首页AI 迎来“iPhone 时刻”，光技术持续演进
AI 未来已来，算力、网络设备和光模块等领域率先受益。2022 年 11 月底，OpenAI 发布聊天机 器人 ChatGPT，仅用 5 天用户破百万，2 个月活跃用户破亿，成为史上增速最快的消费级应用之 一。2023 年 3 月，英伟达召开的 GTC 开发者大会犹如“深水炸弹”，创始人兼 CEO 黄仁勋提出 的全新概念：我们正处于 AI 的“iPhone 时刻”。目前 AI 正在迎来爆发式增长，将成为数十年来 最有前途的技术领域之一，并将驱动算力、网络设备和光模块等领域的极大发展。受益于此，博 通和 Marvell 等网络与通信芯片巨头的股价均迎来大幅上涨。博通表示 23 年用于生成式 AI 业务的 以太网设备销售额将从 2 亿美元上升到超 8 亿美元； Marvell 也于近期表示 AI 已成为关键成长动 能，预估 2024 财年 AI 相关产品营收至少较 2023 年度呈现倍增，并在未来几年持续迅速成长。
高速率光技术持续演进。作为 AI 算力的核心器件，光模块及其配套芯片持续迭代：1）CPO、 LPO 等先进封装技术在降低光模块成本及功耗上作用显著，中际旭创、新易盛等光模块厂商率先 布局；2）EML、硅光和薄膜铌酸锂等光芯片不断升级来适配高速率场景应用，源杰科技、长光 华芯和光库科技等厂商不断突破芯片技术瓶颈。光芯片作为光模块中最核心的部件（光器件占光 模块成本的 73%，光芯片占光器件成本的 81%），拥有更大的附加价值量弹性和国产替代预期， 在产业链中地位尤其重要，光芯片厂商亦有望在 AI 浪潮中持续受益。
光芯片三重逻辑共振：1）AI 算力高弹性；2）国产替代预期； 3）下游模块厂商出海加持。在 AI 算力需求拉动下光模块向更高速率演进，光芯片作为光模块核心器件有望深度受益；中国光芯片 市场规模持续增加，国产化进程有望持续迈进；国内下游模块厂商海外业务不断拓展，光芯片可 以跟随光模块出海，有望应用到谷歌、微软等海外互联网大厂。在前沿光通信技术发展和高算力 需求的共同催化下，将有力推动光芯片的技术升级和更新换代，硅光芯片、薄膜铌酸锂调制器芯 片等有望成为更优解决方案。
(资料图片仅供参考)
1）算力需求带动高速率光模块市场量价齐升。全球数据规模随着 AIGC 的发展预计增速会持续提 升，数据中心高速率光模块市场相应将获得较大增量市场。根据中国计算机互连技术联盟 （CCITA）CPO 标准及草根调研数据，云计算通用服务器所属叶脊架构的交叉互联网络中上行、 下行端口收敛比约为 3:1，1 台服务器约需要 4-6 个光模块，整体平均单价在 1 美金/GB 左右；而 AI 服务器所用的 A100、H100 等 GPU，需用 200G 以上的高速率光模块 8-10 个/片。根据 LightCounting 的统计，全球 Top 5 云厂商以太网光模块市场体现出对高速率光模块的偏好。2023 年 800G 光模块需求预计将进一步替代较低速率光模块的份额，整体高速率光模块用量和规格不 断提升，呈量价齐升之势。
光芯片是光模块的核心器件，附加价值量弹性更大。根据 LightCounting 数据测算，光芯片占光 模块市场比重从 2018 年约 15%的水平到 2025 以后超过 25%的水平，光芯片有望深度受益。相 对于光模块和器件，光芯片具有更大的附加价值量弹性，其成本占比分布在低端器件、中端器件、 高端器件上的数据逐级提升，大约分别为 20%、50%、70%。随着通讯、AI 等产业对高性能光模 块的需求快速增长，光芯片将呈现量价齐升的增长趋势。
