光芯片产业链位置、分类、应用场景及需求驱动力有哪些？

2023 年全球光电子市场规模有望达 454 亿美元。

1.光芯片系光通信核心元件，位于光通信产业链上游

根据 2022 年 11 月 WSTS 的最新数据， 2022 年全球光电子市场规模预计将达到 438 亿美元，相较 2021 年的 434 亿美元成长 1%。 2023 年全球光电子市场规模有望同比增长 4%，达到 454 亿美元。 光芯片是利用光电转换效应制成的光电子器件。光电子器件包括发光二极管、激光器芯片、 探测器芯片、光电耦合器等。在光通信等应用领域中，光芯片位于产业链上游，是光模块 的核心元件，主要由激光器芯片和探测器芯片组成。

受益于全球数据量快速增长，光通信逐渐崛起。在全球信息和数据互联快速成长的背景下， 终端产生的数据量每隔几年就实现翻倍增长，当前的基础电子通讯架构渐渐无法满足海量 数据的传输需求，光电信息技术逐步崛起。光通信是以光信号为信息载体，以光纤作为传 输介质，光芯片实现电光转换，将信息以光信号的形式进行信息传输的系统。光通信传输 过程中，发射端将电信号转换成激光信号，然后调制激光器发出的激光束，通过光纤传递， 在接收端接收到激光信号后再将其转化为电信号，经调制解调后变为信息，其中需要光芯 片来实现电信号和光信号之间的相互转换，光芯片是光电技术产品的核心，广泛应用于 5G 前传、光接入网络、城域网和数据中心等场景，处于光通信领域的金字塔尖。光芯片可以 进一步组装加工成光电子器件，再集成到光通信设备的收发模块实现广泛应用。

光芯片位于光通信产业链上游，光芯片的性能决定了光模块的传输速率。从产业链角度看， 光芯片与电芯片、PCB、结构件以及套管等组成了光通讯产业上游。产业链中游为光器件， 光器件根据组件内部是否发生光电能量转换可分为光无源组件和光有源组件。光无源组件 在系统中消耗一定能量，实现光信号的传导、分流、阻挡、过滤等交通功能，主要包含光 隔离器、光分路器、光开关、光连接器、光背板。光有源组件能够在系统中实现光电信号 的相互转换，实现信号传输的功能，主要包括光发射组件、光接收组件、光调制器等，光发射组件（TOSA）及光接收组件（ROSA）都由光芯片封装而来，再将光收发组件、电芯片、 结构件等进一步加工成光模块。产业链下游则为各种应用领域，包括如光纤接入、4G/5G 移动通信网络，云计算、互联网厂商数据中心等。

光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要用于发射信号，将电信 号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。激光器芯片根 据谐振腔制造工艺的不同可分为边发射激光芯片（EEL）和面发射激光芯片（VCSEL）。边 发射激光器芯片是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，沿平行于衬底表面发射激光，而面 发射激光器芯片是在芯片的上下两面镀光学膜，形成谐振腔，由于光学谐振腔与衬底垂直， 能够实现垂直于芯片表面发射激光。面发射激光器芯片有低阈值电流、稳定单波长工作、 可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点，但输出功率及电光 效率较边发射激光芯片低。面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片主要包括 PIN 和 APD 两类。

光芯片常使用三五族化合物磷化铟（InP）和砷化镓（GaAs）作为芯片的衬底材料。以三 五族元素的化合物构成的半导体材料具有高频、高低温性能好、噪声小、抗辐射能力强、 电子迁移率高、光电性能好等优点，符合高频通信的特点，在高频、高功耗、高压、高温 等特殊应用领域具备独特的优势，因此在光通信芯片领域得到广泛使用。磷化铟（InP） 衬底用于制作 FP、DFB、EML 边发射激光器芯片和 PIN、APD 探测器芯片，主要应用于电信、 数据中心等中长距离传输；砷化镓（GaAs）衬底用于制作 VCSEL 面发射激光器芯片，主要 应用于数据中心短距离传输、3D 感测等领域。

