212021年的年的20.6ZB20.6ZB，网络流量每网络流量每 9 9- -12 12 个月翻一番，光通信设备每个月翻一番，光通信设备每 2 2- -3 3 年升级一次，年升级一次，“泽”字节时代流量增长依旧是“泽”字节时代流量增长依旧是ICTICT行业最原始驱动力。行业最原始驱动力。传统技术面对大数据纷纷失效，硅光子技术：传统技术面对大数据纷纷失效，硅光子技术：10nm10nm后硅基后硅基CMOSCMOS摩尔定律失效，传统集成电路、器件提升带宽模
5、式逼近极限；摩尔定律失效，传统集成电路、器件提升带宽模式逼近极限；硅光有机结硅光有机结合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为合了成熟微电子和光电子技术，既减小了芯片尺寸，降低成本、功耗、又提高了可靠性，成为“超越摩尔”的新技术路径。“超越摩尔”的新技术路径。硅光子是确定性技术发展趋势，海内外巨头公司瞄准硅光赛道收并购频发，科技巨头公司高度重视硅光技术。硅光子是确定性技术发展趋势，海内外巨头公司瞄准硅光赛道收并购频发，科技巨头公司高度重视硅光技术。硅光子具体技术路线在收敛确认中（硅光子具体技术路线在收敛确认中（EPIC/PIC+EIC, DSP/non
6、EPIC/PIC+EIC, DSP/non- -DSP)DSP)，产业重点投入方向逐渐清晰，当前投资风险相较过去大幅降低。，产业重点投入方向逐渐清晰，当前投资风险相较过去大幅降低。当期硅光发展不成熟的关键因素在于，硅光当期硅光发展不成熟的关键因素在于，硅光子产业链子产业链没有像微电子产业一样完全形成没有像微电子产业一样完全形成FoundryFoundry厂与硅光设计公司分开的产业格局，厂与硅光设计公司分开的产业格局，F Fablessabless厂商要同时考虑工艺问题，无法专注设计，产业重复投入巨大厂商要同时考虑工艺问题，无法专注设计，产业重复投入巨大。目前，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于
7、数据中心、高性能数据交换、长距离互联、目前，硅光子商业化较为成熟的领域主要在于数据中心、高性能数据交换、长距离互联、5G5G基础设施基础设施等光连接领域，等光连接领域，800G800G及以后硅光模块及以后硅光模块性价比较为突出，产业链进展看，海外巨头性价比较为突出，产业链进展看，海外巨头IntelIntel、思科等通过自研或收购发展较为领先；、思科等通过自研或收购发展较为领先；国内上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中国内上市公司光迅科技、新易盛、天孚通信、中际旭创、博创科技等从分立光模块市场纷纷切入硅光领域，际旭创、博创科技等从分立光模块市场纷纷切入硅光领域，但是传但是传统光模块制造过程中封
8、装工序较为复杂，统光模块制造过程中封装工序较为复杂，BOMBOM及人工成本需要投入较多，及人工成本需要投入较多，另外未来采用硅光的光电共封装（另外未来采用硅光的光电共封装（CPOCPO）技术预计将会成为主流模式，传统光模块生产制造企业将会收到较大的技术挑战，需要持续跟踪）技术预计将会成为主流模式，传统光模块生产制造企业将会收到较大的技术挑战，需要持续跟踪国内光模块厂商硅光产品研发、客户验证等进展情况。国内光模块厂商硅光产品研发、客户验证等进展情况。国内硅光光模块领域重点关注相关初创公司：熹联光芯、奇芯光电、赛勒科技、国内硅光光模块领域重点关注相关初创公司：熹联光芯、奇芯光电、赛勒科技、SiFo
9、tonicsSiFotonics等。等。未来，我们判断硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹，产业链逐渐分化，未来，我们判断硅光子产业将遵循着微电子产业链发展的轨迹，产业链逐渐分化，Fabless商业基础将会初步形成商业基础将会初步形成，后续基于硅光的激光雷，后续基于硅光的激光雷达、可穿戴设备、达、可穿戴设备、AIAI光子计算等领域会相继爆发光子计算等领域会相继爆发, ,受益公司，包括国内初创公司受益公司，包括国内初创公司曦智科技（曦智科技（AIAI光子芯片）、微源光子（硅光光子芯片）、微源光子（硅光Lidar Lidar 、可穿戴）、可穿戴）、国科光芯（硅光国科光芯（硅光LidarLida
