核心觀點：
從光模塊產品演進方向映射技術前瞻布局。隨著數據流量爆發與下游應用的豐富，驅動光模塊產品向著更小型化、更 高速率、更低成本的方向演進;同時，光模塊已發展至800G以及后續1.6T等速率的升級，帶動光模塊相關技術路線的 前瞻研發與迭代升級。 CPO方案：AI算力下高效能比方案。CPO方案將引擎和交換芯片共同封裝，縮短了光引擎和交換芯片間的距離，主要應 用于超大型云服務商數通短距場景，將有效解決高速率高密度互聯傳輸。薄膜鈮酸鋰方案：技術突破，尺寸與集成度問題得以改善帶來新發展。鈮酸鋰材料研究歷史較早，具備優異性能;隨 著薄膜鈮酸鋰新技術突破，大幅改善尺寸及價格問題，隨著相干技術下沉為相干光調制器帶來重要發展機遇。
硅光方案：具有集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優異三大優勢。硅光模塊在高速率傳輸網中優勢明顯，需 求增速將高于傳統光模塊;硅光模塊有望在2025年高速光模塊市場中占據60%以上份額。 LPO方案：成本優勢突出，滿足AI計算中心短距離、大寬帶、低延時要求。相較DSP方案，LPO可大幅度減少系統功耗 和時延，適用于短距傳輸;而其系統誤碼率和傳輸距離較短的問題，因為在AI計算中心短距離應用場景下較為適配， 得以彌補。 我們認為，光模塊作為AI算力環節中國產化程度高，技術儲備前沿核心產品，受AI大模型發展驅動算力持續升級需求 將帶來快速增長，建議關注前瞻布局CPO/LPO等新技術主要玩家以及產品批量及出貨情況。
技術演進方向：更小型化、更高速率、更低成本
從光模塊產品演進方向映射技術前瞻布局
光模塊產品升級迭代路線：小型化、高速率、低功耗不斷升級。 數據中心側：隨著數據流量爆發與下游應用的豐富，帶動高速光模塊速率的持續升級，當前全球主要玩家800G進入 導入驗證及批量出貨進程，1.6T產品不斷前瞻研發中。 電信側：隨著“雙千兆”網絡建設持續推進，不斷推動國內外10G PON光模塊持續升級。此外，海外光纖到戶滲透率 較低，隨著新一輪升級改造，海外PON模塊有望加速發展。
產品向高速率升級，驅動多種技術路線變革。 從光模塊產品演進方向映射技術前瞻布局，隨著人工智能、物/車聯網、工業互聯網、AR/VR等新技術的逐步應用與產業化帶來數據流量的快速增長，數據中 心進一步向大型化、集中化轉變，將帶動高速率及中長距離光模塊的快速發展。目前全球主要的云廠商已在數據 中心內部批量部署200/400G光模塊，隨著AIGC發展趨勢明朗，高算力需求催化更高速率的800G/1.6T光模塊需求。 由于光模塊速率升級過程中會帶來功率損耗、信號失真等問題，以及速率提升中對光芯片性能提出了更高要求， 進而導致整體成本提升，驅動更高速率光模塊的多種技術演進。
CPO：AI算力下高效能比方案
大模型時代催生高算力需求
大模型時代帶來高算力需求，降低功耗將為超算廠商帶來競爭優勢。 大模型時代催生高算力需求 圖表3：大模型時代算力需求 www.cgws.com 6 據OpenAI測算，自2012年以來，全球頭部AI模型訓練算力需求3-4個月翻一番，每年頭部訓練模型所需算力增長幅 度高達10倍。高算力需求會帶來功耗上的提高，超算廠商的成本也會隨之上升。因此，在算力需求快速提升的背 景下降低功耗將為超算廠商帶來競爭優勢。
CPO技術：光電一體封裝，大幅降低功耗
CPO技術具有低功耗、高性能、高質量、高傳輸的優勢，隨著5G時代高帶寬的計算、傳輸、存儲的要求，以及硅光技術的成熟，板上和板間也進入了光互聯時代，通道數也大 幅增加，封裝上要求將光芯片與ASIC控制芯片封裝在一起，以提高互聯密度，提出了光電共封裝(CPO)的相關概念。 CPO是指把光引擎和交換芯片共同封裝在一起的光電共封裝，這種方式能夠使得電信號在引擎和芯片之間更快的傳輸， 縮短了光引擎和交換芯片間的距離，有效減少尺寸，降低功耗，提高效率。
CPO出貨量從800G開始，未來市場空間廣闊
