光模块工作原理、产业链、技术演进、市场规模及需求分析

光通信核心部件，AI 算力带动高速光模块需求提升。

1、 光模块为光通信中实现光电转换的核心部件

光模块是光通信中实现光电转换和电光转换的光电子器件。技术上，接收端设 备只能识别电信号，无法直接对接收到的光信号进行识别，需要借由光模块完成电 光与光电信号之间的转换。在传输的起点，光发射器通过芯片的驱动，将原始电信 号转换为光信号，经由激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出调制光信号；在 接收端，由光检测器检测识别后，光接收器将光信号还原为电信号，经前置放大器 处理后输出。构成上，光模块由光器件、光接口及功能电路构成，其中光器件包括 光发射器件（TOSA，含激光器）与光接收器件（ROSA，含光探测器）。

TOSA、ROSA 为光模块中核心部件。根据头豹研究院数据，从 2022 年光模块 成本构成来看，光器件约占光模块成本 73%，在光器件中，光接收组件（ROSA）与 光发射组件（TOSA）占其成本的比率约为 80%，两者均为有源光器件，其功能核心 由光芯片构成。TOSA 由激光器、适配器和管芯套构成，在长距离光模块中，还会 加入隔离器和调节环，其中，激光器为 TOSA 核心组件，常见的激光器类型有 VCSEL、 FP、DFB、EML；ROSA 由探测器与适配器构成，其中，探测器为 ROSA 核心部件，常见的探测器种类主要为 PIN-TIA 与 APD-TIA；光芯片（包括光探测器芯片与激光 器芯片）成本约占光器件总成本的 50%，约占 TOSA 与 ROSA 总成本的 85%。

光模块种类丰富，从光模块封装类型的演化来看，光模块正朝着高速率、小型 化、可热插拔的方向发展。根据封装类型的不同，光模块划分为 GBIC、SFP、XFP、 SFP+、SFP28、SFP56、QSFP+、QSFP28、QSFP56、QSFP-DD、OSFP 等。

光模块产业链链条丰富。从产业链环节来看，上游环节包括光芯片制造商和光 器件供应商，负责光模块制造的关键原材料提供；中游环节包括光模块制造商、光 通信芯片制造商以及光通信设备供应商，这些企业负责将光芯片和光器件组装成完 整的光模块，并开发与之配套的驱动电路和控制系统；下游环节主要分为数通市场 和电信市场，包括互联网和云计算企业、电信运营商等最终用户。目前国内厂商主 要集中于光模块组装及无源器件制造，高端有源光芯片尚仍处于进口依赖阶段，国 产光芯片正逐步从低速率向高速率发展。

2、 AI 发展催化光模块加速迭代，降本降耗需求推动多技术演进

随着 ChatGPT 为代表的人工智能大语言模型的发布，催生了 AI 算力需求的激 增，进而拉动800G 光模块需求显著增长，并加速光模块向800G及以上产品的迭代。 数据量、算力需求等的快速提升推动光模块技术路径朝着高速率、低成本、低功耗 方向发展，并驱动相关技术路线变革升级，如硅光、CPO 等。 硅光技术凭借低成本、高集成度发展前景成重要研究方向。硅光子技术是基于 硅和硅基衬底材料，利用现有 CMOS 工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，同 时在峰值速度、能耗、成本等方面均具有良好表现。相较于传统 InP 方案，目前由 于良率和损耗问题，硅光模块方案的整体优势尚不明显，随着技术发展，硅光有望 凭借硅基产业链的工艺、规模和成本优势迎来产业机遇。根据 Lightcounting 的预测， 光通信行业已经处在硅光技术 SiP 规模应用的转折点，使用基于 SiP 的光模块市场份 额有望从 2022 年的 24%增加到 2028 年的 44%。

CPO 低功耗方案或成未来发展方向。光电共封装（CPO）指的是交换 ASIC 芯 片和硅光引擎在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降 低成本和实现高度集成。从 1.6T 开始，传统可插拔速率升或达到极限，后续光互联 升级或转向 CPO 和相干方案。根据 LightCounting 报告，AI 对网络速率的需求是目 前的10倍以上，在这一背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%， 将有效解决高速高密度互联传输场景。根据 Lightcounting 预计，CPO 出货预计将从 800G 和 1.6T 端口开始，于 2024 至 2025 年开始商用，2026 至 2027 年开始规模上量， 主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。全球 CPO 端口的销售量将从 2023 年 的 5 万增长到 2027 年的 450 万，2027 年，CPO 端口在 800G 和 1.6T 出货总数中占 比接近 30%。Yole 报告数据显示，2022 年 CPO 市场产生的收入达到约 3800 万美元， 预计 2033 年有望达到 26 亿美元，2022-2033 年复合年增长率为 46%。

