光模塊概述
1.1
光模塊-光通信系統的核心，構建高速信息網絡的基礎
由于現代通信都是由光纖光纜傳輸，而終端發送和接收都是電信號，所以兩端需要有光電信號的轉換裝置——光模塊。
光模塊由接收部分與發射部分組成，其中發送端把電信號轉換成光信號，通過光纖傳送后，接收端將光信號還原為電信號。光模塊作為光電轉換元器件，產品種類多，已大量應用于通信行業和數據中心行業。當前通信行業10G和數通行業100G產品種類最為齊全，是市場主力。未來通信行業25G/100G光模塊和數通行業400光模塊為下一代產品。
圖：光模塊內部結構
資料來源：IMT-2020（5G）推進組《5G承載光模塊白皮書》
1.2
從成本構成角度理解光模塊
光模塊產品所需原材料主要包括光器件、電路芯片、PCB 以及結構件等。其中，光器件占光模塊成本達到70%+，具體看光器件，以激光器為主的發射組件就占了光器件近一半的成本，以探測器為主的接收組件占比達到32%，兩者合計占光器件成本為80%。
光模塊成本構成圖（數據來源：紅塔證券）
貳
光模塊需求邏輯及市場規模
2.1
依托5G與數據中心“新基建”雙重驅動，高速光模塊市場迎來爆發式增長機遇。
運營商發力5G基站建設，2019年我國已建成超過13萬個5G基站，2020-2022年為5G主建設期，光模塊作為5G網絡的基礎構成單元，廣泛應用于無線及傳輸設備（5G前傳、中回傳、傳輸市場等），5G驅動電信市場光模塊新一輪增長。
5G網絡建設對光模塊需求（資料來源：WIND，開源證券研究所）
伴隨5G時代流量需求爆發增長，帶動全球IDC高速發展。為滿足大帶寬需求，新一代數據中心網絡架構表現為更多的橫向流量，帶來更多的互連需求。云計算巨頭（亞馬遜、谷歌、Facebook、微軟）資本開支已于2019Q2逐步回暖，隨著資本開支回暖和數據中心的代際更迭，云基礎設施建設將有望迎來上升期，打開數通光模塊需求空間。國內方面，隨著國內企業上云的加速、5G商用后移動數據流量的提升，推動國內云計算巨頭提升資本開支以提高其處理數據能力。
全球主要云計算廠商資本開支（百萬美元）及同比增速
數據來源：Bloomberg，東吳證券研究所
5G與云數據中心共振，驅動光模塊行業走向高景氣
2.2
市場規模
根據Yole最新報告，光模塊市場規模2019年達到近77 億美元，依托5G與數據中心“新基建”雙重驅動，2025年市場規模預計177億美元。
從細分市場看，數通（應用于IDC）用光模塊增長遠高于電信用光模塊（7%），實現年復合增長率20%，預計2025年實現近121億美元市場規模。
2019-2025 光模塊市場增長預測（單位：美元）
資料來源：yole
產業鏈分析
叁
光模塊產業鏈分工明確，高端光模塊國內廠商逐步突破
光模塊產業鏈公司分布
光模塊產業鏈遵循芯片（襯底-外延片-芯片）—>器件—>模塊—>客戶流程。
整體來看，受歷史原因影響，歐美日等發達國家技術起步較早，因此專注于芯片和產品的研發，擁有較大的技術優勢。中國憑借著勞動力優勢，在產業鏈的中游占據較大市場份額，我國已經成為全球光模塊制造基地，從OEM、ODM模式發展為多個全球市占率領先的光模塊品牌。
國內光模塊產業，越往上游越薄弱，技術壁壘越高。襯底幾乎壟斷在日美廠商手中（住友化學、AXTI等），芯片層面，越高速率光模塊其光芯片成本占比越高（如下圖）。國內企業具備10G及以下中低速激光器能力，25G光芯片僅源杰半導體（DFB）、索爾思（EML）等具備供貨能力，技術瓶頸較高，突破需要時間積累。
光芯片在不同級別光模塊中的高成本占比
資料來源：紅塔證券
中游光模塊市場屬于“勞動+工藝”密集型產業，由于對勞動力成本要求較高，日美廠商沒有競爭優勢，產業鏈進一步向國內集中。中游市場規模大，但行業競爭廠商眾多，且大部分公司集中于100G以下低速光模塊封裝，應用領域更多集中于電信市場，針對具備更大應用潛力的數通市場，國內只有中際旭創（300308）具備供貨能力。
下游主要為設備商（華為、中興等）、數據中心廠商（谷歌、亞馬遜、微軟、Facebook、阿里巴巴、騰訊等）、運營商等。
肆
行業技術路線
硅光技術持續發展，技術上不斷取得突破
4.1
硅光技術及其優勢
