光模块系列深度（二）：降本降耗趋势显著，聚焦技术创新

通信设备 2023年10月11日 投资评级：看好（维持）行业走势图 光模块系列深度（二）：降本降耗趋势显著，聚焦技 术创新 ——行业深度报告 任浪（分析师）张越（联系人） 77% 通信设备沪深300 renlang@kysec.cn 证书编号：S0790519100001  zhangyue1@kysec.cn 证书编号：S0790123090001 58% 38% 19% 0% -19% 2022-102023-022023-06 数据来源：聚源 算力时代下光模块降本降耗趋势愈发凸显 算力需求提升带动网络带宽成倍提速，数据中心能耗呈指数型增长。据咨询机 构TiriasResearch建模预测，到2028年数据中心功耗将接近4250MW，比2023 年增加212倍，数据中心基础设施加上运营成本总额或超760亿美元。 数据中心的能耗主要体现在IT设备。IT设备占数据中心整体的能耗达45%，其中服务器类约占50%，存储系统约占35%，网络通信设备约占15%。 相关研究报告 高性能交换芯片和光模块的使用导致网络设备功耗大幅增加。根据Cisco的数据 显示，2010-2022年全球数据中心的网络交换带宽提升了80倍，相对应交换芯片 功耗提升约8倍，光模块功耗提升26倍，交换芯片SerDes功耗提升25倍。 《光模块系列深度（一）：光电之门， 踏浪前行—行业深度报告》-2023.9.20 LPO线性直驱成为短距离场景下针对DSP功耗问题的重要解决方案 LPO是对含有DSP设计的高速热插拔以太网模块的改进。LPO通过使用性能提 升的TIA、Driver芯片，剔除高速率可插拔模块携带的DSP，带来模块功耗下降。LPO的主要壁垒在于电芯片，应用场景局限于短距离连接场景。目前全球主要的电芯片供应商为Macom、Semtech以及美信，应用场景主要限于短距离（50m 内）的连接场景。 目前国内的布局LPO的厂商主要为剑桥科技和新易盛。剑桥科技与电芯片龙头Macom建立了供应链合作关系，预计2023年下半年首批基于硅光的LPO400G/800G产品实现小批量出货。 CPO是超高速场景下的颠覆性降耗技术，海外龙头布局领先 数据中心带宽的增长导致高频电链接距离问题愈发突出。为了保障信号的高质量 传输、优化SerDes功耗，交换芯片和光模块之间的封装距离需要进一步缩短。3D封装是目前CPO技术研究的热点和趋势。3D封装可以实现更短的互连距离、更高的互连密度、更好的高频性能、更低的功耗以及更高的集成度。博通称采用 CPO的结构可以节约40%的功耗和40%的每比特成本。 国内企业进入CPO领域较晚，在产品开发进度及技术研究方面相对海外存在明显的差距。目前还没有CPO相关的产品推向市场，高端产品主要产品集中于400G/800G的硅光模块。 薄膜铌酸锂有望成为高速率场景下高效调制器的重要选择 薄膜铌酸锂目前国内还处于研发阶段，离产业化还有距离。基于混合集成思路， 在硅片上局部键合薄膜铌酸锂制作调制器，有望充分利用铌酸锂材料高电光系数的特性，实现成本与性能的兼顾，成为未来高速率场景下的重要方案。 受益标的：剑桥科技、新易盛、中际旭创、光迅科技、锐捷网络以及光库科技等。 风险提示：电芯片及光芯片的供应链风险；云厂商资本开支不及预期的风险等。 行业研究 行业深度报告 开源证券 证券研究报 告 目录 1、倚靠半导体工业而生，算力时代下降本降耗趋势愈发凸显4 1.1、内部结构解析：基于IC工艺，围绕TOSA/ROSA构建的光电转化体系4 1.2、算力时代下光模块降本降耗趋势凸显13 2、LPO线性直驱：有望在短距离场景下发挥潜力16 3、CPO：超高速场景下的颠覆性技术，海外龙头布局领先17 4、薄膜LiNbO3调制器：高速率场景下结合硅光或大有可为25 5、受益标的27 6、风险提示27 图表目录 图1：信息流包括光信号的产生/调制/处理/探测等4 图2：光模块可按照速率、距离等进行分类5 图3：光模块主要由TOSA、ROSA、功能电路等组成5 