CPO發展目前處于起步階段，未來市場空間廣闊。LightCounting認為，CPO出貨量預計將從800G和1.6T端口開始，于2024至2025年開始商用，2026至2027年開 始規模上量，主要應用于超大型云服務商的數通短距場景。CIR預計到2027年，共封裝光學的市場收入將達到 54 億美元。全球CPO端口的銷售量將從2023年的5萬增長到2027年的450萬。2027年，CPO端口在800G和1.6T出貨總數 中占比接近30%。Yole報告數據顯示，2022年CPO市場產生的收入達到約3800萬美元，預計2033年將達到26 億美元，2022-2033年復合年增長率為46%。
CPO應用于超大型云服務商數通短距場景，有效解決高速率高密度互聯傳輸
CPO將有效解決高速高密度互聯傳輸。LightCounting在2022年12月報告中稱，AI對網絡速率的需求是目前的10倍以上，在這一背景下，CPO有望將現有可插 拔光模塊架構的功耗降低50%，將有效解決高速高密度互聯傳輸場景。CIR表示，基于CPO的設備最初將用于超大規模 數據中心，此外，CPO預計將在一年左右的時間進入其他類型的數據中心，未來將進一步在邊緣和城域網絡、高性能計 算和傳感器等領域發揮更多優勢。
薄膜鈮酸鋰：技術突破，尺寸與集成度問題得以改善帶來新發展
發展歷程：鈮酸鋰材料已有百年研究過程
鈮酸鋰材料的研究已經接近100年，可以劃分為三個階段： 發展歷程：鈮酸鋰材料已有百年研究過程 第一階段(1928-1965年)：國外對鈮酸鋰的生長工藝和晶格結構展開研究。1928年礦物學家Zachariasian 首次對鈮酸 鋰結構特性開展初步研究;1937年，Sue等實驗合成了鈮酸鋰，未引起廣泛關注;直至1949 年，美國Bell實驗室的 Matthias 和 Remeika發現其高溫鐵電特性，鈮酸鋰正式進入人們視野;1964年，Bell 實驗室的Ballman利用Czochralski 法成功生長出厘米級鈮酸鋰晶體;1965年，Bell實驗室的Nassau和 Levinstein找到制備單疇鈮酸鋰的方法;1965年， Abrahams等建立新的鐵電與順電相下鈮酸鋰晶格結構模型 ，一直沿用至今。
第二階段(1964-1967年)：國外對鈮酸鋰的特性展開廣泛研究。由于突破了材料生長工藝，獲得了最優的晶格模型， 1964-1967年，美國Bell實驗室對鈮酸鋰的電光、倍頻、壓電、光折變等特性開展一系列研究。 第三階段(1970年至今)：我國從1970 年代開始鈮酸鋰晶體生長、缺陷、性能及其應用研究。1980年，南開大學與西 南技術物理所合作發現高摻鎂鈮酸鋰的高抗光損傷性能，該晶體被稱為“中國之星”;同年，南京大學突破了周期極化 鈮酸鋰的生長工藝，從實驗上實現了準相位匹配。
鈮酸鋰晶體性能優異，在調制器制備方案中優勢明顯
鈮酸鋰晶體具有光電效應多、性能可調控性強、物理化學性能穩定、光透過范圍寬等特點。1)鈮酸鋰晶體光電效應多，具有包括壓電效應、電光效應、非線性光學效應、光折變效應、光生伏打效應、光彈效 應、聲光效應等多種光電性能; 2)鈮酸鋰晶體的性能可調控性強，是由鈮酸鋰的晶格結構和豐富的缺陷結構所造成，鈮酸鋰晶體的諸多性能可以通 過晶體組分、元素摻雜、價態控制等進行大幅度調控; 3)鈮酸鋰晶體的物理化學性能相當穩定，易于加工; 4)光透過范圍寬，具有較大的雙折射，而且容易制備高質量的光波導;所以基于鈮酸鋰晶體的聲表面波濾波器、光調制器、相位調制器、光隔離器、電光調Q開關等光電器件在電子技術、 光通信技術、激光技術等領域中得到了廣泛研究和實際應用。
薄膜鈮酸鋰技術方案新突破，體積顯著變小，利于實現高度集成
鈮酸鋰方案雖有性能優勢，但也存在不足。1)性能提升空間：受限于鈮酸鋰材料中的自由載流子效應，傳統鈮酸鋰基光電調制器信號質量、帶寬、插入損耗等 關鍵性能參數的提升逐漸遭遇瓶頸，且與CMOS工藝不兼容。 2)尺寸問題：傳統鈮酸鋰調制器由于尺寸較大，難以滿足光器件小型化趨勢。 3)成本及價格問題：鈮酸鋰調制器價格數倍于磷化銦調制器，因此在中距離傳輸場景下磷化銦調制器更具優勢。
薄膜鈮酸鋰潛在市場空間接近百億
