随着5G、大数据、区块链、云计算、物联网以及人工智能等应用的持续推进，数据流量得到空前的增长。目前信息网络主要以光纤作为传输介质，但计算、分析还必须基于电信号，而光模块就是实现光电转换的核心器件。

一、光模块基本情况 
（一）概念 
  光模块（Optical Module）是多种模块类别的统称，具体包括：光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。一个光模块，通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。光收发一体模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。在发射端，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）或发光二极管（LED）发射出调制光信号；在接收端，光信号进来之后，由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出电信号。

  光模块的原理构造

  （二）主要器件和芯片

  1.内部结构

  激光器是光模块中的核心器件，其作用是将电流信号转换成激光的光信号输出，在一定程度上决定了光模块的性能。激光器芯片可进一步分为面发射(VCSEL)和边发射(FP、DFB、DBR、EML)。

  探测器芯片负责将光信号转换成电流信号，可分为PIN型光电二极管和APD雪崩二极管，二者的区别是APD在PIN的基础上在本征区外多了一个雪崩区，能够更加灵敏地探测光生电流，适用于经过长距离传输的弱信号的探测，但其成本更高。

  功能电路主要包括电芯片和PCB板等，一方面为光芯片提供配套支撑，另一方面可实现复杂的数字信号处理，如调制、相干信号控制、串并/并串转换等。

2.成本构成 

  根据OFWeek数据(2018年)，目前光模块的成本构成中，光器件元件占比达73%；其次是控制芯片(电芯片)占18%，而印刷电路板和外壳各占5%和4%。在光器件元件中，TOSA和ROSA有较高的技术壁垒，是主要成本所在，分别占48%和32%。以光芯片的形式封装在光收发组件中，是光模块中技术含量最高的部分。

（三）分类 

  依据封装方式、传输速率、传输距离、传输方式、工作波长等标准，光模块可分为多种类型。

1.根据封装类型 

  封装，可以简单理解为款型标准，它是区分光模块的最主要方式。光模块的速率不断提升，体积也在不断缩小，以至于每隔几年，就会出新的封装标准。新旧封装标准之间，通常也很难兼容通用。此外，光模块的应用场景存在多样性，也是导致封装标准变多的一个原因。光模块按照封装形式来分有以下几种常见类型：SFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28以及QSFP-DD。

  （1）SFP光模块是GBIC的升级版，最高速率可达4.25G，主要由激光器构成，特点是小型、可热插拔。

  （2）SFP+光模块是SFP的加强版，传输速率为10Gbps，可以满足8.5G光纤通道和10G以太网的应用。

  （3）SFP28光模块的传输速率为25Gbps，它的优点是功耗较低、端口密度较高，且支持热插拔。

  （4）QSFP+光模块的传输速率为40Gbps，支持MPO光纤连接器和LC光纤连接器，特点是小型、可热插拔。

  （5）QSFP28光模块采用4个25Gbit/s通道并行传输，传输速率为100Gbps，满足100G以太网的应用。

  （6）QSFP-DD光模块的速率有200Gbps和400Gbps，分别采用8个25Gbit/s通道和8个50Gbit/s通道。

2.根据传输速率 

  光模块的传输速率指的是每秒钟传输数据的比特数（bit），单位为Mb/s和Gb/s，传输速率通常从100Mb/s至400Gb/s不等，常见的传输速率为1Gb/s、10Gb/s、25Gb/s、40Gb/s、100Gb/s和400Gb/s。根据传输速率的不同，光模块可分为1G光模块（即千兆光模块）、10G光模块（即万兆光模块）、25光模块、40G光模块、100G光模块和400G光模块等。

3.根据传输距离 

  按照传输距离可将光模块分为短距、中距和长距三种，短距离光模块的传输距离在2km及以下，中距离光模块的传输距离在10~20km之间，长距离光模块的传输距离在30km以上。

  物理介质相关层（PMD）代表距离分类

4.根据传输方式 

  光模块根据支持的数据传输方式可分为单工光模块、半双工光模块和全双工光模块三种类型。单工光模块只支持数据在同一个方向上传输，如电视台可以向观众发送信号，而观众却不能向电视台发送信号；半双工光模块支持数据在两个方向上传输，但不支持数据同时进行两个方向的传输，如对讲机可以支持互相通话，但是不支持同时说话；全双工光模块支持数据同时在两个方向进行传输，如手机可以支持双方同时通话。

