光通信行业深度研究报告

CYHY2503材韵战新研究院2025年4月一、全文概要 1二、光通信概述 2三、光通信行业与市场 3（一）行业分类 3（二）行业发展现状 3（三）行业政策 5（四）产业链结构 6（五）市场规模 6（六）市场格局 7四、光通信产品说明 9（一）通信芯片 9（二）光器件 16（三）光模块 22（四）光通信设备 26五、应用场景 27六、技术发展趋势 28（一）硅光芯片（硅光集成） 28（二）高速光芯片 29（三）电芯片 29一、全文概要光通信即光纤通信，以光波为信号载波、以光纤为传输介质，是目前主流的固定网络通信方式。光通信变革从广域网、城域网到局域网，正在逐步取代电信号的信息传光通信设备属于华为和中兴的主要优势领域，已取得全球领先地位；光模块领域，近年中际旭创、光迅科技、新易盛等企业发展迅猛，国际市占率快速提升。光器件和光芯片领域，我国企业尚集中在25G以下中低端领域，仅少部分厂商实现25G及以上高速光芯片批量发货，但布局的企业数量众多、发展速度较快。光通信产品链中，上游为光芯片，中游为光器件，下游为光模块，最终应用领域为数通市场和电信市场等光通信设备。光通信下游应用领域主要分为电信市场、数通市场、新兴市场。技术发展趋势主要包括硅光芯片、高速光芯片和电芯二、光通信概述光通信即光纤通信，以光波为信号载波、以光纤为传输介质，是目前主流的固定网络通信方式。光通信系统中信号传输流程为：光信号产生、光信号调制、光信号传输、光信号处理、光信号探测、光电信号转换，如图2-1所示。目前IT系统信号源为电信号，信号传输载波为光信号，接收端处理信号为电信号，因此光通信系统中需要进行数次光-电转换，对光、电信号的处理是光通信芯片的核心。三、光通信行业与市场（一）行业分类（GB/T4754-2017），光通信所属行业为计算机、通信和其他电子设备制造业（C39）。（二）行业发展现状自1980年代光纤诞生以来，光通信技术引领了信息技术革命性变革，光通信以光波作为信息传输的载体，以光纤作为信息传输媒介，具有高速率、大容量、长距离、低损耗、体积小、重量轻、抗干扰能力强等优势，在无线通信、光纤宽带、数据中心和消费电子等领域广泛应用。随着数量流量的增长，电子器件存在的带宽限制、容量不足、高功耗等缺点凸显，在通信网络中出现了“电子瓶颈”的现象。此外，基于铜线互连的链路在10Gbps以上速率出现明显的瓶颈，无法满足计算和数据快速增长的需求。为解决该瓶颈，光通信应运而生。光通信变革从广域网、城域网到局域网，正在逐步取代电信号的信息传输，如图3-1所示。1980年代，光通信首先在广域网应用，随着成本的逐步降低，在城域网又广泛使用。20世纪90年代，数据流量快速增长，光通信进入园区、企业层面的中短距离局域网应用领域。2000年后，超级计算和大型数据处理需求增长，光通信在数据中心的系统机架间开始广泛使用，大幅提升了系统级数据处理速度。随着全球数据流量的持续增长，光通信未来将逐步实现板卡级、模块级、芯片级的高速传输，向全光网演进。全光网是指数据只是在进出网络时才进行电光和光电转换，而在网络中所有传输和交换的过程始终以光的形式存在。在全光网中，由于没有光电转换环节，支持各种不同协议和编码形式，信息传输具有透明性，数据传输效率进一步提升。光互连演进到计算机系统内部，从机架级、设备级、板卡级到芯片级，推动着计算机体系架构对网络速度的不断突破。计算机系统外部的互连线缆已实现从无源铜缆、有源铜缆到有源光缆的逐步升级，在数据中心已广泛使用。计算机系统内部PCB电路板升级到OPCB光路板，芯片铜线互连升级到芯片光互连，可满足未来更高速率的数据计算处理需求，可大幅提升计算机系统的数据处理能力，未来具备较大的市场空间。（三）行业政策我国光通信相关政策主要分布在5G通信、数据中心等“新基建”政策及数字经济政策中，如表3-1所示。年础设施。建设高速泛在、天地一体、年“十四五”部年年院（四）产业链结构光通信产品链中，上游为光芯片，中游为光器件，下游为光模块，最终应用领域为数通市场和电信市场等光通信设备，如图3-2所示。