10、r）。）。后摩尔时代，硅光技术“曙光初现”后摩尔时代，硅光技术“曙光初现”01后摩尔时代，硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施10nm14nm14nm- -10nm 10nm 时间超过时间超过2 2年年硅基电子到光子硅基电子到光子硅基摩硅基摩尔定律尔定律失效失效随着信号速率每隔34年提升一倍，电信号能够传输的距离在逐渐减小。基于成本上的考虑人们还在尽量延续电信号传输的寿命，但由于芯片封装和工艺制程能力不可能无限提升，IO速率不断提升导致的功耗增加最终会触碰到芯片封装的功率墙。因此，硅光技术成为降低IO功耗、提升带宽的必要措施。图图1 1 电子电子IOIO性能受传输距离限制性能受传输距离
11、限制电子IO理论极限电子IO实际极限10km传输距离链路性能图图3 3 硅基光电子集成芯片概念图硅基光电子集成芯片概念图图图2 2 10nm10nm之后硅基之后硅基CMOSCMOS遇到物理极限遇到物理极限III III- -V V、SiGeSiGe和和GeGe等高迁等高迁移非硅材料，移非硅材料，将会成为产将会成为产业追寻的新业追寻的新方向。方向。 整理5科技巨头高度重视硅光技术。同样在2021年12月，Intel研究院宣布成立集成光电研究中心。该中心的使命是加速光互连输入/输出（I/O）技术在性能扩展和集成方面的创新，专注于光电子技术和器件、CMOS电路和链路架构，以及封装集成和光纤耦合。其中
12、，硅上异质集成量子点激光器、由高迁移率透明导电氧化物驱动的 0.5V 硅微型环调制器、硅光子的晶圆级光学封装等成为其重点技术突破方向图图4 4 阿里达摩院阿里达摩院20222022年十大科技趋势预判年十大科技趋势预判2021年12月，阿里巴巴达摩院发布2022十大科技趋势，分别是：AI for Science、大小模型协同进化、硅光芯片、绿色能源AI、柔性感知机器人、高精度医疗导航、全域隐私计算、星地计算、云网端融合、XR互联网。其中硅光芯片做外范式重置的关键技术，显示硅光对于行业颠覆式影响。图图5 Intel5 Intel宣布成立集成光电研究中心宣布成立集成光电研究中心 整理6海外硅光领域并
13、购整合频发，瞄准未来赛道和核心科技公司公司地区地区工艺平台（代工厂）工艺平台（代工厂）oror主要产品主要产品集成方式集成方式收购情况收购情况思科美国CMOS (GF) EIC, PIC 并购Lightwire(2012 $271M) /Luxtera(2018$660M)/Acacia(2019 $2600M)Juniper 美国CMOS EIC, PIC 并购Aurrion(2016 $165M)Nokia 欧洲CMOS EIC, PIC 并购Elenion(2020 $160M)Intel 美国CMOS (Int.) EIC, PICInphi 美国BiCMOS (Int., TJ) E
14、IC, PIC 2次以上试图收购硅光相关公司华为中国CMOS EIC, PIC 并购Caliopa(2013 $5M)Ansys美国Photonics simulation收购Lumerical Synopsys美国Lay out收购Phoenix硅光子是确定性技术发展趋势，海外硅光并购整合频发，瞄准未来赛道和核心科技：目前硅光领域并购集中在通信领域，硅光transceiver公司大都被通信设备商收购，例如思科, Huawei, Nokia等，另外上游设计工具软件也是并购重点方向。收并购情况看，硅光子具体技术路线在收敛确认中（EPIC/PIC+EIC, DSP/non-DSP)，产业重点投入方
15、向逐渐清晰，投资风险降低。表表1 1 硅光领域并购情况硅光领域并购情况资料来源：华西证券研究所整理7什么是硅光？什么是硅光？02硅光原理：硅光子学的低成本、高速的光通信技术9 整理图图6 6 分立元件光模块与硅光单片集成芯片对比：光模块元器件数量大幅减少分立元件光模块与硅光单片集成芯片对比：光模块元器件数量大幅减少TOSA:TOSA:将电信号转将电信号转换成光信号换成光信号ROSA:ROSA:将光信号转将光信号转换成电信号换成电信号TOSATOSAROSAROSATOTO- -CANCAN硅光激硅光激光器光器调制驱动器调制驱动器& &光波导光波导硅光探测硅光探测器器光纤光纤耦合耦合器器TIAT