图4：Finisar设计的光模块内部解剖图5 图5：4x25GpsQSFP28光模块基本原理框图6 图6：Maxim为光模块设计的MCU内部架构包括内核、时钟、存储等6 图7：DSP除了能提供CDR的数字时钟恢复功能外，还可去除噪声、非线性干扰等7 图8：DSP在发射端和接收端进行各种信号的补偿7 图9：非相干光通信（上）和相干光通信（下）的区别主要在调制和检测方式8 图10：CDR从信号中提取数据序列，恢复出相应的时钟时序信号9 图11：直接调制下直接控制电流的开通和关断9 图12：外调制将开关移至激光器外面，可用于长距离传输9 图13：TOSA的基本结构主要包括激光器、隔离器等（To-Can封装形式）10 图14：LD工作原理基于半导体的PN结10 图15：EEL和VCSEL在腔体结构上存在差异11 图16：激光器芯片按照出光结构可分为面发射和边发射11 图17：ROSA的基本结构包括PD、TIA、LA等12 图18：PD二极管的基本结构与类型12 图19：光器件元件和光/电芯片占光模块成本主要部分12 图20：DFB、APD、TIA占光器件成本的主要部分12 图21：算力和带宽高速发展带动数据中心功耗大幅提升13 图22：典型数据中心的能耗主要分布于IT和制冷设备13 图23：IT设备分为服务器、存储器、网络设备以及其他13 图24：商用交换芯片容量处于每两年翻一番的快速增长14 图25：交换机密度每两年翻一番14 图26：光模块功耗随着速率的提升大幅增长14 图27：热插拔模块速率越高对应的单位bit功耗越低14 图28：交换芯片容量提升导致SerDes/光模块的功耗也大幅提升15 图29：降低光模块功耗的方式主要从四个方面改进15 图30：800G热插拔光模块的功耗主要分布于激光器和DSP16 图31：含DSP的高速率光模块功能图16 图32：取消DSP的LPO光模块功能图16 图33：英思嘉与剑桥科技发布的基于硅光的LPO400G光模块方案将于2023年Q3开始小批量供货17 图34：不同光芯片衬底材料的特性17 图35：光放大器和探测器的区别主要在于波导刻蚀的深度和PN结施加压力的方向18 图36：InP芯片的加工流程主要分为四步18 图37：根据波导刻蚀的深浅可分为深刻蚀、浅刻蚀等18 图38：全球InP芯片产业链主要包括PDK、设计&检测、晶圆代工、封装以及模组制造几个环节19 图39：光引擎离switch越近，光信号距离越短，SerDes的功耗越小20 图40：CPO的优势体现为低功耗、低延时、低成本，但在热管理以及良率等方面还存在问题20 图41：可插拔、嵌入式、共封装光模块结构对比21 图42：光电互连封装技术的发展过程，未来或通往3DCPO21 图43：台积电COUPE技术封装结构22 图44：Acacia基于陶瓷基板的CPO技术图22 图45：2.5D封装方案示意图22 图46：Acacia基于陶瓷基板的CPO技术图22 图47：基于带TSV的PIC转接板的CPO23 图48：Acacia基于陶瓷基板的CPO技术图23 图49：基于硅中介层的TSV主要制备工艺包括7个步骤23 图50：传统铌酸锂调制器体积大，基于硅基底的薄膜铌酸锂可解决体积难题25 图51：根据不同材料体系光模块的市场份额变化，传统铌酸锂材料占比逐步下滑26 图52：铌酸锂调制器按照驱动类型可分为单臂单驱和单臂双驱等26 图53：薄膜铌酸锂晶圆制备工艺包括离子注入、薄膜键合、退火剥离和平坦化26 表1：光通信器件按照物理形态可分为芯片、有源/无源器件与光模块子系统4 表2：VCSEL激光器适合于短距离传输，EML适合长距离传输11 表3：APD更适用于长距离传输12 表4：全球主要代工厂加工的光芯片性能对比19 表5：硅光MPW流片成本与InP对比20 表6：CPO海外龙头具有先发优势，布局进展相对国内较快24 表7：CPO国内尚处于开发阶段25 表8：重点公司盈利预测与估值27 1、倚靠半导体工业而生，算力时代下降本降耗趋势愈发凸显 1.1、内部结构解析：基于IC工艺，围绕TOSA/ROSA构建的光电转化体系 光通信器件指应用于光通信领域的光电子器件以及配套集成电路。