相关产品介绍见第四章。（五）市场规模根据相关行业研究，光通信市场规模整体统计如表3-2高高中低（20%~（六）市场格局全球和我国在光通信设备、光模块、光器件、光芯片领域的TOP5企业及市场格局如表3-3所示。光通信设备属于华为和中兴的主要优势领域，已取得全球领先地位；光模块领域，近年中际旭创、光迅科技、新易盛等企业发展迅猛，国际市占率快速提升。光器件和光芯片领域，我国企业尚集中在25G以下中低端领域，仅少部分厂商实现25G及以上高速光芯片批量发货，但布局的企业数量众多、发展速度较快。需要说明的是，电芯片领域，对于高频信号处理能力要求很高，国产化比例低于2%，国产替代任重道远。目前主要是欧美厂商（Maxim、TI、ADI、Acacia等）提供。四、光通信产品说明（一）通信芯片通信芯片包括实现光信号产生、处理的光芯片；光信号调制、电信号处理的电芯片。光芯片分为光有源芯片和光无源芯片，如表4-1所示。（1）激光器芯片激光器芯片将电激励作为泵浦源，以半导体材料为增益介质，通过谐振腔选模放大，进而输出激光，完成光电转换，如图4-1所示。泵浦源负责向增益介质粒子提供能量；增益介质用来提供向其中，高能级跃迁的粒子；谐振腔指使光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。b.激光器芯片分类按照谐振腔制造工艺差异，激光器光芯片可分为边发射激光器芯片（EEL）与面发射激光器芯片（VCSEL）两类。EEL在芯片两侧镀光学膜形成谐振腔，VCSEL在芯片上下两面镀光学膜形成谐振腔，如图4-2所示。EEL与VCSEL各具优势，EEL的输出功率、电光转化效率更高，VCSEL阈值电流低、单波长工作稳定、可高效调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、制造成本低。EEL进一步分为FP/DFB/EML三类，分别适用于低速率短距离传输、高速中长距离传输、高速率长距离的传输（信号传输质量高，价格与能耗较高）。VCSEL、FP、DFB、EML光芯片的特性与主要应用场景如表4-2所示：c.激光器芯片材料三五族化合物属于直接带隙结构的半导体材料，电子跃迁的效率较高，更适用于制作激光器芯片。其中GaAs电子迁移率高、禁带宽度大，多作为VCSEL面发射激光器芯片衬底；InP电光转换效率高、电子迁移率高、抗辐射，多作为FP、DFB、EML边发射激光器芯片衬底。（2）探测器芯片依托光电效应将光信号转为电信号。b.探测器芯片分类主要分为PIN光电二极管（PIN-PD）、APD（雪崩光电二极管）、SPAD（单光子雪崩二极管），三者灵敏度逐次提升。PIN-PD中，当PN结受到光照时即可产生光电效应。APD在PIN基础上增添了高掺杂的P+与N+层，该结构容易发生雪崩倍增效应，带来电流增益。SPAD在高于击穿电压的反向电压下工作，这一状态高度不稳定，单个光子即可引发大量的电子－空穴对雪崩进而产生电流，理论上可实现单光子探测。PIN光电二极管、APD、SPAD的对比如表4-3所示。c.探测器芯片衬底材料探测器光芯片材料的选择以材料光谱响应特性为基础。光谱响应特性是指保持入射光强度不变的情况下，不同波长的光照射材料产生的光电流与入射光波长之间的关系。Si、Ge、InGaAs材料在探测器中占据主流，Si材料适用于800-1000nm波长的光探测，Ge、InGaAs适用于对1000-1600nm波长的光探测中。波分复用（WDM）指在同一根光纤中同时让两个或两个以上的光波长传输信息。WDM器件主核心为AWG（阵列波导光栅）芯片。AWG芯片能在发送端将不同波长的光信号复用，并耦合到同一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长解复用。AWG芯片主要应用场景为宽带骨干网、城域网、数据中心以及5G通信。