16、IA放大放大器器光纤光纤耦合耦合器器激光接收单元激光接收单元激发射单元激发射单元VS 硅光技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，利用基于硅材料的CMOS微电子工艺实现光子器件的集成制备，该技术结合了CMOS技术的超大规模逻辑、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。 硅光技术将原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到至一个独立微芯片中，实现高集成度、低成本、高速光传输。 相比较传统的分立器件光模块，硅光子器件集成度更高（不再需要ROSA和TOSA封装）更加适应未来高速流量传输处理需要。与此同时，更紧密的集成方式降低了光模块的封装和制造成本。硅光子核心器件主要包括以硅半导
17、体材料的光有源及无源器件，包括硅基激光器（负责将电信号转化成光信号）、硅基光探测器（负责将光信号转化成电信号）、硅基光调制器（负责将光信号带宽提升）、平面波导（负责光信号在硅基材料上传输）、光栅耦合器（负责与对外连接的光纤对准降低插损）等。1 1）光源2 2）光波导3 3）光调制4 4）光子探测5 5）低成本集成6 6）智能化硅光核心元器件：光源、光波导、调制器、探测器图图7 7 硅光核心、元器件构成硅光核心、元器件构成 整理硅光模块硅光模块硅光器件硅光器件硅光芯片硅光芯片硅光模块（芯片与器件的集成）硅光模块（芯片与器件的集成）有源器件有源器件激光器光开关调制器探测器无源器件无源器件光波导&耦
18、合器复用&解复用器谐振腔&滤波器非线性器件光发送集成芯片光发送集成芯片光接收集成芯片光接收集成芯片相同功能器件阵列化集成芯片相同功能器件阵列化集成芯片10硅光优势：小尺寸、低功耗、低成本小尺寸低功耗低成本传统分离器件方案硅光集成芯片方案核心优势核心优势硅光集成将核心部件和配件集成在一个晶片上，器件数量显著缩小，密集度有所提升；硅光有机结合了成熟微电子技术和宽带光电子技术，硅光方案既降低了硅光模块、芯片等成本，又提高了可靠性。图图8 8 硅光优势小尺寸、低功耗、低成本硅光优势小尺寸、低功耗、低成本 11硅光集成：混合集成是当下，单片集成是未来根据集成的元器件是否采用同种材料，光子集成（Photo
19、nic Integrated Circuit, PIC）可以分为混合集成和单片集成。硅光器件的演进趋势分为四个阶段：分组硅化、硅光子集成、全光电融合和可编程硅片。分组硅光：硅基器件逐步取代分立元器件；硅光子集成（当前技术阶段）：集成技术从耦合集成向单片集成演进，简化工艺流程提升效率；硅光子集成（当前技术阶段）：集成技术从耦合集成向单片集成演进，简化工艺流程提升效率；全光电融合：光电一体技术融合，光电全集成化，单芯片光电处理，最低延时，最佳体验；可编程芯片：器件分解为多个硅单元排列组合，局针化表征类；FPGA的可编程硅片，全功能可自定义。当前的硅光器件依然处于演进的初级阶段，集成技术从耦合集成向
20、单片集成演进，简化工艺流程提升效率的第二阶段。光子集成光子集成混合集成混合集成激光器、调制器等采用不同衬底材料激光器、调制器等采用不同衬底材料单片集成单片集成激光器、调制器等采用相同衬底材料激光器、调制器等采用相同衬底材料激光器阵激光器阵列列探测器探测器阵列阵列调制器调制器阵列阵列耦合器耦合器阵列阵列波导光波导光栅阵列栅阵列激光器激光器+调制器调制器激光器激光器+电芯片电芯片探测器探测器+电芯片电芯片激光器激光器+调制器调制器+合波器合波器+电芯片电芯片探测器探测器+分合波分合波+电芯片电芯片系统级系统级集成芯集成芯片片图图9 9 硅光集成方案硅光集成方案资料来源：华西证券研究所整理12混合集