不同光芯片的终端应用场景广泛。激光器芯片，按出光结构可分为面发射芯片和边发射芯 片，面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片主要 包括 PIN 和 APD 两类。根据产业调研，VCSEL 芯片传输距离较短，多用于数据中心内部数 据传输。DFB 芯片价格适中，是目前商用最多的激光器芯片，商用速率最高 50G，价格相 较 EML 更便宜。EML 传输距离长，但价格较高，技术难度也较大，电路设计较繁琐，但传 输速度非常高。而探测器芯片技术壁垒相对较低，国内厂商投入研发的时间相对较早。

2.需求端：数通和电信双轮驱动光芯片向上成长

数据中心和电信双轮驱动，预计 2025 年全球光模块市场规模达 113 亿美元，21-25 年 CAGR 达 11.3%。随着光电子、云计算技术等不断成熟，更多终端应用需求不断涌现，并对通信 技术提出更高的要求。受益于全球数据中心、光纤宽带接入以及 5G 通讯的持续发展，光 模块作为光通信产业链最为重要的器件保持持续增长。根据 LightCounting 的数据，2016 年至 2020 年，全球光模块市场规模从 58.6 亿美元成长到 66.7 亿美元，2025 年全球光模 块市场规模预计将达到 113 亿美元，21-25 年 CAGR 达 11.3%。

核心驱动力一：数通市场持续受益于数据中心架构升级以及国内外互联网厂商云业务相 关建设持续景气

全球数据量的指数级增长，拉动数据中心、服务器、光模块等配套需求。根据应用材料的 数据，机器所产生的数据量在 2018 年首次超越人类所创造的数据量，从 2019 年，每年几 乎以倍数的幅度来增加，从 2020 年到 2025 年，全球数据增量将达到 157 Zetabytes (1 Yotabyte=1000 Zetabytes;1 Zetabyte=1000 Exabytes; 1 Exabyte=1000 Petabytes; 1 Petabyte=1000 Terabytes; 1 Terabyte=1000 Gigabytes)，5 年高达 89%的复合增速。以 这样的速度增长，我们很快在 2028 年就会看到超过 1 Yotabyte 的数据增量。这么庞大的 数据增量，不可能用人工来处理分析，必须建设各种具备高速运算能力的数据中心来过滤、 处理分析、训练及推理，这将持续带动各类光芯片和光模块的需求。根据 Omdia 的数据， 2018 年至 2024 年全球固定网络和移动网络数据量将从 130 万 PB 增长至 576 万 PB，18- 24 年 CAGR 达 28.7%。

全球数据中心数量不断增加，光芯片重要性不断凸显，2025 年全球数据中心光模块市场 规模预计将达到 73 亿美元，21-25 年 CAGR 达 14%。云计算的普及推动了数据中心的快速发展，全球互联网业务及应用数据处理集中在数据中心进行，使得数据流量迅速增长，数 据中心的数量也快速增加。根据 Synergy Research Group 的数据，2024 年全球超大型数 据中心数量将超过 1000 个。而随着终端业务的演进，数据中心需内部处理的数据流量远 大于需向外传输的数据流量，使得数据处理复杂度不断提高。光通信技术在数据中心内的 应用，极大地提高了数据中心的计算能力和数据交换能力。光模块是数据中心内部互连和 数据中心相互连接的核心部件，根据 LightCounting 的数据，2021 年全球数据中心光模 块市场规模预计为 43.8 亿美元，2025 年全球数据中心光模块市场规模预计将增长至 73.3 亿美元，21-25 年 CAGR 达 14%。

