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2023年以来，以ChatGPT为代表的生成式人工智能大语言模型接连发布，催生了Al算力需求的激增。更长时长、更高清、更细节化的文生视频以及随之而来更多的视频数据，要求光模块具备更高的传输速率和更高的稳定性。因此，具有高速传输、高密度、高可靠和低功耗等优势的800G/1.6T及更高规格的光模块，成为AI数据中心互联的核心部件。今日，我们来回顾和总结光模块的原理和结构，以及行业的市场空间，及发展趋势，以便对行业有更全面的认识。
AI已明确加快了光模块技术迭代，并且显著缩短了光模块升级周期。2023年之前，光模块速率翻倍需要约4年时间。2023年开始，为了实现更高的传输速率以匹配日渐提高的计算速度需求，从400G到800G再到1.6T的代际升级有望缩短至两年。
根据FiberMall数据预测，2021-2025年交换机交换容量大约每2年翻1倍，相对应Serdes和光模块速率也将同步匹配。25.6T的交换机采用50G的Serdes,对外使用400G光模块；51.2T是当前主流高端交换机产品，采用100G Serdes，光互连使用800G光模块；更加高端的102.4T交换机采用200G Serdes和1.6T光模块，互联速率再次翻倍。
一、光模块介绍
1.光模块结构
根据头豹研究院数据，从 2022 年光模块成本构成来看，光器件约占光模块成本73%，在光器件中，光接收组件（ROSA）与光发射组件（TOSA）占其成本的比率约为80%，两者均为有源光器件，其功能核心由光芯片构成。
TOSA（Transmit Optical Sub-Assembly，光发射组件）：主要负责将电信号转换为光信号，由光源（发光二极管或激光二极管）、光接口、监控光电二极管、金属或塑料外壳、电接口组成。光源多数采用激光二极管，功耗低、功率大并且耦合效率高。
ROSA（Receiver Optical Sub-Assembly，光接收组件）：其主要功能是将TOSA传来的光信号转换为电信号。ROSA包含光电二极管 (PD)、光接口、金属或塑料外壳以及电接口。
光芯片（包括光探测器芯片与激光器芯片）成本约占光器件总成本的50%，约占 TOSA 与 ROSA 总成本的 85%。
1.2、光模块分类
产品分类：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。其中，封装方式、接口速率是最主 要或者常见的分类标准。
应用分类：以太网、光纤传输、光互联、波分复用、无线前传和回传、有线接入。前三类主要用于数通网络，无线前传和回传、有线接入主要是电信网络场景。
图|光模块分类
来源：与非研究院整理
1.3、光芯片分类
光通信等应用领域中，激光器芯片和探测器芯片合称为光芯片。光芯片是光电子器件的重要组成部分，是半导体的重要分类，其技术代表着现代光电技 术与微电子技术的前沿研究领域。
图|光芯片之于半导体的关系示意图
来源：源杰科技招股书
激光器芯片，按出光结构可进一步分为面发射芯片和边发射芯片，面发射芯片包括 VCSEL 芯片，边发射芯片包括 FP、DFB 和 EML 芯片；探测器芯片，主要有 PIN 和 APD 两类。
二、光模块行业应用及市场空间
光模块的下游应用广泛分布在数据中心、5G 基站和承载网、光纤接入及新兴产业等领域。光模块的市场规模主要受到电信和云厂商（CSP）资本支出的影响，但其中来自CSP方面的投入波动影响最大。其中2019年的下行周期，就主要是来自于云计算厂商的收缩；而在2022年年底，云厂商又开始了新一轮的压缩开支，计算和网络的投入均谨慎，致使2023 年初行业压力都较大。但之后由于AI对高速光模块市场的拉动，2023年行业全年仍实现增长。
Lightcounting数据显示，预计2024年，800G将成为市场主流，需求火热，1.6T也将开始放量，整体市场增速有望超过40%，其中数通 光模块增长预计最为迅速。预计2025年，行业还将增长20%以上，2026-2027年增速还将维持在两位数以上。
2.1、行业空间分析
2.1.1、全球市场规模
