通信行业光模块系列报告之二：AI算力时代，光模块新技术演进路径

证券研究报告 AI算力时代，光模块新技术演进路径 ——光模块系列报告之二 强大于市（维持） 长城证券产业金融研究院分析师侯宾 执业证书编号：S1070522080001 时间：2023年5月29日 核心观点 从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局。随着数据流量爆发与下游应用的丰富，驱动光模块产品向着更小型化、更 高速率、更低成本的方向演进；同时，光模块已发展至800G以及后续1.6T等速率的升级，带动光模块相关技术路线的 前瞻研发与迭代升级。 CPO方案：AI算力下高效能比方案。CPO方案将引擎和交换芯片共同封装，缩短了光引擎和交换芯片间的距离，主要应 用于超大型云服务商数通短距场景，将有效解决高速率高密度互联传输。 薄膜铌酸锂方案：技术突破，尺寸与集成度问题得以改善带来新发展。铌酸锂材料研究历史较早，具备优异性能；随 着薄膜铌酸锂新技术突破，大幅改善尺寸及价格问题，随着相干技术下沉为相干光调制器带来重要发展机遇。 硅光方案：具有集成度高、成本下降潜力大、波导传输性能优异三大优势。硅光模块在高速率传输网中优势明显，需 求增速将高于传统光模块；硅光模块有望在2025年高速光模块市场中占据60%以上份额。 LPO方案：成本优势突出，满足AI计算中心短距离、大宽带、低延时要求。相较DSP方案，LPO可大幅度减少系统功耗和时延，适用于短距传输；而其系统误码率和传输距离较短的问题，因为在AI计算中心短距离应用场景下较为适配，得以弥补。 我们认为，光模块作为AI算力环节中国产化程度高，技术储备前沿核心产品，受AI大模型发展驱动算力持续升级需求将带来快速增长，建议关注前瞻布局CPO/LPO等新技术主要玩家以及产品批量及出货情况。 相关标的：中际旭创、天孚通信、新易盛、博创科技、剑桥科技、华工科技、光迅科技、光库科技、联特科技、源杰科技、仕佳光子 风险提示：高算力发展不及预期、宏观经济波动风险、全球贸易波动风险、行业竞争风险。 www.cgws.com2 技术演进方向：更小型化、更高速率、更低成本 www.cgws.com 从光模块产品演进方向映射技术前瞻布局 光模块产品升级迭代路线：小型化、高速率、低功耗不断升级。 数据中心侧：随着数据流量爆发与下游应用的丰富，带动高速光模块速率的持续升级，当前全球主要玩家800G进入导入验证及批量出货进程，1.6T产品不断前瞻研发中。 电信侧：随着“双千兆”网络建设持续推进，不断推动国内外10GPON光模块持续升级。此外，海外光纤到户渗透率较低，随着新一轮升级改造，海外PON模块有望加速发展。 产品向高速率升级，驱动多种技术路线变革。 随着人工智能、物/车联网、工业互联网、AR/VR等新技术的逐步应用与产业化带来数据流量的快速增长，数据中心进一步向大型化、集中化转变，将带动高速率及中长距离光模块的快速发展。目前全球主要的云厂商已在数据中心内部批量部署200/400G光模块，随着AIGC发展趋势明朗，高算力需求催化更高速率的800G/1.6T光模块需求。 由于光模块速率升级过程中会带来功率损耗、信号失真等问题，以及速率提升中对光芯片性能提出了更高要求， 进而导致整体成本提升，驱动更高速率光模块的多种技术演进。 图表1：光模块发展趋势图表2：光模块封装形式发展 资料来源：RF技术社区、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com 资料来源：RF技术社区、长城证券产业金融研究院4 CPO：AI算力下高效能比方案 www.cgws.com 大模型时代催生高算力需求 大模型时代带来高算力需求，降低功耗将为超算厂商带来竞争优势。 据OpenAI测算，自2012年以来，全球头部AI模型训练算力需求3-4个月翻一番，每年头部训练模型所需算力增长幅度高达10倍。高算力需求会带来功耗上的提高，超算厂商的成本也会随之上升。因此，在算力需求快速提升的背景下降低功耗将为超算厂商带来竞争优势。 