特种光纤：始于通信，立足传感，赋能AI与低空经济

光纤通常被认为是通信材料中的“大宗材料”，而受供需周期影响。但实际上，光纤也是应用最广泛的“无源器件”，随着AI算力、卫星通信、低空经济的兴起，光纤中的子品类——特种光纤的需求逐步增加，形成新的投资机会。 光纤自被发明以来，已经深刻改变了通信行业。数十年来，光纤网络承载了人类社会的电话、电视和电信互联网，当下，AI拉动超算需求，其通信设备性能决定了整套系统的IO能力；电信领域的“光进铜退”已是大势所趋，光纤已经渗透到用户的桌面设备。微观来看，在这一过程中，普通光纤难以满足一些特殊用途，诸多特种光纤应运而生。由于特种光纤类别繁多，我们主要讨论重要的光纤传感、光纤放大器和CPO交换机几大场景。 光纤陀螺仪：惯导服务于低空经济与卫星通信。1976年，犹他大学的Vali和Shorthill提出使用单模光纤制成光纤环，高精度、低成本的光纤陀螺仪正式诞生，取代传统的机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。后人依据Vali的理念，发展了保偏光纤、宽带波长稳定光源等光学器件，逐步改善光纤陀螺仪的性能。当今，低空经济、机器人概念兴起，基于光纤陀螺仪或MEMS陀螺仪的惯性导航已作为卫星导航的补充，成为无人驾驶工具的核心控制设备。 掺铒光纤放大器：带动光波分复用大步迈进，光传输网进入多路传输时代。在模拟通信转向数字通信的时期，“电子瓶颈”凸显（最大速率被物理限制在40Gbps），而光纤可以同时传输多路波长不同的光信号，波分复用应运而生； 而稀土掺杂光纤的发明使得掺铒光纤放大器诞生，其与密集波分复用技术相结合，组成大容量长距离的光传输网。 CPO：高集成度与热隔离之矛盾。CPO因其优秀的能耗管理，被博通、思科、英特尔等厂商广为推崇，但激光器发热从而影响交换芯片的问题暂时无法避免，因此，目前相关厂商的CPO产品多为外部激光源方案，这种方案需要外部光源发射信号时保持激光偏振态，因此需要保偏光纤连接光源和交换芯片。激光源发热短期难以解决，我们看好CPO内部保偏光纤的强需求。 空芯光纤：极大降低延迟、提升带宽，迎接AI超算挑战。今年2月，Lyntia、诺基亚、古河和Interxio联合实验空芯光纤，其相对单模光纤延迟降低30%以上，光传输速度提升近46%，且极大降低非线性效应，现场demo800Gbps和1.2Tbps，具有突破香农极限容量的潜力。若空芯光纤成功商用，可以进一步提升AI超算通信网络的带宽并降低延迟瓶颈，将资本开支倾斜至网络设备的性价比，有望进一步凸显。 投资建议：特种光纤属于量小价高的器件品种，与普通光纤的标准化程度高、易于批量制造不同，特种光纤厂商需掌握从原材料、工艺设计到生产制造的一条龙know-how，壁垒较高。我们建议重点关注经历过光纤光缆产业完整周期的龙头企业，如长飞光纤、亨通光电、中天科技、烽火通信等；同时关注业内专注于特种光纤应用的黑马企业，如太辰光、长盈通等。国外厂商，建议关注康宁、古河电工、藤仓等龙头企业。 风险提示：AI发展不及预期，低空经济发展不及预期，技术迭代风险。 重点标的 股票代码 1.特种光纤——材料、工艺、应用场景均不同的光纤 特种光纤可以定义为不符合单模和多模通信光纤标准的光纤。单模光纤广泛采用国际电信联盟（ITU）标准，也就是电信运营商集采时常出现的G.652型号；对于多模光纤，国际常用美国电信工业协会的光纤技术联盟（TIAFOTC）标准。这类标准化的单模/多模光纤用于传输特定波长的调制光信号，针对低损耗和模态特性进行了优化。而我们讲的特种光纤，要对信号传输以外的应用进行专门优化，例如，放大器、传感器、激光器、滤波器、环形谐振器等。为满足不同的应用场景，有数百种不同的特种光纤类型，在玻璃成分、纤芯等参数上有诸多针对性的定制、优化。具体来讲，特种光纤的“特种”主要体现在以下几个方面： 纤芯掺杂其它元素，如掺铒光纤放大器； 双折射特殊结构，如保偏光纤； 多包层，如光纤激光器、功率放大器； 耐辐射性，如太空通信激光系统； 特殊的折射率以控制波导特性，如激光功率传输系统。 详解光纤结构来看，单模/多模/保偏光纤的横截面最为特殊。通俗来讲，单模意味着光纤能够一次传播一种光的模长。而多模意味着光纤可以同时传播多种光模长。单模光纤的典型纤芯直径为9微米，而多模光纤通常为50或62.5微米，大纤径意味着更高的“聚光”能力，但相应地，由于光波会在多模光纤内由于折射而途径更长距离的介质，因此多模光纤的衰减比大于单模光纤，造成传输距离较短。多模光纤典型的工作波长为850nm 和 1310nm ，单模光纤的典型波长为 1310nm 和 1550nm 。 图表1：单模光纤、多模光纤对比 保偏光纤是一种特种光纤，用于维持光传输的偏振态。常规光纤在生产过程中，会受到外力作用等原因，使光纤粗细不均匀或弯曲等，就会使其产生双折射现象。当光纤受到任何外部干扰，例如波长、弯曲度、温度等的影响因素时，光的偏振态在常规光纤中传输时就会变得杂乱无章，在最坏的情况下，光探测器将无法区分数字“1和0”或模拟波形。保偏光纤的应用则是可以解决这一偏振态变化的问题，通过特殊设计纤芯的结构，产生更强烈的双折射，来消除应力对入射光偏振态的影响。 