根据 LightCounting 的数据，2016 年至 2020 年，全球光模块市场规模从 58.6 亿美元增长到 66.7 亿美元。光模块的全球市场规模在 2022-2027 年或将以 CAGR11%保持增长，2027 年有望突破200亿美元。
而根据中商产业研究院发布的《2024-2029全球及中国光通信组件行业深度研究报告》显示，2023年全球光模块的市场规模约99亿美元，同比增长3.1%。中商产业研究院预测，2024年全球光模块市场规模将突破100亿美元，2027年将突破150亿美元。
2023Q4 海外云巨头的 （微软、亚马逊、苹果、Meta、谷歌）合计资本开支同比提升 4.81%至 441.64亿美元。根据 Factset一致预期，2024年合计资本开支将同比增长27.2%至 1938.3 亿美元。
2.1.2、中国市场规模
根据华经产业研究，2021年我国光模块行业市场规模从2016年的250.9亿元增长至415.22亿元，2022年市场规模约为476.82亿元，预计2023年中国光模块行业市场规模有望达到554.5亿元。
2.2、以太网光模块市场规模
根据国际数据公司（IDC）发布的全球以太网交换机季度跟踪报告和全球路由器季度跟踪报告显示， 2023 年，全球以太网交换机收入同比增长 20.1%，达到 442 亿美元。2023 年第四季度以太网交换机市场增长 0.8%。据 LightCounting 对于以太网光模块销售的预测，将从 2023 年的 12 亿美元增至 2024 年的 30 亿美元和 2025 年的 50 亿美元。
2.3、FTTx市场规模
2.3.1、全球FTTx 光纤接入市场规模
根据 LightCounting 的数据，2020 年 FTTx 光纤接入市场全球光模块市场出货量约 6289 万只，市场规模为 4.73 亿美元，随着新代际 PON 的应用逐渐推广，预计至 2025 年全球 FTTx 光模块市场出货量将达到 9208 万只，年均复合增长率为 7.92%，市场规模达到 6.31 亿美元，年均复合增长率为 5.93%。
图|FTTx 光模块出货量及市场规模
数据来源： LightCounting、与非研究院整理
2.3.2、中国光纤接入市场规模
我国目前已建成全球规模最大的光纤和移动宽带网络，截至2023年11月末，三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达 6.36 亿户，比上年末净增 5906 万户，其中千兆用户占比 24.6%；具备千兆网络服务能力的 10G PON 端口数达 2272 万个，比上年末净增 749.6 万个。
随着运营商进一步拓展千兆宽带业务，向 10G PON 升级已经是大势所趋。亚太运营商正引领全球接入网向10G 速率升级, 未来的增长空间较大。Omdia 数据显示，大多数国家的 FTTH 基础设施建设势头正在增强，预计到 2027 年，全球 FTTH 家庭渗透将超过 12 亿户；全球 PON 设备市场预计在 2027 年超过 180 亿美元
2.4、5G 市场规模
5G 移动通信网络可大致分为前传、中传、回传，光模块也可按应用场景分为前传、中回传光模块， 前 传 光 模 块 速 率 需 达 到 25G ， 中 回 传 光 模 块 速 率 则 需 达 到 50G/100G/200G/400G，带动 25G 甚至更高速率光芯片的市场需求。
根据 LightCounting 的数据，全球电信侧光模块市场前传、（中）回传和核心波分市场需求将持续上升，2020 年分别达到 8.21 亿美元、2.61 亿美元和 10.84 亿美元， 预计到 2025 年，将分别达到 5.88 亿美元、2.48 亿美元和 25.18 亿美元。
2.5、数据中心市场规模
全球互联网业务及应用数据处理集中在数据中心进行，使得数据流量迅速增长，而数据中心需内部处理的数据流量远大于需向外传输的数据流量，使得数据处理复杂度不断提高。
根据 Synergy Research 的数据，截至 2020 年底，全球 20 家主要云和互联网企业运营的超大规模数据中心总数已经达到 597 个，是 2015 年的两倍，其中我国占比约 10%，排名第二。