3、 光模块市场模迅速增长，国内厂商全球地位不断凸显

光模块市场规模不断扩张。根据 Yole 数据显示，光模块市场规模由 2021 年的 98 亿美元增长至 2022 年的 110 亿美元，全球光模块市场产生的收入年增长 12.5%。 Yole 预测，到 2028 年，全球光模块市场收入有望达到 223 亿美元，2022-2028 年间 的复合增长率约为 12%。

我国高度重视光通信发展，国内光模块厂商全球市场份额不断提高。根据 Lightcounting 报告显示，2010 年国内光模块厂商仅占全球市场份额的 15%。2021 年 国内光模块厂商市场份额达 51%。2022 年，全球前十光模块供应商全球前十家光模 块厂商中，中国企业从 2010 年的 1 家增长至 7 家，中际旭创与 Coherent 并列第 1， 华为（海思）排名第 3，光迅科技排名第 5，海信排名第 6，新易盛排名第 7，华工 正源排名第 8，索尔思光电（华西股份）排名第 10，中际旭创获得近 14 亿美元的收 入，约占全球光模块市场的 14.58%。

4、 数通和电信市场前景广阔，AI 算力促进光模块需求增长

从市场需求来看，数据中心及电信市场的硬件设备需求增长与技术升级持续促 进光模块市场发展，其中 AI 的快速发展进一步拉动算力需求，光通信网络是算力网 络的重要基础和坚实底座，光模块作为光通信的核心组件，整体光模块产业链有望 充分受益 AI 算力发展。根据 Lightcounting 预测，2024-2028 年，用于人工智能集群 的以太网光模块销售总额将达到 176 亿美元。

4.1、 数通市场：DCI 加速演进，网络架构升级提振需求

全球数据中心市场规模稳步上涨。近年来，由于物联网、云计算、人工智能等 技术的发展，数据中心成为企业存储、处理和管理大量数据的关键基础设施，加之 全球范围内包括视频流媒体、社交媒体、电子商务等用户对于在线服务和内容的需 求不断增加，驱动全球数据中心规模扩张。根据中国信通院数据，2017-2021 年全球 数据中心市场规模从 465.5 亿美元增长至 679.3 亿美元，五年内的年均复合增长率为 9.91%，预计 2023 年全球数据中心市场规模将进一步增至 820.5 亿美元。据 IDC 预 测，2025 年，全球数据量有望达到 175ZB。

海外云巨头高度重视人工智能投入。据 Dell'Oro 统计数据，2022 年全球数据中 心的资本支出增长了 15%，到 2026 年全球数据中心资本支出预计将达到 3,500 亿美 元。2023Q4 海外五大云巨头（亚马逊、谷歌、苹果、微软、Meta）资本开支为 454 亿美元，同比增长 4.7%，环比增长 15.6%。同时，这些公司均表示将继续加大对 AI 领域的投资力度。根据 Counterpoint 的估计，2023 年微软将在人工智能相关的基础 设施上投入最多，其 13.3%的资本支出将用于 AI 领域；其次是谷歌，约占 6.8%。

云计算需求推动网络架构迭代升级。传统的数据中心计算网络由接入层、汇聚 层和核心层组成，以南北流量为主。随着云计算需求的持续增长和数据流量的扩大， 对于网络架构的要求也不断提升，东西流量逐渐成为数据中心内部的主流方式，传 统三层数据中心架构逐渐无法满足云计算厂商的需求，Spine-Leaf 数据中心网络架 构应运而生。Spine-Leaf 网络架构扩大了接入和汇聚层，大大提高了高性能计算集 群或高频流量通信设备的云联网络效率。

数据中心网络架构升级拉动光模块需求上升。随着云计算、大数据、超高清视 频、人工智能、5G 行业应用等快速发展，网络访问频率和接入手段不断增加，网络 数据流量迅猛增长，对数据中心互连提出更高挑战。以 Spine-Leaf 架构数据中心为 例，典型的光互连主要包括数据中心内部与数据中心之间两类，数据中心内部互连 包括服务器到 TOR、TOR 到 Leaf、Leaf 到 Spine 三种场景。其中，数据中心内部互 连在数据中心整体流量分布中占比较大，提高了对高速率、低功耗、低成本和智能 化光模块的需求。另外，由于 Spine-Leaf 数据中心网络架构连接端口众多，信息传 递中使用的光模块数量随之提高，传统三层数据中心网络架构所需光模块数量约为 机柜数的 9 倍，而 Spine-Leaf 网络架构下光模块数量约为机柜数的 44 至 48 倍。