21、成原理混合集成是将使用不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上不同材料、不同制作工艺制造出来的元器件组合安装在同一衬底上，比如说基于硅基的集成(平面光波导混合集成，硅光等)，基于磷化铟的集成等，典型的混合集成是将有源光器件(激光器，探测器等)集成到具有光路连接或者其他一些无源功能(分合波器等)的基板上(平面光波导，硅光等)。它的优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合优势是能够实现无源光波导与有源器件之间较自由的结合。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑，顺应光模块小型化趋势，方便使用成熟自动化IC封装工艺，有利于大量生产，是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。然
22、而，不同元器件间需要精密的位置调整与固定，加之 不同材料在光学、机械和热特性等方面存在差异，都将增加封装的复杂性和成本，并限制集成规模 。电芯片光源光源光调制器光调制器复用器复用器光纤光纤分路器分路器光侦测器光侦测器硅基硅基输出输出输入输入光信号光信号电信号电信号 整理图图11 11 硅光混合集成方案、硅光子硅光混合集成方案、硅光子+ +InPInP激光器方案激光器方案图图12 Intel 12 Intel 硅光混合集成方案：调制器硅光混合集成方案：调制器+ +探测器探测器图图10 Intel10 Intel混合集混合集成硅光芯片成硅光芯片调制器驱动器调制器驱动器硅光子芯片硅光子芯片光纤阵列块
23、光纤阵列块光纤耦合器光纤耦合器TIA PD光纤耦合器光纤耦合器电芯片电芯片电芯片电芯片13单片集成原理单片集成是经过相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，相同制作工艺，将不同元器件集成在同一衬底上的一体化技术，实现起来有较大技术难度，但具有结构紧凑、尺寸小、功耗低、可靠性强等优势，是PIC的发展方向。利用硅光集成技术发展高折射率、尺寸和高集成度的高速光模块是当前研究者主要目标。目前，本领域技术人员已经在硅光平台上实现了高速率的硅光调制器，高速率检测器，低损耗传输波导和波分复用等硅光器件。右表对比了两种集成形式以及分立器件组合的差异，单片集成具有低损耗、易封装、高可靠性、集成度
24、高的单片集成具有低损耗、易封装、高可靠性、集成度高的优点，但集成难度大。优点，但集成难度大。目前在光通信系统中混合集成使用较多，但单片集成也已经进入量产。电芯片光源光源光调制器光调制器复用器复用器光纤光纤分路器分路器光侦测器光侦测器硅基硅基输出输出输入输入光信号光信号电信号电信号分立器件组合分立器件组合混合集成混合集成单片集成单片集成集成不同材料难度+低耦合损耗+高可靠性+易封装+小尺寸+低功耗+图图1414：硅光单片集成方案：硅光单片集成方案 整理表表2 2：硅光集成方式差异：硅光集成方式差异图图13 13 SicoyaSicoya单片集成硅光芯片及光模块单片集成硅光芯片及光模块14硅光替代
25、分立光器件核心驱动：硅光替代分立光器件核心驱动：流量流量&技术进步技术进步&边际成本边际成本03数据流量高速增长是硅光技术需求的原生动力数据时代流量迅速增长对光通信性能提出更高要求，要求光通信行业做出变革，提高光通信产品的适应性和技术性。数据中心以太网交换机芯片处理高速率流量需求不断提高：数据中心以太网交换机芯片处理高速率流量需求不断提高： 云数据中心的大型化将极大提升光模块的使用量，同时对光模块的传输距离有了更高的要求，同时驱动了光模块工作速率不断升级。CSP CSP 和云提供商（如和云提供商（如 FacebookFacebook、AppleApple、 GoogleGoogle、 AWS
26、AWS 和和MicrosoftMicrosoft）正转向超大规模数据中心，）正转向超大规模数据中心，CapexCapex支出持续提升以支持客户的高带宽支出持续提升以支持客户的高带宽需求。需求。伴随VR、无人驾驶等应用渗透率增加，网络数据流量有望再次迎来高速增长，整体底层数据中心投入有望加速，相关光模块和服务器需求也有望起量。16资料来源：statista,800G Pluggable MSA,公司公告，华西证券研究所整理图图15 15 全球移动数据增长全球移动数据增长20172017- -2022202211.5119.0128.5640.7756.877.4900708