鈮酸鋰晶體市場穩步增長，鈮酸鋰調制器2024年潛在市場規模或近百億級。全球鈮酸鋰晶體市場穩步增長，2022年市場規模達1.46億美元。光學級是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年占比約 60%。根據QYReseach數據，2016年全球鈮酸鋰晶體市場營收為1.24億美元(約8億元)，預計2022年達到1.46 億美元(約10億元)，CAGR為2.26%。其中，光學級是鈮酸鋰晶體的主要類型，2016年全球光學級鈮酸鋰晶體 銷售收入約0.75億美元，約占全球銷售收入的60%。
薄膜鈮酸鋰調制器2024 年潛在市場規模或近百億級。隨著高速相干光傳輸技術不斷從長途/干線下沉到區域/數據 中心等領域，用于高速相干光通信的數字光調制器需求將持續增長，2024年全球高速相干光調制器出貨量將達到 200萬端，按照每個端口平均需要1～1.5個調制器，若薄膜鈮酸鋰調制器體滲透率可達50%，對應的市場空間約 82-110億元。
硅光技術：具有集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優異三大優勢
當前硅光模塊技術階段：硅光子集成
當下是混合集成，單片集成是未來技術發展方向。硅光的混合集成方案主要包括激光器直接放置技術和晶圓鍵合技術。直接放置技術主要是指采用倒裝焊或貼裝工藝，將 預先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面，通過焊球完成電連接，實現光源與硅光波導器件的混合集成。 晶圓鍵合技術是將III-V族材料外延層集成至硅波導等硅光器件上方，由III-V族材料產生的光可通過倏逝波耦合的方式進 入硅光子回路，完成片上光源與硅光子芯片的混合集成。單片集成方案主要指硅上異質外延III-V材料激光器。與混合集成光源相比，單片集成方案最主要的優勢是其能夠與硅光 子工藝同步縮小線寬、提高集成度，在大規模光子集成芯片的研制中有巨大潛力，這也是硅光子技術的主要發展方向。
硅光方案具有集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優異三大優勢
硅光方案具有集成度高、成本下降潛力大、波導傳輸性能優異三大優勢。“以光代電”是硅光技術出現的關鍵思路，即利用激光束代替電子信號進行數據傳輸。硅光子技術是利用現有 CMOS工藝進行光器件開發和集成的新一代技術，具有集成度高特點，并表現出成本、波導傳輸性能等方面的優勢。集成度高：硅光子技術以硅作為集成芯片的襯底，硅基材料成本低且延展性好，可以利用成熟的CMOS工 藝制作光器件。與傳統方案相比，硅光子技術具有更高的集成度及更多的嵌入式功能，有利于提升芯片的 集成度。
成本下降潛力大：傳統的GaAs/InP襯底因晶圓材料生長受限，生產成本較高。近年來，隨著傳輸速率的進 一步提升，需要更大的三五族晶圓，芯片的成本支出將進一步提升。與三五族半導體相比，硅基材料成本 較低且可以大尺寸制造，芯片成本得以大幅降低。波導傳輸性能優異：硅的禁帶寬度為1.12eV，對應的光波長為1.1μm。因此，硅對于1.1-1.6 μm的通信波 段(典型波長1.31μm/1.55 μm)是透明的，具有優異的波導傳輸特性。此外，硅的折射率高達3.42，與二 氧化硅可形成較大的折射率差，確保硅波導可以具有較小的波導彎曲半徑。
硅光方案產業化面臨設計架構、制造工藝、封裝、配套器件等難題
硅光方案產業化面臨設計架構、制造工藝、封裝、配套器件等難題。設計面臨著架構不完善、體積和性能平衡等難題：前端集成則面積利用率較低，工藝成本高;后端集成制造 難度大，尤其是波導制備還很難完成;混合集成的成本與設計難度仍然不小。 硅光芯片制造工藝不統一、設備短缺：光學元器件對制造工藝要求更精確，些許偏差就可能造成巨大問題， 從而影響到良品率與制造成本。 封裝問題：硅光芯片所采用的光的波長非常的小，跟光纖、激光器存在不匹配問題，導致耦合損耗比較大。 配套器件技術、成本問題：硅光芯片需要的配套光器件很多，如調制器、陶瓷套管/插芯、光收發接口等， 而這些光器件仍然面臨技術不完善、制造成本高等問題。
硅光模塊在高速率傳輸網中優勢明顯，需求增速將高于傳統光模塊