与介质膜滤光片（TFF）技术相比，AWG具有设计灵活、通道数目多、插入损耗小、滤波特性良好、性能长期稳定，能够与光纤有效耦合、易于批量自动化生产等优点，有利于提升光器件、光模块的集成度。平面光波导（PLC）芯片是分路器件的核心，主要用来实现相同波长信号的分路与合路，是光纤到户（FTTH）网络的核心无源芯片。基于平面光路技术，分路器可以实现将一根光纤中传输的光信号按照既定的比例分配给两根或多根光纤，或者将多根光纤中传输的光信号合成到一根光纤中，实现光信号传输的耦合、分支、分配。电芯片主要负责光电信号的转换、调制、驱动、放大、处理及控制等功能。主要包括：片主要作用为实现NRZ信号和PAM4信号的确保波长稳定。常与MCU或Driver协同工硅光芯片指利用CMOS微电子工艺，把原本分离器件众多的光、电元件缩小集成到一个独立微芯片中，无需ROSA或TOSA封装，集成度更高、成本更低，近年来受到广泛关注。4．主要芯片材料通信芯片主要材料如表4-5所示。高速调制器芯片（二）光器件光器件指利用光电转换效应制成的具备各种功能的光电子器件。按照是否需要电源，可分为光有源器件和光无源器件，如表4-6所示。换TOSA（TransmittingOpticalSub-Assembley）光发射组件，完成电信号转光信号。由激光器芯片、光学透镜（聚焦激光光束，提高与光纤的耦合效率）、热沉（加强散热）、隔离器（可选，防止反射光干扰激光器，用于长距/高速模块）、监控光电二极管（实时检测激光器输出功率，反馈控制稳定性）等组成，常见有TO-CAN和蝶形封装两种，如图2-9所示。2．光接收组件ROSAROSA（ResceivingOpticalSub-Assembley）光接收组件，完成光信号转电信号。与TOSA类似，由探测器芯片、放大器、光学透镜（聚焦光纤输入的光信号，提高探测器接收效率）等组成。（1）调制器的作用光调制指将一个携带信息的信号加载到载波光波上。调制器的性能不仅决定了发射光信号的码率、质量和传输距离，也是影响光模块尺寸和功耗的关键因素。光通信行业中一般使用电光调制器。其他调制方式还包括热力调制、电机械力调制、光机械力调制和相变材料调制。（2）调制器分类电光调制器可分为硅光调制器、磷化铟、铌酸锂调制器三类，技术路线对比如表4-7所示。件稳定性，在设计、制），需要说明的是，由于铌酸锂材料和工艺原因，传统铌酸锂调制器的尺寸大小无法缩小。而薄膜铌酸锂调制器较传统的铌酸锂调制器具有成本低、尺寸小、可批量化生产、CMOS工艺兼容、光损耗低、能耗低等优点，有望成为主流的铌酸锂调制器产品类型。（1）光放大器的作用光放大器也称光纤放大器，主要用途包括：在发射机侧用作功率放大器提高发射机的功率；在接收机之前用作光预放大器以提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗，延长传输距离。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成。（2）光放大器的分类光放大器主要有掺铒光纤放大器（EDFA）、半导体光放大器（SOA）和光纤拉曼放大器（FRA）三种。lEDFA：信号光子通过掺铒光纤时发生受激辐射效应，产生大量光子使信号光子迅速增多，产生信号放大作用。EDFA直接对光信号进行放大，无需转换成电信号，能够保证光信号在最小失真情况下得到稳定的功率放大，具有增益高、噪声低、频带宽、输出功率高、连接损耗低和偏振不敏感等优点。EDFA不足是增益带宽只有35nm，制约了波长信道数，限制了传输容量。lSOA：当偏置电流低于振荡阈值时，激光二极管对输入相干光放大。SOA具有体积小、结构较为简单、功耗低、寿命长、易于同其他光器件和电路集成、适合批量生产、成本低，可实现增益兼开关功能等特性，在全光波长变换、光交换、谱反转、时钟提取、解复用中的应用受到了广泛的重视。