27、090201720182019*2020*2021*2022*Traffic in exabytes per monthGlobal mobile data traffic 2017-2022图图1616博通交换机芯片数据处理能力每博通交换机芯片数据处理能力每2 2年翻一番年翻一番图图17 17 海外互联网厂商资本开支海外互联网厂商资本开支光器件发展趋势：高度集成、小型化、高速率资料来源：睿海光电, Acacia,华西证券研究所整理叶脊网络架构进一步增加光模块需求叶脊网络架构进一步增加光模块需求：传统三层结构IDC网络架构有利于解决南北向数据传输问题（IDC内部与外部之间），然而伴随着虚拟化、
28、云计算、超融合系统等应用，使得东西向数据流成为主要流量，为了数据中心利用率以及效用最大化，越来越多的数据中心采用了叶脊类型的网络架构，以叶脊架构为例，光模块总量是机柜数的光模块总量是机柜数的46倍（传统传统三层架构光模块总量是机柜数的倍（传统传统三层架构光模块总量是机柜数的9倍）倍）。高密度：高密度：为了满足流量高速增长的需求，提高交换机和服务器单板传输容量，意味着可以部署更少的交换机，光模块封装越小，意味着可以部署更少的交换机，以节约机房资源。图图19 19 光通信集成发展历程、光模块封装类型光通信集成发展历程、光模块封装类型图图18 18 传统数据中心三层架构与脊叶架构对比传统数据中心三层
29、架构与脊叶架构对比17光器件发展趋势：高度集成、小型化、高速率低功耗：低功耗：数据中心耗电量大，低功耗一方面是为了节约能耗，另外一方面是为了应对散热问题，因为数据中心交换机背板插满了光模块，若散热问题无法妥善解决，将会影响到光模块的性能和密度的提高。迭代周期短：迭代周期短：未来数据中心流量将呈爆发式增长，为适配更高速的设备，驱动光模块不断向更高速率升级，并呈加速态势。10G速率端口迭代到40G速率端口经历了5年，40G速率端口升级到100G速率端口经历了4年，而100G速率端口到400G速率端口或仅需3年时间。部署年代部署年代200820082000
30、02120192019园区，超大数据中心40G LR440G LR4/100G CWDM4100G CWDM4400G FR4机房内部40G SR4/4x10G SR40G eSR4100G SR4400G DR4机架内部CAT610G AOC25G AOC100G AOC服务器网卡速率1G10G25G100G图图20 20 光模块封装越来越小，功耗越来越低光模块封装越来越小，功耗越来越低表表3 3 光模块速率迭代越来越快光模块速率迭代越来越快资料来源：极术社区, 华西证券研究所整理18光通信提升带宽传统模式逼近极限光模块提升带宽的方法有两种：光模块提升带宽的方法有两种：
31、提高每个通道的比特速率，提升比特速率有两个方法:1、直接提升波特率；2、保持波特率不变，使用复杂的调制解调方式（如PAM4、QPSK，QAM16，QAM64等 ）。增加通道数，增加通道数量也包括两种方法：1、提升并行光纤数量；2、采用波分复用（CWDM、DWDM）；在千兆、万兆时期，技术瓶颈还没到，直接就可以提升波特率，但到了10G以上，无论是电还是光，提升波特率变得越来越难，10G到40G，提升的是通道数，从40G到100G，提升的是单通道的波特率（光芯片升级10G-25G）。而从100G到400G：采用了PAM4等更高的调制方式光模块带光模块带宽提升宽提升提升每个通道比特提升每个通道比特速
32、率速率增加通道数量增加通道数量直接提升波特率直接提升波特率更高阶调制模式更高阶调制模式提升并行光纤数量提升并行光纤数量提升提升WDMWDM通道数量通道数量分类分类全称全称波长间隔波长间隔波长波长间隔大小间隔大小CWDM稀疏波分复用间隔大1270nm-1610nm间隔20nmDWDM密集波分复用间隔小1528nm-1623nm间隔0.8nm或0.4nm图图21 NRZ21 NRZ调制与调制与PAM4PAM4调制波形对比调制波形对比表表4 4 波分复用技术对比波分复用技术对比资料来源：极术社区, 华西证券研究所整理19分离器件光模块技术演进瓶颈，硅光性价比提升超大规模云数据中心对400 Gb/s及