数据业务变革导致东西向流量快速增加。数据中心内，我们将网络数据流量分成两类：第 一类是南北向流量，也就是数据中心外部用户和内部服务器之间交互的数据流量；第二类 是东西向流量，也就是数据中心内部交互的数据流量。传统数据中心多承担南北向流量的 任务，完成服务器与外部终端之间的互联任务。但随着数据业务的发展，虚拟化服务器、 软件架构解耦、AI 和 ML 以及软件定义网络（SDN）等新业务形态的崛起，导致数据中心的 流量结构发生了巨大变化，平级设备间的数据流动不断增加，也就是东西向流量不断增加。 根据 IDC 的数据，全球数据正在向核心服务器和边缘服务器转移。2025 年全球有将近 80% 的数据将存储于核心和边缘，较 2015 年的 35%大幅度成长。根据思科的预测，2021 年东 西向流量将占 85%，其中数据中心内部的流量占 71.5%，数据中心之间的流量占 13.6%。

流量结构改变驱动叶脊式架构渐成数据中心主流，光模块需求量倍增。传统的大型数据中 心网络架构通常为三层架构，包含核心层、汇聚层以及接入层。传统的三层网络架构主要 基于南北向流量传输模型而设计，主要满足外部对数据中心的访问。东西向流量的增加， 给传统三层式网络架构带来新的挑战，因为服务器和服务器之间的通信并不能平行进行， 其数据走向必须经过：接入层->汇聚层->核心层->汇聚层->接入层，从而给上层的核心交 换机和汇聚交换机造成巨大负载。随着 IT 基础架构进入云计算时代，传统数据开始向云 数据中心转型，但传统三层式网络架构在云数据中心内效率并不高，因为传统架构中流量 的处理需要经过层层的交换机，导致通信时延较长，同时不同服务器之间通信路径并不确 定，从而导致时延的不可预测性。通讯时延长和不可预测性对于部署在云数据中心上的大 数据等业务来说是不可接受的。因此叶脊式网络架构开始兴起，相较传统网络的三层架构，叶脊式网络架构更加扁平化，且扩大了接入和汇聚层，大大提高网络的效率，特别是高性 能计算集群或高频流量通信设备的互联网络。随着叶脊网络架构的普及，单机柜需要配置 的光模块数量也将显著增加。据中际旭创可转换债券募集书披露，传统三层式架构光模块 相对机柜的倍数为 8.8 倍，当数据中心网络架构向叶脊式过渡后，光模块相对机柜的倍数 将成长到 46 倍。

全球上“云”，光模块作为云 IT 基础设施有望持续受益。虽然我们看到半导体市场正在经 历高通胀、资本开支下降、终端需求放缓等外因冲击，但是以国内外互联网大厂为代表的 CSP 和 MDC 厂商为了满足日益增长的云业务以及随之产生的海量数据存储、运算等需求， 都加大了对数据中心、服务器以及基础网络设施的投资。北美四大 CSP 厂商的业绩指引中 对未来 IT 基础设置及服务器相关资本开支总体保持乐观。 数据中心是云计算和云业务的基础，而云 IT 基础设施主要由交换机、服务器、光模块、 光纤光缆以及其他设备组成。光纤通信具有传输距离长、抗干扰、节省布线空间等特点， 被广泛应用于数据中心服务器、交换机和存储光纤网络中。光模块作为光纤通讯的核心元 件，有望持续受益于服务器市场的增长。此外，英特尔和 AMD 有望在 2023 年推出新一代 服务器平台，大型企业都加大了在边缘服务器、元宇宙、超级计算机以及云服务器上的投 入，这些都将会成为驱动服务器市场取得快速增长的关键因素。IDC 预测到 2026 年全球 服务器销售额将达到 1665 亿美元，22-26 年 CAGR 达 10.2%。