但SOA与EDFA相比存在着噪声大、功率较小、对串扰和偏振敏感、与光纤耦合时损耗大，工作稳定性较差等缺陷，迄今为止，其性能与掺铒光纤放大器仍有较大的差距。lFRA：基于受激拉曼散射机制的光放大器。FRA增益介质为普通传输光纤，与光纤系统具有良好的兼容性；增益波长由泵浦光波长决定，不受其他因素的限制；增益高、串扰小、噪声指数低、频谱范围宽、温度稳定性好。主要缺点为需要特大功率的泵浦激光器。5．波分复用器（WDM）将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再采用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。可以提升光纤的传输容量、光纤资源的利用效率，能大量减少了光纤的使用量。6．光纤耦合器（光纤适配器）使两个光纤接头的截面光纤孔导通，从而使两组光信号互相联通。用来连接两个相同型号光纤连接器，称为耦合器；用来连接两个不同型号光纤连接器，则称为适配器。光纤连接器是实现光纤与光纤之间可拆卸的连接器件，主要用于光纤线路与光发射机输出或光接收机输入之间，或光纤线路与其他光无源器件之间的连接。8．光开关（OSW）光开关是一种光路控制器，起转换光路的作用。光开关主要包括机械式光开关和非机械式光开关。非机械式光开关包括液晶式光开关、电光式光开关、热光式光开关、声光式光开关。9．光衰减器（VOA）光衰减器将光信号能量进行预期地衰减，常用于吸收或反射掉光功率余量、评估系统的损耗及各种测试中。光衰减器可分为固定型衰减器、分级可调型衰减器、连续可调型衰减器、连续与分级组合型衰减器等。其主要性能参数是衰减量和精度。10．光滤波器（TOF）光滤波器是用来进行波长选择的仪器，它可以从众多的波长中挑选出所需的波长，而除此波长以外的光将会被拒绝通过。它可以用于波长选择、光放大器的噪声滤除、增益均衡、光复用/解复用。光滤波器可主要分为干涉型和衍射型。（三）光模块为完成光电/电光转换，光模块的电口端插入交换设备或者基站设备，光口端连接光纤，帮助设备接入光网络，PCBA、封装外壳、接口（光纤接口、电接口金手指）等部分组成，如图4-5所示。3．光模块命名规则光模块命名规则如表4-8所示。型），），），），字母R后面的数字代表光口通道数，例如，“DR4”），）；），光模块可以按照调制方式、是否支持波分复用（WDM）应用、光接口工作模式等角度进行分类，每个类别下还有多个细分，如表4-9所示。采用4个不同的信号电平来进行信号传输支持波分复用（分为CWDM和5．封装方式与趋势（1）光模块封装方式变化以CFP系列封装类型为例，早期的100GCFP光模块，通过10个10G的通道，达到100G的传输速率，而100GCFP4光模块通过4个25G通道，实现100G传输，所以传输效率更高，稳定性更强；同时CFP4光模块的体积为CFP的四分之一，传输效率有明显提升，而且耗电量下降，系统成本方面也比CFP2更低。目前流行的100GQSFP28封装小于CFP4，如图4-6所示。（2）光模块传输速率持续增长从传输速率来看，早期的90年千兆时代的GBIC，到到现在的800GOSFP，光模块传输速率得到了数量级的提升。随着封装结构的变化，光模块功耗越来越低，产品体积也越来越小，在这个过程中，光模块向着高速率、远距离、低功耗、低成本、小型化以及可热插拔的方向去发展。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，或者采用8*50G方案。（3）光模块向低功耗升级下游客户的降本需求驱动光模块的封装工艺向小型化、集成化和低功耗升级：从低速率的GBIC、SFF到SFP光模100G速率的CFP（24W）、CFP2（8W）到宽度1/4的CFP4（5W）以及QSFP+和更小的QSFP28（3.5W），意味着光模块在交换机上具有更高的端口密度，同样的功率可以驱动更多的光模块。（四）光通信设备光通信设备是利用光波传输技术，提供大带宽、高可靠、低时延的数据流量传输能力的通信设