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通信行业专题报告:光器件行业研究框架与投资机会梳理

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2022/06/29 00:57发布
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一、光器件市场概述

光电技术是信息技术的重要分支,应用广泛

光电技术是信息技术的重要分支,信息化时代下光电产业发展迅速。光电技术是获取光子信息或借助光子提取其他信息的重要手段,涉及光子与电子两大信息化社会的关键支柱。自上世纪80年代以来,光电子产品应用日益广泛,从产业链角度看包括光辐射(激光)、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成及光转换(光伏)等多个领域。光电产业市场规模日益增长,据中国光学光电子行业协会,2019年中国光电行业总产值已突破1.5万亿元。当前,一些新兴的应用亦在快速发展,例如AR/VR、激光雷达等。

光通信应用场景:电信网络和数据中心

应用趋势:随着移动互联网和云计算的发展,数据中心的计算能力和数据 交换能力呈指数级增长,光通信的应用主体从运营商网络转向数据中心。电信网络的光通信应用:1980年代光纤诞生以来,光通信应用从骨干网到 城域网、接入网、基站。目前国内传输网络基本完成光纤化,但数据在进 出网络时仍需要进行光电转换;未来向全光网演进。以光模块为例,据 LightCounting数据,电信市场(FTTx+无线前传/中回传+CWDM/DWDM)占比 约为40%-45%。

数通市场:受海外云厂商资本开支驱动,增长稳定性强

整体来看,海外云厂商资本开支维持稳定增长态势。22Q1,海外三大云厂商及Meta资本开支合计355.18亿美元(同比+30%,环比-2.8%)。在全球数据流量快速增长背景下,云厂商资本开支整体呈稳定增长态势。短期来看,据Dell’Oro Group,大多数主要云服务提供商2022年将经历一个扩张周期,驱动2022年全球数据中心资本开支预计超过2400亿美元。

电信市场:受运营商资本开支周期变动影响,波动性较大

u 电信市场是光通信最早发力的市场,主要用于无线接入、固网接入和承载网等,市场受运营商资本开支周期变动影响显著。电信运营商的Capex具有周期性特点,在代际升级的主建设期,运营商Capex会有明显的上升——例如国内13-15年的4G主建设期及19年至今的5G主建设期,运营商资本开支有明显提升。受此影响,电信侧光通信市场的波动性较数通侧更为显著,仍以光模块为例,据LightCounting数据,2013-2015年期间随着4G建设加速,国内电信侧光模块市场快速增长,相同的趋势也在2019年5G建设开启时出现。因此,电信侧光通信市场增长与通信技术代际升级,也即运营商重点投入时期高度相关,相关时点的市场表现更为优异

二、光模块

光模块主要用于实现光、电信号的转换

光模块是用于设备与光纤之间光电转换的接口模块。光模块主要用于实现光电信号的转换。光模块主要由光学器件和辅料(外壳、插针、PCB与控制芯片)构成。光学器件(包括光芯片和光学元件组件)约占光模块成本70%以上,辅料(外壳、插针、PCB与电路芯片等)占光模块总成本近30%。

光发射组件TOSA一般包含激光二极管、背光监测二极管、耦合部件、TEC以及热敏电阻等元件。一定速率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器(LD)发射出相应速率的调制光信号,通过光功率自动控制电路,输出功率稳定的光信号。光接收组件ROSA一般包含光电探测器、跨阻放大器、耦合部件等元件。一定速率的光信号输入模块后由光探测器转(PD/APD)换为电信号,经前置放大器(TIA)放到后输出相应速率的电信号。

光模块规格型号繁多,适用于不同应用场景

光模块种类繁多,有多种分类方式,包括按封装方式、光口速率、传输距离、调制格式、是否支持 波分复用、适用的光纤类型、光接口工作模式、光芯片类型、连接器接头类型、使用方式、工作温 度范围等。例如,400G光模块按照封装方式可以分为CDFP、CFP8、QSFP-DD和OSFP方案。按信号调 制方式可分为NRZ和PAM4调制。按传输距离,可分为SR、DR、FR、LR等。早期的400G光模块用16路 25Gbps NRZ的实现方式,现在主流是4路106Gbps PAM4(400G-DR4,FR4,LR4)的实现方式。