硅光模塊市場空間廣闊，未來在高速光模塊市場占有率將達到60%以上。2020年以來，全球大型數據中心、5G基站等建設速度加快，目前已進入快速發展期。在此背景下，全球光模塊市場景氣度將迅速提升，預計到2025年市場規模將達到180億美元左右。硅光模塊在高速率傳輸網中優勢明顯，需求增速將高于傳統光模塊，市場規模將快速擴張。Yole預計硅光模塊市場規模將從2016年的2.02億美元，增長到2025年的36.7億美元，200G/400G和100G光模塊市場規模的復合增長率分別達到95.9%、37.3%。新思界產業研究中心認為，2020年全球硅光模塊市場普及率較低，僅為15%左右，在5G與數據中心行業拉動下，預計到2025年其市場普及率將達到45%左右，其中，在高速光模塊市場中占有率更高，將達到60%以上。
硅光技術應用場景及相關廠商布局
數據中心、5G承載網、光傳感等市場將為硅光打開增長空間。 硅光技術應用場景及相關廠商布局 www.cgws.com 22 1)數據中心場景下，通信速率正由100、200G向400G、800G、1.6T迭代，而且迭代周期持續縮短。在此背景下， 傳統的可插拔光模塊在性價比及功耗方面難有進步空間，而高集成高速硅光芯片由于在潛在降價空間與功耗方面 有明顯優勢，成為更優越的選項。 2)在5G承載網市場中，5G前傳是硅光技術的又一市場增長點，Intel已針對5G前傳發布具有擴展工作溫度范圍的 100G收發器，支持在-40℃~85℃的工作溫度范圍內通過單模光纖實現10km鏈路。 3)光傳感領域硅光發展潛力巨大，現階段來看，面向自動駕駛的激光雷達硅光芯片以及面向消費者健康監測及診 斷的硅光芯片將是重要增長點。
LPO：成本優勢突出，滿足AI計算中心線短距、大寬帶、低延時要求
LPO技術方案：大幅減少系統功耗與時延
相較DSP方案，LPO可大幅度減少系統功耗和時延，但只適用于短距傳輸。 LPO技術方案：大幅減少系統功耗與時延，LPO(Linear-drive Pluggable Optics)是線性驅動可插撥光模塊，在數據鏈路中只使用線性模擬元件，無 CDR或DSP的設計方案。 通過LPO線性直驅的技術把DSP替換，使用高線性度、具備EQ功能的TIA和DRIVER芯片，功耗大幅降低、 延遲提升(功耗相較DSP可下降接近50%)，但是系統誤碼率和傳輸距離有所犧牲，LPO只適用于特定短 距離應用場景，如：數據中心服務器到交換機的鏈接，但未來可能會用于500m以內，滿足數據中心最大的 需求。 考慮到傳統光模塊中DSP芯片的BOM成本占比不低，LPO的低價格特性有可能在800G時代實現大放量。
LPO具有功耗低、低延遲、低成本、可熱插拔的優勢
LPO具有功耗低、低延遲、低成本、可熱插拔的優勢。 LPO具有功耗低、低延遲、低成本、可熱插拔的優勢。功耗低：相比于可插拔光模塊，LPO的功耗下降約50%，與CPO的功耗接近。低延遲：由于不再采用DSP，不涉及對信號的復原，整個系統的latency大大降低，可以應用到對延遲要求比較高 的場景，例如高性能計算中心(HPC)中GPU之間的互聯。低成本：由于不再需要采用5nm/7nm工藝的DSP芯片，系統的成本得以降低。800G光模塊中，BOM成本約為600- 700美金，DSP芯片的成本約為50-70美金。Driver和TIA里集成了EQ功能，成本會增加3-5美金，系統總成本下降 在8%左右。可熱插拔：相比于CPO而言，LPO仍然采用可插拔模塊的形式，其可靠性高，維護方便，可以利用成熟的光模塊 供應鏈，并未像CPO進行較大的封裝形式革新，成為LPO方案受到關注的另一大原因。
滿足AI計算中心線短距、大寬帶、低延時要求
LPO技術適用于AI大模型預訓練。800G LPO技術無需DSP或者CDR芯片，因此相比傳統的DSP解決方案大大降低了功耗和延遲。這種低延遲傳輸能 力非常有利于當前機器學習ML和高性能計算HPC等領域交換機之間，交換機到服務器和GPU之間的傳輸應用，而其 系統誤碼率和傳輸距離較短的問題，在AI計算中心短距離應用場景下解決，較為適合AI大模型預訓練場景，在AI時代有望加速落地。