光通信技术在数据中心领域得到广泛的应用，极大程度提高了其计算能力和数据交换能力。光模块是数据中心内部互连和数据中心相互连接的核心部件，根据 LightCounting 的数据，2019 年全球数据中心光模块市场规模为 35.04 亿美元，预测至 2025 年，将增长至 73.33 亿美元，年均复合增长率为 13.09%。
根据 Omdia 对数据中心和电信场景激光器芯片的预测，高速率光芯片增速较快，2019年至 2025 年，25G 以上速率光模块所使用的光芯片占比逐渐扩大，整体市场空间将从 13.56 亿美元增长至 43.40 亿美元，年均复合增长率将达到21.40%。
三、技术趋势
Lightcounting数据显示，2022年800G数通光模块开始起量，市场规模持续扩大，预计到2028年800G及以上速率的光模块市场规模占比超过50%，400G占比排第二位。
AI相关数通光模块增长较快，份额扩大。1）VCSEL主要用于短距离通信，如GPU之间的连接；2）短期看，主要动力来自于800G产品，主要基于100G VCSEL和EML激光器；3）中长期动力来自于1.6T，主要基于200G EML、DFB以及VCSEL激光器。
随着数据中心转换速度的提升，光模块带来的功耗快速提升。FS数据显示，早期的10G光模块的功耗在1W左右，到了800G时功耗上升至30W，光模块的功耗占交换机的功耗占比也持续上升；相比2010年，2022年整体交换机系统功耗提升了22倍，光通信设备提升了 26倍，给数据中心的节能和降本都带来了很大压力，光模块降低功耗的需求快速上升。LPO就是解决能耗高的重要途径之一。
3.1、LPO技术
线性驱动可插拨光模块(linear drive pluggable optics)是指采用了线性直驱技术，去除传统的DSP(数字信号处理)/CDR(时钟数据恢复）芯片，实现系统降功耗、降延迟的优势。2023年OFC展会上LPO便备受行业关注，更为出色的功耗和成本控制与更低的延迟，为光通信领域带来了革命性的变革。
在400G光模块中，用到的7nm DSP，功耗约为4W，占到了整个模块功耗的50%左右。LPO方案把光模块中的DSP/CDR芯片去除，将相关功能集成到设备侧的交换芯片中。光模块中，只留下具有高线性度的Driver（驱动芯片）和TIA(Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器）,并分别集成CTLE（ContinuousTime Linear Equalization,连续时间线性均衡）和EQ(Equalization,均衡）功能，用于对高速信号进行一定程度的补偿。
3.2、光电共封装（CPO）
CPO指的是交换ASIC芯片和硅光引擎（光学器件）在同一高速主板上协同封装，从而降低信号衰减、降低系统功耗、降低成本和实现高度集成。CPO的发展才刚起步，并且其行业标准形成预计还要一定时间，但CPO的成熟应用或许会带来光模块产业链生态的重大变化。硅光技术既可以用在传统可插拔光模块中，也可以用在CPO方案中。800G传输速率下硅光封装渗透率会有提升，而CP0方案则更多的是技术探索。但是从1.6T开始，传统可插拔速率升级或达到极限，后续光互联升级可能转向CPO和相干方案。
四、总结
英伟达披露未来三代数据中心半导体技术路线图，计划2025年推出Blackwell Ultra GPU；2026年推出Rubin GPU；2027年推出Rubin Ultra GPU。GPU迭代周期缩短将推动光模块加速迭代，光模块升级确定性高，预计1.6T 在24 Q4 开始发货。
北美头部云厂商对于 2024 全年资本开支指引整体乐观，2024 全年均处于环比提升区间，云厂商将加大力度投入 AI 基础设施建设及研发工作，有望持续拉动对于高速率数通光模块的需求。
最近LightCounting对2025年4x100G光模块需求预测提高了5亿美元，在2026年提高了10亿美元，这些产品的销售额预计将在2026年达到40亿美元以上的峰值。同时，对2025年8x100G光模块的预测增加了20亿美元，预计2026年这些光模块的销售额将超过70亿美元。
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