图表3：大模型时代算力需求 资料来源：《COMPUTETRENDSACROSSERASOFMACHINELEARNING》、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com6 CPO技术：光电一体封装，大幅降低功耗 CPO技术具有低功耗、高性能、高质量、高传输的优势 随着5G时代高带宽的计算、传输、存储的要求，以及硅光技术的成熟，板上和板间也进入了光互联时代，通道数也大幅增加，封装上要求将光芯片与ASIC控制芯片封装在一起，以提高互联密度，提出了光电共封装（CPO）的相关概念。 CPO是指把光引擎和交换芯片共同封装在一起的光电共封装，这种方式能够使得电信号在引擎和芯片之间更快的传输，缩短了光引擎和交换芯片间的距离，有效减少尺寸，降低功耗，提高效率。 图表4：CPO缩短距离后保持高质量传输图表5：CPO交换机示意图 传统的连接方式，叫做Pluggable（可插拔）。光引擎是可插拔的光模块。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过SerDes通道，送到网络交换芯片（AISC）。 CPO是将交换芯片和光引擎共同装配在同一个Socketed（插槽）上，形成芯片和模组的共封装。 根据AyarLabs数据，以32×100Gbps为例，现在所使用的交换机功耗436W，而CPO交换机通过共同封装大幅度缩短电连接，功耗仅230W。 资料来源：锐捷官网、长城证券产业金融研究院资料来源：CNDS、易飞扬通信、长城证券产业金融研究院 CPO的低功耗或将成为AI高算力下高效能比方案： 1）功耗：CPO是芯片和光引擎的共封装，可以有效降低功耗。 2）体积/传输质量：满足超高算力后光模块数量过载问题。同时将光引擎移至交换芯片附近，降低传输距离，一方面 体积有望进一步缩小；同时提高高速电信号传输质量。 3）成本：耦合之后未来伴随规模上量，成本或有一定经济性。 www.cgws.com7 CPO出货量从800G开始，未来市场空间广阔 CPO发展目前处于起步阶段，未来市场空间广阔。 LightCounting认为，CPO出货量预计将从800G和1.6T端口开始，于2024至2025年开始商用，2026至2027年开始规模上量，主要应用于超大型云服务商的数通短距场景。CIR预计到2027年，共封装光学的市场收入将达到54亿美元。 图表6：CPO市场规模预测（百万美元） 图表7：CPO未来将维持快速增长 资料来源：中际旭创2022年年报、CIR《MarketsforCo-Packaged Optics2022-2030》、长城证券产业金融研究院 资料来源：中际旭创2022年年报、Yole、长城证券产业金融研究院 全球CPO端口的销售量将从2023年的5万增长到2027年的450万。2027年，CPO端口在800G和1.6T出货总数中占比接近30%。Yole报告数据显示，2022年CPO市场产生的收入达到约3800万美元，预计2033年将达到26亿美元，2022-2033年复合年增长率为46%。 www.cgws.com8 CPO应用于超大型云服务商数通短距场景，有效解决高速率高密度互联传输 CPO将有效解决高速高密度互联传输。 LightCounting在2022年12月报告中称，AI对网络速率的需求是目前的10倍以上，在这一背景下，CPO有望将现有可插拔光模块架构的功耗降低50%，将有效解决高速高密度互联传输场景。CIR表示，基于CPO的设备最初将用于超大规模数据中心，此外，CPO预计将在一年左右的时间进入其他类型的数据中心，未来将进一步在边缘和城域网络、高性能计算和传感器等领域发挥更多优势。 图表8：国内CPO厂商布局情况 股票名称 代码 当前技术/产品进展 布局方向 中际旭创 300308.SZ 800G和相干系列产品等已实现批量出货，1.6T光模块和800G硅光模块已开发成功并进入送测阶段，CPO技术和3D封装技术也在研发中 进一步加大800G、1.6T及以上高速率光模块、电信级光模块、硅光和相干等技术研究 天孚通信 300394.SZ 高速光引擎、800G光器件、车载激光雷达用光器件、保偏光器件等研发项目顺利进展，开发CPO用光引擎，目前已实现小批量出货 在高速光引擎、激光雷达用光器件、800G模块用光器件等核心产品方面持续深耕 博创科技 300548.SZ 10GPON光模块系列型号持续扩充，数据中心用400G模块产品型号实现全覆盖，50GPON光模块、800G数通硅光模块和CPO产品正在研发中 积极开发下一代数据中心用硅光模块以及下一代无线传输网用光模块 联特科技 301205.SZ 公司已经加入多个国际标准组织参与NPO/CPO的技术规范制定。