2）中国光芯片市场规模持续增加，光芯片国产替代正当时。根据 ICC 预测，2019-2024 年，中 国光芯片厂商销售规模占全球光芯片市场的比例将不断提升。目前，我国光芯片企业已基本掌握 2.5G 及以下速率光芯片的核心技术；部分 10G 光芯片产品性能要求较高、难度较大，如 10G VCSEL/EML 激光器芯片等，国产化率不到 40%；25G 及以上光芯片方面，随着 5G 建设推进， 我国光芯片厂商在应用于 5G 基站前传光模块的 25G DFB 激光器芯片有所突破，数据中心市场光 模块企业开始逐步使用国产厂商的 25G DFB 激光器芯片，2021 年 25G 光芯片的国产化率约 20%， 但 25G 以上光芯片的国产化率仍较低，约为 5%，目前仍以海外光芯片厂商为主。
3）光芯片可以跟随光模块出海，有望应用到海外大厂的 AI 服务器及数据中心当中。海外光芯片 企业已形成产业闭环和高行业壁垒，可自主完成芯片设计、晶圆外延等关键工序，可量产 25G 及 以上速率的光芯片。部分中国光芯片企业已具备领先水平，随着技术能力提升和市场认可度提高， 竞争力将进一步增强。目前全球光模块市场主要由美中日三国占据主导地位，2021 年光模块全 球前十的生产商中有一半来自中国。随着国内下游模块厂商海外业务的不断拓展，光芯片可以跟 随光模块出海，有望应用到海外大厂，国产光芯片发展前景广阔。
CPO、LPO、硅光、相干以及薄膜铌酸锂等技术值得关注，将有力推动光芯片技术升级和更新 换代。数据中心的商业模式下，云厂商在成本端有充分的动力为低功耗服务器买单；同时，在低 功耗的基础上，AI 服务器对低时延有着更高的要求。因此，除了以 CPO 与硅光技术为主线的光 模块发展路径外，LPO 方案应运而生。同时，在相干光通讯和非相干数据中心的信号传输中，薄 膜铌酸锂所制备的超高速率电光调制器有望受益于光器件集成新趋势，从而打开更加广阔的市场 空间。在前沿光通信技术发展与高算力需求拉动的共同催化下，高速率光芯片前景广阔，更高速 率的 DFB、EML 芯片、硅光芯片、薄膜铌酸锂调制器芯片等将成为更优解决方案。此外，立讯 精密、长电科技等消费电子/半导体公司也逐步进入光模块/芯片赛道，有望将成熟技术应用到光 芯片产业链，进一步降本增效促进行业发展。
1 CPO 是光通讯实现光电转换的长期路径
CPO 是长期路径；LPO 易落地，是短中期极具性价比的过渡方案。CPO 方案是通过在交换机 光电共封装起到降低成本、降低功耗的目的。长期来看，CPO 是实现高集成度、低功耗、低成 本以及未来超高速率模块应用方面最优的封装方案。由于目前的技术与产业链尚不成熟等原因， 短期内难以大规模应用。相比之下，LPO 主要的技术壁垒在于更复杂的 RF 模块，仍然采用可插 拔模块的形式，可靠性高且便于维护，可以直接应用于目前成熟的光模块供应链。
CPO 是在成本、功耗、集成度各个维度上优化数据中心的光电封装方案。CPO（Copackaged Optics）将光模块不断向交换芯片靠近，缩短芯片和模块之间的走线距离，最终将光 引擎和电交换芯片封装成一个芯片。理想情况下，CPO 可以逐步取代传统的可插拔光模块，将 硅光子模块和超大规模 CMOS 芯片以更紧密的形式封装在一起，从而在成本、功耗和尺寸上都 进一步提升数据中心应用中的光互连技术。
高速率 CPO 渗透率预计从 24 年开始显著提升，高速率光模块需求海外先行。根据 LightCounting 数据预测，800G/1.6T 光模块与 AOC 加上 CPO 出货将从 2022 年不到百万件 增长至 2027 年超过 1500 万件，其中 CPO 渗透率将从 24 年开始快速提升。2023 年 4 月 5 日 全球光互连论坛 OIF 发布业界首个 3.2T 共封装模块实施协议，可见目前海外市场，尤其是高速 率板块对 CPO 需求更为迫切，国内上量节奏紧随其后。