33、以上光网络连接的需求，数据中心交换机速率正依摩尔定律不断加倍。数据流量高速增长，成为硅光技术需求的原生动力，但目前光模块仍面临如下问题：三五族半导体激光调制间距受限，50Gbps成为成为单通道传输速率瓶颈；随着速率提高，光芯片成本递增，电芯片DSP复杂度提高分立器件尺寸受限，集成度成最大问题硅光模块在高速率下，仍具有器件小、稳定性强和硅材料能耗低的特性，较传统光模块具有一定优势，因此硅光方案被相当一部分数据中心所采用，硅光产业随即得到发展。图图22 22 硅光模块需求的不同因素硅光模块需求的不同因素资料来源：华西证券研究所整理硅光中短距光模块低成本低功耗性能/质量高集成度规格类型多光芯片电芯片
34、研发成本高研发周期长Fab稳定可靠需要规模上量自研：技术要求高、研发成本高外购：可选择少、成本没有优势光/电口数量相等通道数尽量少器件数尽量少器件性能100G与III-V DML性能相当400G比III-V EML性能略差可靠性好兼容性有待提高当前：硅芯片插损大、调制效率不高未来：微环调制光学带宽小架构简洁规模上量20III-V族半导体激光调制间距受限，单通道50Gbps成为成为传输速率瓶颈基于传统三五族（III-V）的直接带隙半导体材料磷化铟（InP）基分布反馈激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）的高速光模块，由于其本身材料的限制，很难实现超过50G以上的调
35、制间距，并且随着速率提高，激光器成本也大幅度提高，从而提高了整体光模块产品的成本。利用硅光集成技术发展高折射率，尺寸和高集成度的高速光模块，实现了高速率的硅光调制器硅光调制器，高速率检测器高速率检测器，低损耗传输波导低损耗传输波导和波分复用波分复用等硅光器件，并且将各个功能器件的相互集成，成功实现了单路25G/50G的信息传输。单路速率到极限后，提高芯片速率的方法有：增加并行通道数增加并行通道数，如波分复用WDM或多路光纤PSM； 整理图图2323 PAM4PAM4 PSMPSM并行结构、波分复用示意图并行结构、波分复用示意图21高阶调制模式无法匹配信噪比，DSP成本高度提升高阶复杂调制高阶复
36、杂调制，如PAM4、QPSK，QAM16，QAM64等，以提高比特率；以及更高的符号速率等。1）高阶复杂调制，无法匹配光源信噪比，传输损耗增大高阶复杂调制，无法匹配光源信噪比，传输损耗增大：进一步提高系统容量可以采用高阶调制格式如8QAM（8-level quadrature-amplitude modulation）或16QAM，但是高阶调制需要更高的OSNR（Optical-Signalto-Noise Ratio 光信噪比）。对于同样的符号速率，16QAM所需的OSNR比QPSK高近7dB，这意味着在同样的光纤、光放大器和跨段距离的条件下，采用16QAM虽然可以把容量提高一倍，但无电中继
37、的传输距离会降低5倍。有许多技术可以提高16QAM的传输距离，如采用拉曼光放大器、低损耗和低非线性光纤、编码调制技术、非线性补偿技术等等。表表5 5 不用调制码型性能对比不用调制码型性能对比表表6 DSP6 DSP在短距光通信不同调制方式下性能对比在短距光通信不同调制方式下性能对比资料来源：华西证券研究所整理调制方式调制方式接收敏感性接收敏感性相对强度噪声相对强度噪声带宽带宽数模数模/ /模数效果模数效果均衡性均衡性DSPDSP复杂性复杂性PAM4+CAP16+DMT+调制方式4SC-PM-QPSK 2SC-PM-8QAM2SC-PM-16QAM速率 Gb/s400400400单载波谱宽度 G
38、Hz324332C波段系统容量 Tbit850GHz1650GHz1650GHz传输距离 km3500（长途干线）1500（干线）1000（城域/IDC02 2）DSPDSP成本高度提升，商用化难度提升：成本高度提升，商用化难度提升：光通信系统速率越高，电芯片成本在系统中的比例就越高，其中DSP芯片成本制约占主。DSP的复杂程度直接影响了光模块的成本与功耗。在100G时代，电芯片相关厂商有Macom、semtech，sillconlabs，Maxim等，商业化程度较高；而400G时代电芯片则主要是Inphi、Broadcom、MaxLinear、Macom，供应商较少，规模效应未显。22分立器