目前实现了激光器在超高功率和高热应用环境下的封装和测试，并通过了可靠性评估 加大硅光集成技术的研发投入力度，建立高水平的高速激光器/探测器等光器件集成工艺平台 仕佳光子 688313.SH 面向CPO硅光应用开发的高功率DFB光源开始小批量销售 从“无源+有源”逐步走向光电集成，推动光芯片及器件、室内光缆和线缆材料等横向、纵向产业布局 资料来源：中际旭创2022年报、天孚通信2022年报、博创科技2022年报、联特科技2022年报、仕佳光子2022年报、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com9 薄膜铌酸锂：技术突破，尺寸与集成度问题得以改善带来新发展 www.cgws.com 发展历程：铌酸锂材料已有百年研究过程 铌酸锂材料的研究已经接近100年，可以划分为三个阶段： 第一阶段（1928-1965年）：国外对铌酸锂的生长工艺和晶格结构展开研究。1928年矿物学家Zachariasian首次对铌酸锂结构特性开展初步研究；1937年，Sue等实验合成了铌酸锂，未引起广泛关注；直至1949年，美国Bell实验室的Matthias和Remeika发现其高温铁电特性，铌酸锂正式进入人们视野；1964年，Bell实验室的Ballman利用Czochralski 法成功生长出厘米级铌酸锂晶体；1965年，Bell实验室的Nassau和Levinstein找到制备单畴铌酸锂的方法；1965年，Abrahams等建立新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型，一直沿用至今。 第二阶段（1964-1967年）：国外对铌酸锂的特性展开广泛研究。由于突破了材料生长工艺，获得了最优的晶格模型， 1964-1967年，美国Bell实验室对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开展一系列研究。 第三阶段（1970年至今）：我国从1970年代开始铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究。1980年，南开大学与西南技术物理所合作发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能，该晶体被称为“中国之星”；同年，南京大学突破了周期极化铌酸锂的生长工艺，从实验上实现了准相位匹配。 图表9：铌酸锂材料发展历程 时间 事件 1928年 首次对铌酸锂结构特性开展初步研究 1937年 实验合成了铌酸锂 1949年 发现铌酸锂其高温铁电特性，正式进入人们视野 1964年 成功生长出厘米级铌酸锂晶体 1965年 找到制备单畴铌酸锂的方法，建立新的铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型 1964-1967年 对铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开展一系列研究 1970年 对铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究 1980年 发现高掺镁铌酸锂的高抗光损伤性能，突破了周期极化铌酸锂的生长工艺，从实验上实现了准相位匹配。 资料来源：康冠光电官网、长城证券产业金融研究院 www.cgws.com11 铌酸锂晶体性能优异，在调制器制备方案中优势明显 铌酸锂晶体具有光电效应多、性能可调控性强、物理化学性能稳定、光透过范围宽等特点。 1）铌酸锂晶体光电效应多，具有包括压电效应、电光效应、非线性光学效应、光折变效应、光生伏打效应、光弹效应、声光效应等多种光电性能； 2）铌酸锂晶体的性