CPO 的发展需要产业链协同推进，考验光模块/光引擎厂商的长期综合实力。CPO 的技术路线 在逐步推进的过程中本质上也是对整个网络架构的优化，需要数据中心整体产业链的协同推进。 其中涉及到的环节在现有光模块产业链的基础上预计还需要得到交换芯片及设备厂商，以及各元 器件厂商的合作。因此 CPO 的进度本质上是对光模块/光引擎厂商综合实力的长期考验，包括在 光模块零部件、封装等方面的技术积累与研发实力，以及下游客户的关系。
Micro TEC 是高速率光通信领域实现精准控温的优质方案。TEC（Thermo Electric Cooler）半导 体制冷器是指利用热电材料的帕尔贴效应制取冷量的器件，又称热电制冷器，具有无噪声、无振 动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，易于进行冷量调节。TEC 的重要性对于光模块而言， 不仅在于降温散热，核心在于保持工作波长的稳定，激光器波长会根据自身温度来进行漂移，如 果不控制波长温度，就会引起通道间串扰，TEC 则可以通过该电流精准实现优于 0.1℃的温度控 制。在光模块领域，对于目前的 200G/400G/800G 高速光模块，必须使用 Micro TEC 来实现工作波长的稳定。随着数据中心 400G/800G 模块、长距离相干模块的发展，对微型化的局部精准 控温提出了更高要求，TEC 未来市场前景广阔。
光模块龙头及光芯片技术领先的供应商直接受益于市场增量，对于产业发展趋势更具话语权。目 前，华工科技、源杰科技等多家厂商布局 CPO 领域。其中，华工科技 “光联接+无线联接”的 解决方案市占率行业领先，100G/200G/400G 全系列光模块批量交付，CPO 技术的各种类型 800G 系列产品已经给北美头部厂家送样测试。源杰科技是国内高速率光芯片龙头，公司 CW 大 功率光源可以用于 CPO 领域，已向多家客户送样测试。铭普光磁的光模块产品广泛应用于数通 领域，400G 系列产品已生产交付，800G 光模块预研中，其中 CPO 相关技术是公司未来研发的 重要方向之一。中际旭创、仕佳光子、联特科技等厂商在 CPO 领域亦有所布局。富信科技是目 前国内少数能够批量生产光通信应用高性能超微型热电制冷器件的企业，22 年公司已经具备了年 产 200 万片 Micro TEC 的批量化生产能力。
2 LPO 是短中期极具性价比的过渡方案
LPO 光模块在功耗、时延方面更优，设计核心在于去 DSP 化。 LPO（Linear-drive Pluggable Optics）线性驱动可插拔光模块是基于 Linear Driver 芯片技术实现的可插拔光模块， 线性驱动的方案的直接表征在于去 DSP 化，在数据链路中只使用线性模拟元件，无 CDR 或 DSP 的设计方案。DSP 是数字信号处理器，随着高性能 DSP 不断迭代，目前整体来看高速率 光模块中 DSP 芯片功耗占比约在 50%的水平。因此 LPO 去 DSP 在可插拔光模块上具备显著 的低功耗优势。
短距离、低功耗、低时延、低成本特性使得 LPO 方案适配 AI 计算中心。LPO 方案的特点是适 用于短距离、低成本、低功耗、低时延。根据草根调研，LPO 方案较之传统可插拔光模块方案成 本保守估计可降低 15%，功耗降低 50%，时延可从微妙级降至纳秒级。这些都是取缔 DSP 而产 生的优势，但也在信号恢复方面有所牺牲。目前的 LPO 方案其信号恢复性能主要由 Host 交换芯 片所含的收发 DSP/Serdes，以及线性直驱 driver 中的 CTLE 和 TIA 中的 Pre-emphasize 来补偿。