核心驱动力二：电信市场持续受益于以 5G 和千兆光网为代表的“双千兆”网络建设

全球 5G 移动通信网络建设及商用化带动电信侧高速光芯片需求增长。全球正在加快 5G 建 设进程，5G 建设和商用化的开启，将拉动市场对光芯片的需求。相比于 4G，5G 的传输速 度更快、质量更稳定、传输更高频，满足数据流量大幅增长的需求，实现更多终端设备接 入网络并与人交互，丰富产品的应用场景。根据 2022 年 11 月爱立信发布的报告，全球已 有 228 家供应商推出了商用 5G 服务，预计 2022 年底全球 5G 用户将达到 10 亿，2028 年 底全球 5G 用户预计将达到 50 亿，海外 5G 建设将持续加速，北美地区已进入第二波扩建 潮，东南亚和大洋洲的 5G 建设也正在强劲增长。5G 移动通信网络提供更高的传输速率和更低的时延，各级光传输节点间的光端口速率明显提升，要求光模块能够承载更高的速率。 光模块按应用场景分为前传、中回传光模块，前传光模块速率需达到 25G，中回传光模块 速率则需达到 50G/100G/200G/400G，带动 25G 以及更高速率光芯片的市场需求。根据 LightCounting 的数据，全球电信侧光模块市场前传、（中）回传和核心波分市场需求将持 续上升，2020 年全球电信侧光模块市场规模达到 21.66 亿美元，其中前传、（中）回传和 核心波分市场规模分别达到 8.21 亿美元、2.61 亿美元和 10.84 亿美元。2025 年全球电信 侧光模块市场规模预计将达到 33.55 亿美元，其中前传、（中）回传和核心波分市场规模 分别达到 5.88 亿美元、2.48 亿美元和 25.18 亿美元，21-25 年核心波分市场规模 CAGR 达 21%。

“宽带中国”推动光纤网络建设，“铜退光进”推动光芯片用量提升。FTTx 光纤接入是全 球光模块用量最多的场景之一，而我国是 FTTx 市场的主要推动者。受制于电通信带宽限 制、损耗较大、功耗较高等因素，运营商逐步将铜线网络替换为光纤网络。目前全球运营 商骨干网和城域网已实现光纤化，部分地区接入网已逐渐向全网光纤化演进。PON 技术传 输容量大，相对成本低，维护简单，有很好的可靠性、稳定性、保密性，已被证明是当前 光纤接入中非常经济有效的方式，是实现 FTTx 的最佳技术方案之一，已成为光纤接入技 术主流。目前 PON 技术主要包括 APON/BPON、EPON、GPON 和 10G PON 等，当前主流的 EPON/GPON 技术采用 1.25G/2.5G 光芯片，并逐渐向 10G 光芯片过渡。10G PON 技术支持数 据上下传速率对称 10Gbps，能够更好地满足各类高速宽带业务应用的接入网络需求。根 据 LightCounting 的数据，2021 年 FTTx 全球光模块市场出货量预计为 5955 万只，市场 规模为 5.23 亿美元。随着新代际 PON 的应用逐渐推广，2025 年全球 FTTx 光模块市场出 货量预计将达到 9208 万只，21-25 年 CAGR 达 11.5%。2025 年全球 FTTx 光模块市场规模 预计将达到 6.31 亿美元，21-25 年 CAGR 达 4.81%。

高速光芯片渐成行业趋势，市场增速远高于中低速光芯片。随着云计算、人工智能和机器 学习等业务的兴起，数据中心趋于更高速率发展，服务器、交换机等网络设备也向着更高速率和更高性能发展，因此高速光模块的需求不断增加。近年来，交换机互联速率逐步由 100G 向 400G 升级，且已逐渐出现 800G 需求。根据产业调研，目前海外的数据中心以 400G 光模块为主，而 800G 光模块仅有个别厂商可以做小批量供应，2023 年下半年预计将会有 1.6T（8*200G 或 4*400G）的光模块进入数据中心进行验证。国内的数据中心多以 200G 和 400G 光模块为主，在高速光模块的导入进度上要慢于海外数据中心。目前 10G 及以下速 率的光芯片产品基本已经全部实现国产化，公司 25G 光芯片已通过大客户认证，未来有望 配套光模块厂商进入国内外数据中心。在对高速传输需求不断提升背景下，25G 及以上高 速率光芯片市场增长迅速。根据 Omdia 对数据中心和电信场景光芯片的预测，高速光芯片 增速较快，2021-2025 年 25G 以上速率光模块所使用的光芯片占比逐渐扩大，整体市场空 间将从 19.13 亿美元增长至 43.40 亿美元，21-25 年 CAGR 达 22.7%。