全球數據流量呈快速增長態勢，對傳輸需求逐步提升。目前，傳統光模塊主要利用III-V族半導體芯片、電路芯片、光學組件等器件封裝而成，本質上屬于“電互聯”范疇。隨著晶體管加工尺寸逐漸縮小，將逐漸面臨傳輸瓶頸。目前，對于傳統的三五族半導體光芯片，25Gbps已接近傳輸速率的瓶頸，進一步提升速率需要采用PAM4 等技術。隨著高速光模塊在數據中心的大量運用，傳統III-V 族半導體的光芯片將面臨并行傳輸、三五族磊晶成本高昂等問題。在此背景下，硅光子技術應運而生，成為III-V 族半導體之外的一大選擇。
在硅光子技術中，芯片的概念由原先的激光器芯片延伸至集成芯片。硅光芯片將多個光器件集成在同一硅基襯底上，一改以往器件分立的局面，芯片集中度大幅提升。硅光子技術主要有以下優勢：
集成度高。硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底。硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的硅CMOS 工藝制作光器件。與傳統方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的集成度。
成本下降潛力大。在光器件和光模塊中，光芯片的成本占比較高。傳統的GaAs /InP 襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，硅基材料成本較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。
4.2
硅光技術發展趨勢及市場規模
從發展歷程看，硅光集成技術將遵循由光子集成→光電集成的發展過程，待技術成熟后指向芯片內部光互聯。目前，通信領域的硅光模塊屬于光子集成范疇，從制造工藝看可分為兩類：單片集成與混合集成。目前已量產的硅光模塊中，基于硅襯底的混合集成是主要方式。
硅光集成技術發展趨勢示意圖
資料來源：《光子集成研究進展》，長江證券研究所
從市場規模上看，硅光模塊市場規模增長較快。據Yole預測，硅光模塊在2018年-2024年間的復合年增長率將達到44.5%，有望從2018年的4.55億美元增長到2024年的40億美元，2024年占整體市場規模21%。
資料來源：Yole、招商證券
4.3
硅光子市場國內外布局情況
國內
?Intel（IDM模式）：數據中心硅光模塊500m距離批量供貨；產品有100GPSM4產品、100GCWDM4產品；
?CISCO：收購硅光子企業Acacia（Fabless模式，硅光相干模塊已向電信客戶量產出貨）。
國外
?中際旭創：400G硅光芯片及相干技術在研；100G產品無硅光技術；
?光迅科技：研發100G硅光芯片通過測試并投產；
?亨通光電：通過英國亨通洛克利（Rockley）布局硅光模塊，開發出 100G AOC、100G PSM4、100G CWDM4 硅光模塊，并逐步形成量產，同時正加快推進400G硅光模塊的研發產業化；
?博創科技：400G QSFP-DD 數據通信硅光模塊解決方案DR4(500m)和DR4+ (2km)。另博創科技、源杰半導體、Sicoya等成立合資公司布局硅光模塊，三者分別提供封裝集成能力、激光器芯片、硅光芯片。
4.4
硅光技術尚未成熟，行業技術格局穩定
由于傳統的EML/DML信號調制方式已接近帶寬極限，對硅光來說是一次彎道超車的機會，但：硅光技術尚未成熟，行業技術格局仍將保持穩定。主要表現為：
硅光產品良率較低、傳輸損耗較大，硅光方案成本優勢不明顯。由于InP和GaAs（III-V族材料）晶圓尺寸較小，材料成本高，加工成本較高，業內人士希望通過大尺寸、加工技術成熟的硅晶圓替代InP和GaAs，但是由于硅是間接帶隙材料，硅發光效率極低，若采用硅光技術來制作光模塊，光源成為一個難點。另外從生產成本、材料本身的特性考慮，硅光難以取代現有III-V族技術，尤其是在長距傳輸中。
未來硅光可能在相干光通信和400G光模塊（短距超高速傳輸）中有部分應用。比如100G硅光模塊在PSM4（500m）和400G硅光模塊在DR4（500m）場景下有成本競爭優勢。
伍
行業競爭
5.1
從產品角度，400G光模塊成為市場競爭主力產品
從產品角度看，目前100G光模塊對傳統10G、25G光模塊進行加速迭代，成為當前主力產品，未來仍將持續擴大，即使未來400G作為下一代主流產品推向市場，隨著整體市場的增量和迭代周期的存在，100G產品的需求量仍將持續擴大并維持一段時間。
各類別數通光模塊全球出貨量（個）分析