加速落地，高线性度 TIA/Driver 厂商大力推进 LPO 方案。Macom、Semtech、美信等电芯 片实力强劲的厂商，在 DSP 领域不及博通、Inphi，从而希望通过 LPO 方案绕开 DSP 短板。因 此这些厂商有很强的驱动力与光模块封装设计厂商合作，比如目前 Macom 与剑桥科技的战略合 作等。加上 LPO 方案在性能、成本等方面确有不小的优势，契合服务器厂商需求，整体推进速 度较快。 华工科技、新易盛、中际旭创等 LPO 进度较快的厂商有望率先发力。其中，华工科技积极布局 LPO 方案，结合 LPO 技术 800G 系列产品都已经给北美头部厂家送样测试。新易盛作为高速率 光模块供应商，在 LPO 技术领域已深入布局，OFC 2023 期间推出多款相关产品，与主流厂商和 用户建立起了良好合作关系，并积极推动 LPO 相关测试项目的进展，力争在 LPO 相关产品的市 场竞争中占得先机。
3 硅光集成趋势下光引擎地位凸显
“以光代电”，硅光模块对比传统光模块在高速率领域具有高集成度、低成本、低功耗的显著优 势。硅是用量最大的半导体晶圆材料，具有低成本和加工工艺成熟的优势。硅光基于硅和硅基衬 底材料，通过 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光模块产生的核心理念是 “以光代电”，即利用激光束代替电子信号进行数据传输。普通光模块采用分立式结构，光器件 部件多，封装工序较为复杂，从而需要投入较多人工成本，而硅光模块由于芯片的高度集成，组 件与人工成本也相对减少。在 400G 及以上的高速率的场景中，传统 DML 和 EML 成本较高， 硅光模块成本优势更为显著。
硅光芯片中的光器件分为有源器件和无源器件。硅光芯片中的有源器件包括激光器、调制器和光 电探测器；无源器件包括平面波导、光栅或边缘耦合器等。基于这些元器件，可以构成光发射/接 收芯片，并开展列阵化的应用，最终通过光子集成技术（PIC）来实现硅光芯片。其中，核心硅 光芯片器件主要包括硅基激光器、硅光调制器、光电探测器、无源复用技术等。
光引擎产品形态顺应集成化发展规律。光引擎指的是光收发模块中负责处理光信号的部分。而高 速光引擎是高速光收发模块的核心器件，在高速发射芯片和接收芯片封装基础上集成了精密微光 学组件、精密机械组件、隔离器、光波导器件等，实现单路或者多路并行的光信号传输与接收功 能。 硅光芯片集成高速光引擎趋势确定性强。硅光技术将硅光模块中的光学器件、电子元件整合到一 个独立的微芯片中，使光信号处理与电信号的处理深度融合，实现真正意义上的“光互联”。硅 光集成大规模应用之后，电芯片和硅光集成芯片与光纤连接，形成光引擎。相比分立器件光模块， 硅光器件不需要 OSA 封装，具有低成本、高性能的优势。向硅光芯片集成高速光引擎的发展趋 势是目前行业共识。
硅光及光引擎顺应光模块集成大趋势，华工科技、源杰科技、立讯精密等厂商有所布局。华工科 技积极推进硅光技术应用，现已具备从硅光芯片到硅光模块的全自研设计能力，800G 硅光模块 已正式面市。源杰科技 50G 、100G 高速率激光器芯片产品以及硅光直流光源大功率激光器芯片 产品向商用推进，目标在高端激光器芯片产品的特性及可靠性方面对美、日垄断企业的全面对标。 立讯精密 800G 硅光模块已在多家客户完成测试，小批量交付正在准备中。
4 “相干下沉”+相干光链路空间可期