光模块技术升级路线:向更高速率和更低成本演进

光模块速率升级的方法有两种:1、提高单通道的比特速率;2、增加通道数。10G到40G,提升的是通道数;从40G到100G,提升的是单通道波特率;从100G到400G,可用16*25G、4*100G(100G激光器的波特率存在瓶颈,可用50G激光器叠加更高的调制方式,即PAM4;对比传统NRZ调制,PAM4单个脉冲可以传递两比特信息,相同条件下信道容量可以提升一倍),或者采用8*50G方案。

光模块市场空间:预计2026年超过170亿美元

2020年全球光模块市场规模80亿美元,未来五年预计稳步增长。根据LightCounting预测,2016-2018年光模块行业增长平缓,2019年后光模块升级加速,尤其2020年受疫情和新基建政策催化,电信和数通市场需求强劲,全年光模块市场规模为80亿美元,同比增长23%。预计到2026年,全球光模块市场将超过170亿美元,2021-2026年的五年CAGR为14%。

市场结构:数通市场成为光模块需求的核心驱动

光模块按应用场景可以区分为以下几类。以太网光模块:主要用于数通市场,包括数据中心网络、运营商的城域网、骨干网。光纤通道光模块:主要用于数通市场,用于存储和高性能计算网络。光互连光模块:包括AOC,主要用于数通市场,用于短距离(20m以内的)机柜内部的服务器和TOR交换机互联。CWDM/DWDM光模块:用于各类光传输设备,包括数据中心互联和运营商网络;无线前传、无线(中)回传:主要用于电信市场,用于电信运营商网络中的无线接入网。有线接入光模块:主要用于电信市场,用于电信运营商网络中的点对多点光模块。

三、光电芯片

光芯片分类和供应环节

光芯片是实现光电信号转换的核心,光器件在性能提升、成本控制等方面很 大程度上依赖于光芯片。光芯片可以按使用原理分为无源光芯片和有源光芯 片,有源光芯片可以进一步按功能划分为激光器芯片、探测器芯片、调制器 芯片和放大器芯片,无源光芯片可以按功能划分为PLC芯片、AWG芯片、光开 关芯片等;光芯片也可以按基板(衬底)材料划分为磷化铟(InP)、砷化 镓(GaAs)、硅基(Si)等。光芯片的原材料包括衬底材料、电子特气、光 刻胶、湿电子化学品等。

激光器芯片:光发射组件核心

激光器芯片按发光类型可分为面发射芯片(VCSEL)和边发射芯片(FP、DFB、EML)。VCSEL,即垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser),其激光垂直于顶面射出,与一般用切开的独立芯片制成,激光由边缘射出的边射型激光(EEL)有所不同。

高速率光芯片:国产化率很低

国内高速率光芯片严重依赖进口,与国外产业领先水平存在一定差距。25G及以上速率属于高速率光芯片,目前由欧美日领先企业占主导,如Oclaro、Avago、NeoPhotonics具备50G EML芯片能力,DFB和VCSEL激光器芯片大规模商用的最高速率已达到50G,Finisar、AAOI、Oclaro具备50G PAM4 DML芯片的能力。

VCSEL:非通信领域应用广泛

除光通信外,VCSEL主要应用领域包括消费电子以及激光雷达。(1)光通信方面:由于850nm的氧化物限制型的VCSEL具有低阈值电流、较高的弛豫振荡频率等优点,在高速数据传输以及光通信中有望广泛应用;(2)消费电子方面:VCSEL常作为红外光源用于3D成像与传感应用,可分为3D结构光(常用于人脸识别,如iPhoneFaceID)及飞行时间技术(ToF,在AR/VR领域有较大应用需求,如iPhone 12后置D-ToF Lidar);(3)激光雷达方面:多结VCSEL技术的出现,充分发挥其高功率、高效率、高斜率、集成难度低、可靠性高、低功耗等方面的优点,在高性能全固态、远程汽车激光雷达的应用中具有重要意义,有望替代EEL成为未来激光雷达主流激光器。(报告来源:未来智库)

四、光器件

光器件:光模块的重要组成部分,起到光信号处理的重要功能

光器件指的是应用在光通信领域,利用光电转换效应制成的具备各种功能的光电子器件,细分领域众多。按照工作时是否发生光电转换分类,可分为光有源器件和光无源器件两大类,前者需要电源驱动,后者无需电源驱动。