資料來源：LightCounting
另外，超大規模數據中心建設引領光模塊進入400G 時代，從現有技術規格來看，400G 光模塊主要分為OSFP（25G PAM4*8;更適合電信；）、QSFP-DD（50G NRZ*8；適合短距數據中心）、CFP8 三種方案。當前400G模塊的需求來源是云廠商，對于其超大數據中心而言，并不要求長距離傳輸，對能耗指標和尺寸要求較高，QSFP-DD為數據中心400G光模塊首選。
從部署時間上來看，北美數據中心2020年進入100G/400G過渡階段，國內數據中心部署進度落后1到2年。云巨頭部署400G網絡后，400G相關產業鏈才會進入規模化部署階段：對光模塊、光纖連接器、高速PCB板等逐一升級。
5.2
從公司角度，產業鏈向國內轉移，改變光模塊產業鏈格局
資料來源：Yole
從細分領域電信市場看，海外廠商主要有Finisar、Lumentum、II-VI、Acacia、Oclaro等國際知名企業，其占據高端光模塊市場；國內廠商聚焦在無線接入、FTTH及城域100G以下速率產品；如光迅科技、新易盛、華工正源等。
從細分領域數通市場看，根據2019年全球光模塊市場銷售情況及對光模塊公司下游客戶的分析，目前國內外數通領域（應用于IDC）具備高速光模塊供貨能力企業有中際旭創（300308）、海外AAOI（應用光電）和Finisar（菲尼薩）。
陸
把握光模塊行業景氣周期，行業投資邏輯梳理
第一
高端產品線布局
光模塊的小型化、低成本以及高速率是產品迭代的主要方向，高端產品布局是企業盈利的重要一環。針對未來高速增長的數通光模塊市場，400G產品是光模塊廠商競爭核心點，也是行業內占據利潤制高點的產品。按照云計算廠商部署400G數據中心規劃，光模塊作為400G網絡相關產業鏈，未來5年銷售額205%速度增長，2023年占據市場份額25%。以國內數通光模塊龍頭中際旭創為例，目前具備400G單模量產能力，主要做技術含量、利潤率均高的光模塊，而且具有較高的規模效應和產品良率，毛利率保持行業領先。
第二
成本控制能力
下游客戶主要關注產品成本、性能，即性價比，尤其是云計算廠商：Facebook、AWS、微軟等，其更新換代相較電信會更快，所以同等性能下成本尤為重要。從另一個角度看，伴隨下一代更高速率產品的量產，低速率產品價格必然會下降（行業均價：未來逐步將至1美元/G，甚至更低）。以100G產品為例，目前國內售價120美金-150美金，未來會持續下降，為保證一定利潤空間，必須具備成本控制能力，比如培養供應鏈實現核心原材料降本、國產替代降本、產品設計降本、基于工藝優勢提升產品良率降低制造成本、人力降本、規模化生產后降本等等。
第三
工藝/技術壁壘
光模塊屬于工藝密集型行業，涵蓋核心光學工藝、電路設計、器件及模塊封裝工藝等要素，Know-How高。尤其高端光模塊，技術壁壘很高，企業需要持續加大研發投入，關注公司具備的涉及光、電層面的工藝。目前為實現光模塊產品更低成本、更高速率、更高集成度，相較于傳統光模塊廠商分立器件組裝，硅光技術的光模塊逐步發展起來，但硅光產品良率低、傳輸損耗大，未來400G硅光模塊預計在DR4（500m）短距場景下有成本競爭優勢，因此硅光技術布局也可以作為關注點之一（比如博創科技（300548）、源杰半導體），但其短期內不會因硅光技術變革對光模塊行業格局產生影響。另外，工藝Know-How依賴團隊，關注團隊產品設計層面、工程方面的人員配置。
第四
客戶資源優勢
進入下游頭部客戶供應鏈體系是產品具備市場競爭力的最優體現。云數據中心是100G、400G光模塊產品主要的需求方，目前能規模供貨云數據中心的有中際旭創（供貨Google、AWS等）、AAOI（供貨Facebook、微軟、AWS、Cisco等）、Finisar（供貨Cisco、華為等），可關注行業內其它具備數通光模塊供貨能力的企業，在高速增長的市場驅動下，有望快速形成全球營收規模。
第五
量產能力
光模塊市場需求遠大于供給，未來5年屬于產業周期上升期，企業需要抓住行業機遇，具備產線、足夠產能、快速落地能力等，行業內頭部下游客戶也會對供應商有最低產能要求；另外，從產品設計、進一步優化、送樣客戶測試、小批量供貨至最終量產，不確定較大，需關注企業產品具體進展。
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