5.根据中心波长 

  光模块的工作波长是一个范围，一般习惯使用中心波长来代替工作波长进行描述。根据中心波长的不同可将光模块分为普通光模块和彩色光模块。普通光模块的中心波长有850nm、1310nm和1550nm，其中，850nm主要用于多模，1310nm和1550nm主要用于单模。而彩色光模块的中心波长有CWDM波长和DWDM波长，其中CWDM波长范围为1270~1610nm，DWDM波长范围为1525~1565nm或1570~1610nm，波长为CWDM波长的彩色光模块被称作粗集波光模块，波长为DWDM波长的彩色光模块被称作密集波光模块。WDM就是Wavelength Division Multiplexing（波分复用），简单来说，就是把不同波长的光信号复用到同一根光纤中进行传输，优点是容量大且可以远距离传输。

6.根据光纤类型 

  光模块根据适用的光纤类型的不同可被分为单模光模块和多模光模块，其中单模和多模指的是光纤在光模块中的传输方式。单模光纤纤芯较细，只能传一种模式的光，多用在远距离传输中；而多模光纤纤芯较粗，可传多种模式的光，多用在短距离传输中。光信号在光纤中传输时会有一定的损耗和色散，这是光模块的传输距离受到限制的主要原因。损耗是指光在光纤中传输时，由于介质的吸收散射以及泄露导致的光能量损失，这部分能量随着传输距离的增加以一定的比率耗散。色散的产生主要因为不同波长的电磁波在同一介质中传播时速度不等，从而造成光信号的不同波长成分由于传输距离的累积而在不同的时间到达接收端，导致脉冲展宽，进而无法分辨信号值。

二、光模块主要性能指标 
 

  光模块工作在OSI模型的物理层，是光纤通信中的重要组成部分，其关键性能指标可以从两个方面来衡量：光模块发送端和光模块接收端。

  （一）光模块发送端
 

  光模块发送端关键性能指标主要包括：平均发射光功率、消光比、光信号的中心波长。

1.平均发射光功率 

  平均发射光功率是指光模块在正常工作条件下发射端光源输出的光功率，可以理解为光的强度。在通信中，通常使用dBm来表示光功率。发射光功率和所发送的数据信号中“1”占的比例相关，“1”越多，光功率也越大。光模块发射光功率是影响光模块传输距离的重要参数。检测光模块发射光功率的方法有：交换机读取DDM信息、眼图仪测试、光谱仪测试、光功率计或者光功率仪器测试。

2.消光比 

  消光比是用于衡量光模块质量的重要参数之一。消光比是指全调制条件下激光器在发射全“1”码时的平均光功率与全“0”码时发射的平均光功率比值的最小值，单位为dB。消光比可以看做一种激光器运行效率的衡量。消光比的值并非越大光模块越好，而是消光比满足802.3标准的光模块才好。消光比典型的最小值范围为8.2dB到10dB。

3.光信号的中心波长 

  目前常用的光模块的中心波长主要有三种：850nm 波段、1310nm 波段以及1550nm波段。光纤损耗通常随波长加长而减小，850nm损耗较少，900~ 1300nm损耗又变高了；而1310nm又变低，1550nm损耗最低，1650nm以上的损耗趋向加大。所以850nm就是所谓的短波长窗口，1310nm和1550nm就是长波长窗口。

（二）光模块接收端 

  光模块接收端关键性能指标主要包括：过载光功率、接收灵敏度、接收光功率。

1.过载光功率 

  过载光功率又称饱和光功率，是指光模块在一定的误码率条件下，接收端组件所能接收的最大输入平均光功率。单位是dBm。需要注意的是，光探测器在强光照射下会出现光电流饱和现象，当出现此现象后，探测器需要一定的时间恢复，此时接收灵敏度下降，接收到的信号有可能出现误判而造成误码现象。简单的说，输入光功率超过过载光功率，可能就会对设备造成损害，在使用操作中应尽量避免强光照射，防止超出过载光功率。

2.接收灵敏度 

  接收灵敏度是指光模块在一定的误码率条件下，接收端组件所能接收的最小平均输入光功率，单位是dBm。如果发射光功率指的发送端的光强度，那么接收灵敏度指的就是光模块可以探测到的光强度。一般情况下，速率越高接收灵敏度越差，即最小接收光功率越大，对于光模块接收端器件的要求也越高。

3.接收光功率 

  接收光功率是指光模块在一定的误码率条件下，接收端组件所能接收的平均光功率范围。单位是dBm。接收光功率的上限值为过载光功率，下限值为接收灵敏度。综合来讲，就是当接收光功率小于接收灵敏度，可能无法正常接收信号，因为光功率太弱了。当接收光功率大于过载光功率时，可能也无法正常接收信号，因为存在误码现象。

三、光模块的产业链 

  光模块产业链竞争格局呈橄榄球式分布，大致可分为“芯片->器件->模块->设备”这四大环节。其中上游的芯片、器件和下游的设备市场参与竞争者较少，但把控着产业链的供应端和需求端，影响较大。中游的模块则由于技术门槛相对较低，参与者较多，特别是低端低速的光模块封装厂商，所以市场竞争激烈。