DGX A100 组网架构带动 200G 光模块需求上涨。英伟达 A100 Super POD 数据 中心系统下，A100 Super POD 集群中每 20 个节点组成一个单元（SU），所有节点被 分为 7 个 SU；140 节点的 DGX A100 集群中每台服务器所需 GPU 芯片数为 8 颗， 整个集群供需 140×8=1120 颗芯片。基于 A100+ConnectX6+QM8700 三层网络结构， 第一层架构中每个节点含有 8 个接口，单个节点所需叶交换机数量为 8×7=56 台， 140 个节点所需线缆数量为 20×8×7=1120 条，对应 200G 光模块需求量为 20×8×7 ×2=2240 颗；第二层、第三层架构中所需线缆数与第一层架构相同，对应 200G 光 模块数量为 20×8×7×2=2240 颗。综上所述，A100+ConnectX6+QM8700 网络结构 所需 200G 光模块 2240×3=6720 颗，7 个单元下所需 A100 与 200G 光模块对应数量 关系为 1：6。

DGX GH200 驱动 800G 光模块市场需求扩张。英伟达最新发布的 DGX GH200 超级计算机中引入 NVLink 与 NVLink Switch 方案，搭载 256 颗 Grace Hooper 超级芯 片，每台 NVLink Switch 交换机含有 32 个 800G 接口，铜线方案下两层 Fat-Tree 拓 扑结构中第一层并不涉及光模块的使用，第二层中 36 台交换机共需 36×32×2=2304 颗 800G 光模块；综上所述，256 个 GH200 与 800G 光模块对应数量关系为 1：9。

4.2、 电信市场：电信网络不断发展，运营商重视算力网络投资

5G 业务持续增长。2023 年，我国 5G 基站总数达 337.7 万站，据我们测算，2023 年全年共新建 106.5 万站，为 5G 建设以来历史新高；2023 年 12 月，三大运营商 5G 套餐用户数达 13.73 亿户；2023 年 12 月，5G 手机出货 2420.0 万部，占比 85.6%， 出货量同比上升 4.16%。

“双千兆“政策加快部署，网络基础能力持续优化。2021 年 3 月工信部印发《“双 千兆”网络协同发展行动计划（2021-2023 年）》，提出到 2021 年底，千兆网络具备 覆盖 2 亿户家庭的能力，万兆无源光网络（10G-PON）及以上端口规模超过 500 万 个，千兆宽带用户突破 1000 万户，5G 网络基本实现县级以上区域、部分重点乡镇 覆盖。到 2023 年底，千兆光纤网络具备覆盖 4 亿户家庭的能力，10G PON 及以上端 口规模超过 1000 万个，千兆宽带用户突破 3000 万户，5G 网络基本实现乡镇级以上 区域和重点行政村覆盖，实现“双百”目标。2023 年 5 月工信部等十四部门联合印 发《关于进一步深化电信基础设施共建共享促进“双千兆”网络高质量发展的实施 意见》，明确提出到 2025 年底，电信基础设施共建共享工作机制不断完善，共建共 享水平显著提升，“双千兆”网络建设环境进一步优化。截至 2022 年底，我国光缆 线路总长度达到 5958 万公里，比 2021 年末净增 477 万公里，建成具备千兆服务能 力的 10G PON 端口数达 1523 万个，较 2021 年末增长超 100%。Omdia 数据显示， 大多数国家的 FTTH 基础设施建设势 头正在增强，预计到 2027 年，全球 FTTH 家 庭渗透将超过 12 亿户；全球 PON 设备市场预计在 2027 年超过 180 亿美元。

5G 网络架构推动光模块需求增长。基站作为无线接入侧实现无线终端与核心网 互连的设备，是实现 5G 网络无线覆盖的核心。相较于 4G 基站，5G 基站重构了 BBU 基带处理单元与 RRU 射频拉远单元，原 BBU 功能由 CU 与 DU 两个功能实体整合， 并将原 RRU 与天线合并为 AAU 实体。由 AAU 到 DU、CU、核心网之间的传输路 径被划分为前传、中传、回传三部分。其中，前传主要采用 10G、25G 等较低速率 光模块，中传主要采用 50G、100G、200G 等中低速光模块，回传部分采用的光模块 速率最高，主要使用 100G、200G、400G 光模块。5G 网络架构新增中传部分的传输， 使其对光模块的需求上升。

数字化产业发展，算力网络资本开支扩张。2022 年财报显示，中国移动资本开 支 1852 亿元，其中算力网络资本开支 335 亿元，占比达 18.09%。中国电信同年营业 收入 4750 亿元中，产业数字化收入达 1178 亿元，可比口径同比增长 19.7%，成中国 电信主要收入增长动力之一。中国联通方面，算力网络占中国联通资本开支比例为 16.8%。2023 年，中国移动算力网络计划资本开支 452 亿元，同比增长 34.93%；中 国电信 2023 年 990 亿资本开支预算中，算力网络方面资本开支为 195 亿元；中国联 通 2023 年算力网络资本开支预算为 149 亿元，占资本开支比例达 19.4%，同比增长 20%。

根 Lightcounting 预测，2023 至 2025 年全球电信侧光模块市场份额将分别达到 28.59 亿、31.22 亿、33.55 亿美元，同比增速分别为 10.47%、9.2%、7.46%。