数据中心光互联方案可根据其传输距离来选择两种支撑技术，直接探测技术与相干探测技术。随 着光模块速率的不断提升，直接探测方案的传输距离将受到限制，相干探测凭借着高容量、高信 噪比等优势得到广泛应用。 相干探测调制方式灵活、灵敏度强，适用于长距离传输。相较于传统光接收机只响应光功率的变 化，相干探测可探测出光的振幅、频率、位相、偏振态携带的所有信息，并且取代传统光复用技 术的大频率间隔，具有以频分复用实现更高传输速率的潜在优势。相干检测能改善接收机的灵敏 度，在相同的条件下，相干接收机比普通接收机提高灵敏度约 20dB，可以达到接近散粒噪声极 限的高性能，因此也增加了光信号的无中继传输距离。 “相干下沉”+相干光链路需求提升驱动相干光通信市场增长。目前全球通信市场主要采用“相 干下沉”的解决方案，相干技术从过去的适用于大于 1000km 的骨干网，逐步下沉到传输距离为 100km 到 1000km 的城域网，甚至小于 100km 的距离的边缘接入网，以及 80km 至 120km 的数据中心互联领域。在数通领域，相干技术也已经成为数据中心间互联的主流方案。预计未来 几年相干光链路的用量将迎来井喷式增长。
相干光随应用距离下沉，市场增量可期，华工科技、中际旭创等厂商有望受益。华工科技的相干 光模块产品在北美市场表现亮眼，推出了全球第一个 400GZR+PRO 产品，在发射光功率、接 收灵敏度、光的性噪比方面优于业界水平。中际旭创拥有长距离传输功能的相干光模块产品，助 力“东数西算”工程和算力枢纽建设。
5 薄膜铌酸锂调制器有望借势破局
电光调制器是超高速数据中心和相干光传输的核心光器件，体材料铌酸锂具备优势。电光调制器 通过调制将通信设备中的高速电子信号转化为光信号，是光通信系统中不可或缺的一环。目前光 调制的技术主要基于硅光、磷化铟和铌酸锂三种材料平台的电光调制器。其中铌酸锂电光系数显 著高于磷化铟，而硅没有直接电光系数，因而铌酸锂调制器是大容量光纤传输网络和高速光电信 息处理系统中的关键器件。
薄膜铌酸锂调制器芯片突破原有瓶颈，具有性能高、尺寸小、成本低的特性，有望成为高速光互 联新宠。新一代薄膜铌酸锂调制器芯片技术将解决尺寸大不利于集成的问题。铌酸锂材料通过新 型微纳工艺，在硅基衬底上蒸镀二氧化硅（SiO2）层，将铌酸锂衬底高温键合构造出解理面，最 后剥离出铌酸锂薄膜。该工艺下制备出的薄膜铌酸锂调制器芯片具有高性能、低成本、小尺寸、 可批量化生产且与 CMOS 工艺兼容等优点，是未来高速光互连极具竞争力的解决方案。
薄膜铌酸锂调制器芯片的关键制备技术为铌酸锂薄膜的图形化。铌酸锂单晶薄膜相对较硬，组分 特殊，难以刻蚀。目前已公开的铌酸锂薄膜图形化技术路线中，主要包括电子束光刻（EBL）+干 法刻蚀/湿法刻蚀、紫外+干法刻蚀、DUV+干法刻蚀四种。其中，相对于湿法刻蚀，干法刻蚀对 薄膜铌酸锂的形貌和刻蚀速率的可控性更高，运用 EBL+干法刻蚀的路线能够充分发挥电子束光 刻加工精度高、版图设计灵活、无需掩膜版直接曝光等优点。
薄膜铌酸锂技术壁垒高，行业先发优势或成卡位关键。电信级铌酸锂高速调制器芯片产品设计难 度大，工艺非常复杂。根据智研咨询数据，全球主要批量供货体材料铌酸锂调制器的企业为富士 通、住友和光库科技三家。而薄膜铌酸锂在此基础上通过上下分布二氧化硅压缩光斑，拉近电极 的距离，提高电场、射频带宽，技术壁垒再上一个台阶。目前在薄膜铌酸锂领域已有布局的厂商 或可保持先发优势，深度收益于超高速率电光调制器需求提升。
薄膜铌酸锂调制器产业链有望借势打开局面，福晶科技、光库科技等厂商具备关键核心能力。福 晶科技是全球非线性光学晶体龙头，开展独立自主研发，能够提供各种规格高质量的铌酸锂晶体， 相关产品已成功推向 Lumentum 等光器件厂商。光库科技在 2019 年收购 Lumentum 的铌酸锂高 速率调制器生产线进入该领域，掌握了包括芯片设计、芯片制程、封装和测试等核心技术，具备 开发 800G 及以上速率的薄膜铌酸锂调制器芯片和器件的关键能力。
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