硅光模块产业发展详解

光模块处于光通信行业的中游环节，是光设备与光纤连接的核心器件。

受益于5G和数据中心双引擎驱动以及海外网络建设需求的恢复，光模块行业景气度近年来重回上升通道。

据Yole预测，2025年，数通及电信市场光模块规模合计达178亿美元，较2019年年复合增长率15%。数通、电信光模块市场规模将分别增至121亿美元、56亿美元，较2019年年复合增长20%、7%，数通市场为光模块发展主要驱动力。

2019-2023年，数通商采购光模块金额实现年复合增长率约为20%，成为未来光模块市场增长的主要驱动力。

光模块是光通信网络的重要组成部分。

它是一种以激光作为载体，以光纤作为传输媒介的有源光器件，核心功能是实现光电转换。

目前，传统光模块主要采用III-V族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等器件封装而成，本质上属于“电互联”。

而随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互联将逐渐面临传输瓶颈，硅光技术应运而生。

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。

其核心理念是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中。

硅光具有低功耗、高集成和高速率的特点，是后摩尔时代的关键技术选择。

当前虽然硅光方案的模块无法完全取代传统方案，但供应份额势必大幅提升，相应市场规模可期，且给了新进入者一定的弯道超车机会。

当前光模块成本高昂已成为阻碍光通信发展的关键问题。

在100G短距CWDM4和100G中长距相干光模块中，硅光成本优势不大。而在400G以上速率的场景中，传统DML和EML成本较高，硅光模块存在较好的机会，成本优势明显。

目前，硅光产品最主要的应用依然是数据中心，100G数通硅光光模块方案已经成熟进入稳步出货阶段，400G开始从2020年的小批量进入到2021年的大批量，硅光模块弹性可期。

根据Intel的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期，2022年，硅光子技术在每秒峰值速度、能耗、成本方面将全面超越传统光模块。

市场研究公司LightCounting数据显示，硅光技术改变光器件行业的转折点已到来，2025年硅光模块的市场规模将接接近60亿美元，份额将从2018-2019年的14%增长到2025年的45%，未来5年，该市场将实现两位数增长。

与传统模块产业链对比

光模块产业链存在上下游的资源壁垒，解决上游芯片供应与取得下游大客户订单是赢得竞争的关键。

传统光模块产业链主要由光电芯片-光器件-光模块-数据交换设备厂商四个环节。上游为光芯片及无源光器件，下游需求的两大来源是数通市场和电信市场。

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。

传统光模块产业链：

硅光光模块与传统光模块产业链的主要区别在于光芯片部分，其是高度集成的单芯片，而不是传统的分离多器件的组合。

其余产业链环节大致相同，不过硅光模块的高度集成会减少部分配套器件的使用，这一趋势在后续“On-Board”封装方案中体现将更明显。

硅光模块芯片

光模块尤其是高速光模块在通信网络设备成本中占比达到50%～60%,光模块的选择和成本将直接影响网络总体建设成本，光模块成本高昂已成为阻碍光通信发展的关键问题。

而在光模块成本中，40%为光芯片成本，其中20%左右是激光器成本，若激光器成本节约3/4，可降低15%的整体成本，同时降低部分人工和组件成本，若在100G短距PSM4中，引入硅光技术，调制器和无源光路可高度集成，可使用1个25G激光器实现4路独立信号的调制和传输，显著节约芯片成本。

就芯片环节看，分为晶圆制造、设计、代工、封装测试等环节，基本可复用电子集成电路产业链。

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。

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。

我国在光模块产业链中，上游核心芯片和器件一直比较弱，尤其是25Gb/s以上的高速高端芯片领域国产化率极低。

在目前的硅光技术中，依然呈现出这种态势，国产厂商更多依靠封装能力与欧美芯片厂商合作，来切入产业链，后期通过技术积累提升自研芯片技术是重要发展方向。

硅光模块市场格局

硅光领域前景广阔，传统通信设备巨头及相关行业有竞争力的企业纷纷入场布局。

资料来源：Yole

国外的企业如Intel、Acacia及SiFotonics等由于起步较早，均已推出多款基于硅光技术的器件产品，在行业内占据头部地位。

Intel走的是一体化IDM模式；代工厂如TSMC（台积电）、Silex、APM和VTT，都在积极研发硅光子规模制造工艺；Luxtera、Sicoya、Rockley、Inphi、Acacia在硅基光电集成收发芯片的设计方面走得较为靠前。

国内企业进入该领域较晚，主要通过并购或者与外企合作的模式来切入，在技术研究及产品开发与国外巨头相比仍有不小的差距，目前仍处于追随者的地位。

光迅科技、阿里巴巴、海信宽带、中际旭创、亨通光电、博创科技、新易盛等企业近年来陆续发布了基于硅光技术的400G光模块产品解决方案，硅光技术在产业化的道路上将越来越成熟。

国内外企业硅光技术布局：

在工信部颁布的《中国光电子器件产业技术发展路线图2018-2022》中，就将“加强核心有源激光器、硅基光电子芯片及上游材料的设计、制造工艺平台建设与工艺人才培养”作为重要技术创新目标，并在硅基相干光收发芯片、硅基100G PAM-4调制芯片、硅基波导光开关、可变光衰减器阵列芯片等方向给出了具体的发展目标。

总体来看，硅光市场刚起步，未来市场格局变数巨大，新进入者存在一定的机会，硅光行业整体具有广阔的发展空间。随着5G进入大规模建设阶段，传输网扩容新建投入不断提升，高速光模块市场空间将打开。