光通信器件按照在信息流中的不同作用可以分为五大类，包括光信号的产生、调制、传输、处理以及探测。光收发模块在信息流中对应着光信号的产生、调制和探测；光分路器和光放大器对应着信号处理。光通信器件按照物理形态的不同分为芯片、光有源器件、光无源器件、光模块与子系统四类。其中有源光收发模块的产值在光通信器件中占比最高，其性能主导着光通信网络的升级换代。 图1：信息流包括光信号的产生/调制/处理/探测等 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年） 产品分类典型产品 表1：光通信器件按照物理形态可分为芯片、有源/无源器件与光模块子系统 芯片 光有源器件 InP系列（高速直接调制DFB和EML芯片、PIN和APD芯片、高速调制器芯片、多通道可调激光器芯片） GaAs系列（VCSEL芯片、泵浦激光器芯片） Si/SiO2系列（PLC、AWG、MEMS芯片） SiP系列（相干光收发芯片、高速调制器芯片、光开关芯片；TIA、LDdriver、CDR芯片） LiNbO3系列等 激光器（VCSEL、DFB直调激光器、EML外调激光器）光调制器（相位调制器、强度调制器、PMQ调制器）光探测器（PIN、APD） 集成器件（相干光收发器件、阵列调制器）等 光无源器件光隔离器、光分路器、光开关、光连接器（MPO）、光背板、光滤波器等光收发模块（10G/25G/100G/400G/800G） 光放大器模块（EDFA、Raman） 光模块与子系统 动态可调模块（WSS、MCS、OXC）性能监控模块（OPM、OTDR） 资料来源：中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）、开源证券研究所 光模块是实现光信号输入过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。所有 信息通信信号初始状态都是电信号（模拟/数字），否则IC芯片无法处理。要实现光纤通信，信号发射端需要将电信号转换为光信号，通过光纤传输到远端。信号接收端，光探测器接收到光信号，并转化成可处理的电信号。光模块可按照速率、距离、封装方式等多种类型进行分类。从封装来看，光模块有多种封装形式，适配不同尺寸、功耗和速率需求。目前光模块的封装以可插拔形式为主，具备小尺寸、低功耗的优势，部分长距高速相干领域追求高性能，仍采用不可插拔形式。随着交换容量增大、端口密度变大、功耗增加等挑战日益严峻，LPO/CPO成为行业重要的技术创新。 图2：光模块可按照速率、距离等进行分类 资料来源：《高速光模块关键技术方案及标准化进展》，吴冰冰，2022 光模块的结构使得其具备光电转换的功能。光模块通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接受器件（ROSA，含光探测器）、功能电路、光（电）接口、导热架、金属外壳等部分组成。从发射端来看，驱动芯片对原始电信号进行处理，然后驱动半导体激光器（LD）发射出调制光信号；从接受端来看，光信号进入接收端端后， 由光探测二极管（PD）转变为电信号，经前置放大器后输出。功能电路集成了时钟、数据恢复芯片以及激光器驱动芯片等。 图3：光模块主要由TOSA、ROSA、功能电路等组成图4：Finisar设计的光模块内部解剖图 资料来源：5G承载光模块白皮书、开源证券研究所资料来源：ittbank公众号 电芯片、主控芯片、TOSA、ROSA在光/电转换过程中起着重要的作用。以4x25Gps光模块通信方案为例，通过MCU控制芯片与电接口利用I2C引脚进行数据交互，将4路速率高达25Gbps的电信号传送给时钟和数据恢复芯片CDR；然后MCU控制芯片将经过CDR处理后的4路电信号发送给驱动激光器，使得4通道的驱动激光器