39、件尺寸受限，集成度成最大问题传统的光通信模块主要是由 III-V 族半导体芯片、高速电路芯片、无源光组件及光纤封装而成。但随着晶体管尺寸不断变小，电互连面临诸多局限，高速率下分立器件尺寸已无法进一步缩小，并且25Gbps 已经接近传统铜电路极限。如果采用PAM4调制，速率可进一步提升至50Gbps，但要实现400G需要构建8条并行通道，这样一方面器件尺寸无可避免会增大，器件集成度无法得到保证；另一方面高损耗使得调制效果弱化，通信效率受到较大削减，因此在数据中心内部及芯片层面光芯片部署增加是必然选择。目前100G模块封装形式主要基于CFP， CXP以及CPAK，其外形相似，均可支持热插拔，但密度
40、有所不同；400G则主要基于CFP8、OSFP以及QSFP-DD，其中.QSFP-DD封装由于其优秀的向后兼容性、小尺寸等优点获得当前较多厂商的青睐。然而，传统分立器件组合下，光模块离交换芯片远，电学损耗大；另外由于交换机前面板空间有限，对于高密度的要求难以满足，交换机和模块的散热也因光模块离交换芯片远，电学损耗大；另外由于交换机前面板空间有限，对于高密度的要求难以满足，交换机和模块的散热也因此受到影响此受到影响。表表7 100G7 100G、400G400G光模块封装形式光模块封装形式 整理100G/120G100G/120G光模块应用于数据中心光模块应用于数据中心& &以太网以太网光模块C
41、XPQSFP28CFPCFP2CFP4CPAK链路速率12x12G10 x12G4x25-28G 40/100G40/100G40/100G40/100G应用无线带宽，以太网无线带宽，以太网以太网，数字传输，OTN以太网，数字传输，OTN以太网，数字传输，OTN以太网，数字传输，OTN热插拔尺寸(宽x长x高，mm)21x2918x52x8.582x145x1441x104x1322x92x1034.8x101.2x11.6电气装置12xQDR 无线带宽或CPPICPPI-4CAUI, XLAUI,SFI-S,SFI-5.2CAUI-4, CAUI CPPI-4CAUI-4, CAUI连接头84
42、 pads38 pads148 pads104pads56 padsN/D最大功率6W3.5W8-32W3-18W1.5-6WN/D适用时间应用中2015应用中应用中20152013400G400G光模块封装形式光模块封装形式名称CDFPCFP8OSFPQSFP-DD应用场景电信电信数据中心、电信数据中心模块尺寸(LxW)mm107.5x41.5102x40107.8x22.689.4x18.4交换机密度(Port/1RU)16163636电信号(Gb/s)16x25G8x50G8x50G8x50G传输介质MMF,SMFMMF,SMFMMF,SMFMMF,SFMQSFP兼容性NANA需要适配器
43、 需要适配器热容12-20w12-20w12-15w12-15w支持800G否否是否23光通信中主要涉及到的芯片包含光芯片光芯片和电芯片电芯片。光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，又分为激光器芯片和探测器芯片；电芯片一方面实现对光芯片工作的配套支撑，如 LD(激光驱动器)、TIA(跨阻放大器)、CDR(时钟和数据恢复电路)，一方面实现电信号的功率调节，如MA(主放)，另一方面实现一些复杂的DSP(数字信号处理)。光芯片的成本占比通常在40%-60%，电芯片的成本占比通常在10%-30%之间。在光芯片中，比较核心的是激光器芯片。常见的激光器芯片主要包括 FP、DFB、EML、VCSEL
44、等类型，分别对应着不同的应用场景：按照调制类型可分为直接调制和外调制。直接调制是电路直接控制激光开关，一般仅由单颗激光器构成；外调制是由外电路控制激光开关，一般由两部分构成，分别是激光器和调制器。FP、DFB 和 VCSEL 属于直接调制的类型，EML 是外调制的类型。EML 一般是由 DFB 外加调制器 EAM 共同构成。按照发光类型分为面发射和边发射。其中 VCSEL 属于面发射类型，FP、DFB 和EML 属于边发射的类型。按照腔面类型分为垂直腔面和水平腔面。其中 VCSEL 属于垂直的腔面类型，FP和 DFB 属于水平的腔面类型。在PAM4调制下，VCSEL、FP和DFB均受制于50G