光器件:工艺经验、对光学系统的理解是核心竞争力

工艺经验的积累、对光学系统的理解以及精密、精益加工制造能力是光器件行业核心竞争力。光器件种类多样,产品品质来源于工艺经验的积累、对光学系统的理解以及精密加工制造能力。以天孚通信为例,得益于公司多年积淀并持续改善的工艺技术,保障了产品制造的尺寸精度、生产质量和生产效率。例如公司对陶瓷套管的精密加工可以达到1µm以下的尺寸精度;对光收发接口组件所需的不锈钢零件的精密加工可以达到5µm以下的尺寸精度;拥有高精度贴合,金丝键合技术能力,自动化贴片设备精度可达±0.5um。

光器件竞争格局:格局分散,厂商规模小,行业收购兼并频发

光器件竞争格局:无源光器件市场和有源光器件的中低端领域处于完全竞争阶段,高端有源光器件领域处于相对完全竞争状态。国内光器件厂商多,竞争格局整体较为分散,受限于单个细分市场规模小,多数光器件厂商收入规模小。主要因为光器件定制化程度高,生产需要较多人工,较难形成规模效应,大部分厂商聚焦于个别品类,厂商营收超过10亿元企业较少。

趋势1:光器件向光引擎形态演进

什么是光引擎?光引擎指的是光电转换功能中负责光信号处理的部分。根据天孚通信公司公告,高速光引擎是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。光引擎不仅可以用传统分立式元器件来集成,也可以通过硅光技术来实现,硅光方案涉及的光器件产品包括隔离器、光学透镜、微光学器件、FA产品、PM产品等。

趋势2:光通信器件厂商跨领域布局,寻找新成长曲线

以全球光器件代工龙头Fabrinet为例,其底层核心能力在于其精密机电制造服务能力和精密光学生产和封装能力。公司的应用领域以光通信业务为主,依托在光通信市场积累的能力,积极向非光通信领域步扩张,包括工业激光、智能驾驶、医疗等领域。目前非光通信业务收入占比约20%,根据公司CEO Seamus Grady表示,未来非包括工业、汽车和医疗在内的非通信业务收入有望占到50%。

五、光学元组件

光学元件是光学系统的基础,应用广广泛

光学元件组件是光器件光模块的基础。光通信行业常用的光学元件主要包括滤光片、偏振分束器、微透镜、柱面镜、窗口片、棱镜、波片、反射片等。

除了光通信领域,光学元件广泛应用于视频及图像等成像、传像的光学系统中。光学元件是实现成像和传像的基础,由光学材料加工而成,包括各种球面、非球面、平面、异形的透镜、棱镜、反射镜、滤光片、光栅等,发挥着反射、成像、分光、滤光、传输等作用;光学镜头及模组则是成像和传像的核心,是各下游应用领域的“眼睛”,重要地位日益凸显。同时,高功率光纤激光器的研发和产业化需要泵源、隔离器、合束器等光电子元器件的支撑,光电子元器件直接决定了光纤激光器输出的激光功率水平和性能参数。

精密光学元组件技术成熟、定制化程度高、差异化竞争为主

光学元组件按照精度和用途可分为传统光学元组件和精密光学元组件。传统光学元组件主要应用在传统照相机、望远镜、显微镜等传统光学产品,精密光学元组件主要用于光学检测仪器、医疗设备、激光器、建筑测绘、军用设备等。精密光学元组件具有高精度、高性能的特点,在生产技术、生产工艺以及设备等方面与传统光学元组件存在较大差异。精密光学元组件产业链附加值相对较低,中低端产品受劳动力成本影响较大,目前生产企业主要集中在中国大陆以及部分东南亚国家。

新兴市场:智能驾驶推进,汽车电子领域大有可为

汽车智能化增加车载摄像头、激光雷达等传感器,光学元件/组件有望受益。随着汽车智能驾驶逐步发展,车载传感器搭载数量、种类逐步增多,其中车载摄像头、激光雷达已成为核心传感器:车载摄像头已成为智能汽车标配,据ICV数据,2021年全球单车摄像头平均配置数量为2.3颗,前装车载摄像头总量将达约1.65亿颗,预计2026年将达3.7亿颗,市场规模达到306亿美元。根据BOM成本,车载摄像头中光学镜头、滤光片等光学元/组件成本占比约20%,另据舜宇光学,2021年其光电产品毛利率约10-15%,由此估计,2026年车载摄像头对应光学元/组件(滤光片与车载镜头)市场规模超50亿美元。

*本文来源于 未来智库

*侵权必删

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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