（一）上游 

  主要包括芯片、组件以及两者组成的光器件。芯片包括光芯片和电芯片，这两部分占整个光模块价值量的较大部分，同时由于技术门槛较高，供应商较少，其性能和产能对光模块产业链的影响较为深远。保持安全的供应链运转，对光模块厂商的经营尤为重要。目前高端的光芯片和电芯片国产率较低，对进口依赖性较大。光组件主要是无源器件和结构件，部分高端产品涉及精密加工领域，也具有较高技术门槛。

（二）中游

  光模块的封装生产按应用场景不同可分为电信领域和数通领域，两者的外观和功能作用都类似，但内部结构差异较大，供应链和下游客户差别也较大。由于光模块应用场景较多，具体型号需求广泛，低中高性能的光模块生产能力要求不同，对应生产厂商的实力参差不齐，竞争整体激烈程度较高，但涉及高端高速的产品仍处于蓝海市场。

（三）下游 

  按光模块的场景对应下游客户可分为两大类：电信客户和互联网客户。电信客户主要包括电信网络设备如无线基站、传输系统、PON网络等的设备制造商和网络建设运营商；互联网客户则是近年兴起的数据中心相关的服务器、交换机和路由器的设备制造商和使用者。

四、市场格局 

（一）市场现状 

  根据Yole的统计，2019年全球光模块市场CR10达到90%，头部厂商一般产品品类更丰富，占据大部分市场份额；尾部的10%市场则聚集了大批在某一细分领域精耕细作的厂商。近年我国光模块从单一低速产品的简单加工到复合功能高速发展的生产研发，光模块行业飞速发展。

  2014 年-2020 年中国光模块行业产量（亿只）

  据Light Counting数据，至2020年中国光器件供应商销售额自2010年的5亿美元增长至80亿美元，近乎指数增长；此外2020年有6家中国厂商进入全球前十，分别是旭创、华为、海信、光迅、新易盛和华工。

  2020年全球十大光模块供应商变化情况(按销售额)
 

  值得一提的是，Light Counting 此前排除了拥有光模块业务的设备制造商，2021年修改了规则，因而华为、思科上榜。华为和中兴通讯是200G CFP2相干DWDM模块的领先供应商，按照新规则，中兴通讯很可能在2021年入围TOP10光模块供应商。与之形成鲜明对比的是，美国和日本光模块供应商陆续被收购和出局。其中，光模块龙头Finisar被II-VI收购(2020年仍排名第1)，Finisar已无力对抗中国光模块供应商的持续冲击，需要抱团取暖；Avago则被博通收购(博通在2020年排名第6）；思科(排名第5)则在10年间(2012-2021)陆续收购了硅光模块供应商 Lightwire、Luxtera、Acacia。

（二）市场预测 

  根据Light Counting发布全球光模块市场的最新报告，2020-2026年全球光模块市场复合增速为10.4%。根据yole预测，2020年我国光模块需求量约为27亿元，预计2022年有望增加到33亿元，2020-2022年中国光模块市场复合增速为10.6%，基本与全球光模块市场增速持平。

（三）市场趋势 1.数据整体流量增长使得光模块需求持续提升  

据华为全球产业链展望报告预测，到2025年全球数据总量规模将达到180ZB，下游行业高增速，带动数通光模块需求持续旺盛。 2.光模块速率要求不断提高 

  目前数据中心中主要采用博通交换机，每一代博通交换机的发布都会推动数据中心网络布局的升级以及光模块的更新换代。

3.光模块产品向 更低成本、更高集成度发展 

  相较于传统光模块厂商分立器件组装，硅光技术的光模块逐步发展起来，但硅光产品良率低、传输损耗大，未来400G硅光模块预计在DR4（500m）短距场景下有成本竞争优势，因此硅光技术布局是近年主要关注点。此外，下游客户主要关注产品成本、性能，即性价比，尤其是云计算厂商：Facebook、AWS、微软等，其更新换代相较电信会更快，所以同等性能下成本尤为重要。伴随下一代更高速率产品的量产，低速率产品价格必然会下降（行业均价：未来逐步将至1美元/G，甚至更低）。

  参考资料：

  法国市场研究和咨询机构Yole，2021年数通和电信市场的光模块研究报告《Optical Transceiver for Datacom & Telecom Market 2021》

  中信证券：光模块行业研究报告-小小模块，大有可为

  lightcounting：全球光模块市场发展报告

  IMT2020推进组研究：5G承载光模块白皮书
 

  800G Pluggable MSA：800G可插拔光模块白皮书