45、bps速率，而EML最大速率虽然可以突破50Gbps，但其成本高昂，中短距离方案中成本占比过大。400G以上的速率受限于激光器芯片速率及成本芯片材料类别芯片材料类别具体产品类型具体产品类型InP 系列高速直接调制 DFB 和外调制 EML 芯片、PIN 与 APD 芯片、高速调制器芯片、多通道可调激光器芯片GaAs 系列高速 VCSEL 芯片、泵浦激光器芯片Si/SiO2 系列PLC、AWG、MEMS 芯片SiP 系列相干光收发芯片、高速调制器、光开关等芯片；TIA、LDDriver、CDR芯片LiNbO3 系列高速调制器芯片VCSELFPDFBEML工作波长800nm-900nm850nm-
46、1310nm850nm-1310nm1310nm-1550nm价格（美元）1.5-33-48 左右60 左右线宽0.35nm1nm0.04nm0.04nm模式多模缺点实现高速率有困难，不支持单模带宽有限对外延工艺和光栅制作的工艺要求比较高需要温度控制，耗电量大优点线宽窄，功耗低，调制效率高，成本低调制效率高波长稳定性好调制效率高、稳定性好应用场景短距光通信，3D 感应等中距离通信长距离通信高速率，超长距离通信最大速率50G PAM450G PAM450G PAM450G以上400G方案8*50G PAM48*50 PAM44*100G表表8 8 不同光芯片材料、激光器对比不同光芯片材料、激光器
47、对比24400G以上硅光技术相比III-V器件竞争优势明显 传统传统III III- -V V分立器件在分立器件在400400G G以下性能较好以下性能较好，技术成熟技术成熟：在单通道波特率低于25G，短距离传输(10km)时，III-V DML(直调激光器)的性价比较优；随着传输速率及距离增加，特别是单通道速率到50G波特率以上，激光集成EML (电吸收调制器芯片)因其优异高速调制频响，低驱动电压，低啁啾，成为主要光电器件。硅光技术在硅光技术在400400G G以上场景有望成为性价比选择以上场景有望成为性价比选择：随着大数据中心对连接带宽的不断升级，多通道技术成为必须，高集成高速硅光芯片成为
48、性价比更优越的选项。从用4x25G 为代表100Gbps大数据中心光互联时代开始，以Intel、Luxtera的硅光产品开始崭露头角，开始规模化进入市场。与分立的EML器件相比，硅光芯片通过与电芯片混合集成提供更优性能，以集成架构提供更低物料成本以集成架构提供更低物料成本，同时可以实现更简洁的模块同时可以实现更简洁的模块设计设计，支持更高的生产效率支持更高的生产效率。当前，100100G G已进入成熟应用已进入成熟应用，400400G G ( (4 4x x100100G)G)正在进入规模商用正在进入规模商用，同时800G(8x100G) 也已开始在大规模人工智能及高密度交换机互联开始试商用。
49、硅光解决方案因其强劲竞争优势，承载着业界的期望。图图24 24 硅光与硅光与- -族光模块在不同距离与比特率下的应用族光模块在不同距离与比特率下的应用25传统激光器芯片速率、成本受限，中长距场景硅光通信方案有望突围资料来源：华西证券研究所整理 高速率实现困难高速率实现困难：数据通信用VCSEL通常是850nm波长，多模；其特点是低成本（生产加工，测试成本），低功耗，容易耦合（光斑接近圆形），容易阵列化，因此可用板上芯片封装技术（CoB）来实现大规模集成光模块。由于VCSEL在实现高速率有一定困难，目前看来实现400G方式为8x50G PAM4。 100米以下占主，多模光纤成本高米以下占主，多模
50、光纤成本高：VCSEL在低于低于100米米的应用（接收光光模块及有源光缆）占主导地位，并且可以进一步集成实现更多路的板载光学模块（OBO）。然而VCSEL需要多模光纤，成本较单模光纤高成本较单模光纤高，数据通信系统厂家需要准备多模（100米以下）和单模（大于100米）两种光纤。 性能优异：性能优异：EML是指电吸收调制器（EAM）与DFB激光器的集成器件，属于外调制方式，因此波长啁啾低，信号传输质量高，容易实现高速率调制（50G以上波特率），在10公里以上的中长距离中已经得到广泛应用。EML具有容易实现集成化及小型化，低调制电压，高消光比，高调制速率等优点，实现400G仅需要4x100G即可。
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