保偏光纤结构较为特殊 ，在制造时 ，通过内置不同热膨胀系数的 “应力部件”（Stress-applying parts，SAP），在光纤拉制时，SAP收缩率较高，就会产生永久的应力区域，如下图1、2、3黑影部分所示。椭圆芯光纤应用了形状双折射原理，而非掺杂SAP。 熊猫和领结型目前使用最为广泛。 图表2：常见的四种保偏光纤剖面结构：熊猫、领结、椭圆应力、椭圆芯 特种光纤属于精品市场，量小价高，市场规模不容小觑。以2020年为例，全球通信光纤安装量超过4.5亿公里，其中90%以上是G.652.D标准单模光纤，其余是多模光纤、抗弯曲光纤、低色散光纤。Fiber OpticCenter预计，全球特种光纤的总需求量约每年100万芯公里，不到通信光纤需求的0.5%，其中又以保偏光纤为主。但从价格来看，如前文所言，特种光纤工艺复杂，G.652.D每公里10美元左右，而稀土掺杂光纤价格可达到每公里5万美元。因此，从产值规模看，特种光纤难以忽视。从供应端角度，掌握特种光纤制备工艺的企业少之又少，以海外企业为主，因此，我国头部光纤厂商的国产替代市场相当广阔。我们引用Statista的数据，2025年全球特种光纤市场规模预计达到421亿美元，8年CAGR达到17.9%。 图表3：全球特种光纤市场规模（单位：百万美元） 2.特种光纤：一种特殊的光学“无源器件” 2.1特种光纤的首次亮相——光纤陀螺仪 特种光纤的首次亮相，可以追溯到冷战时期的军工领域。1976年，犹他大学的Vali和Shorthill提出使用单模光纤制成光纤环，高精度、低成本的光纤陀螺仪正式诞生，取代传统的机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。后人依据Vali的理念，进一步发展了保偏光纤、宽带波长稳定光源等光学器件，逐步改善光纤陀螺仪的性能。 光纤陀螺仪本身在测量旋转和加速度变量方面具有性能优势，军工领域中，采用光纤陀螺构成的陀螺组件既可以测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，引导导弹飞向目标，也可以测量飞行器的方位角速度和俯仰角速度，提供制导武器所需的初始数据。 因此，光纤陀螺在制导武器以及与制导武器有密切关系的机载惯性导航系统中获得了广泛的应用。 与传统机械陀螺相比，光纤陀螺仪无运动部件和磨损部件，有体积小、重量轻、灵敏度和分辨率极高（可达10°/s)、可靠性高、寿命长、功耗低等优点。光纤陀螺仪应用了萨格纳克（Sagnac）效应来测试物体是否旋转及旋转速度，萨格纳克效应，就是利用闭路中的光的特性来估计方向的变化，两束光在光纤线圈中以相反的方向发送，当物体旋转时，逆着旋转行进的光束会经历比其他光束稍短的路径延迟，计算两个光束之间的相移差异，就可以计算物体的旋转速度。 -7 图表4：一种典型的光纤陀螺仪外观 图表5：光纤陀螺仪架构 按原理和发明先后时间来区分，光纤陀螺仪可分为干涉型光纤陀螺仪（IFOG）、谐振型光纤陀螺仪（RFOG）和布里渊型光纤陀螺仪（BFOG）。 IFOG的原理是，利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光，把光相位的直接测量转化成光强度测量，这样就能比较简单地测出萨格纳克相位变化。IFOG的光纤环通常由单模光纤或者保偏光纤制作，由后者制作的光纤环可以提升光纤陀螺仪的性能，同时，提升光纤长度就可以增加陀螺仪的灵敏度。IFOG又分为开环式和闭环式，前者主要用作角速度传感器，线性度和动态范围都比较差，后者精密且复杂，主要用于中等精度的惯性导航系统。目前世界各国已经应用的产品大部分都是IFOG。 RFOG中，从激光器发出的光通过光纤耦合器 C4 和 C1 分作两路进入光纤谐振器，并形成传播方向相反的两路谐振光。当谐振器旋转时，两束谐振光将出现频率差，通过测算频率差即可得出旋转角速度。RFOG对光源的要求比较苛刻，但可以提供更高精度，且使用的光纤比较短（ 10m 左右），成本也比较低。 BFOG用光纤环替代了传统的环形激光陀螺仪的激光谐振腔，用泵浦激光器耦合进人光纤线圈中，并产生增幅的布里渊散射，在光纤线圈中产生光学谐振，且结构简单、体积小、生产成本低，且具有更大的动态范围，不过BFOG尚处于实验室阶段。 图表6：IFOG（左）、RFOG（中）、BFOG（右）的工作原理 光纤陀螺仪的诸多优势，使其成功“军转民”，现已在诸多领域得到广泛应用，并有逐步取代机电陀螺和激光陀螺仪的趋势，包括地质、石油勘探、汽车和机器人等领域。当今，低空经济、智能驾驶、机器人概念兴起，基于光纤陀螺仪或MEMS陀螺仪的惯性导航有望作为卫星导航的补充，成为无人驾驶工具控制系统的核心设备。在这一发展过程中，光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪的竞争由来已久，有观点认为MEMS陀螺仪将逐步取代光纤陀螺仪。我们认为，MEMS陀螺仪胜在成本较低，且作为半导体，与其它半导体元器件更容易耦合，例如，当下的智能手机已经普遍使用MEMS陀螺仪。但是在航空、智能驾驶等领域，出于稳定性和精度考虑，光纤陀螺仪仍有相当可观的用武之地，有研究认为，在自动驾驶、农业机械导航领域，在卫星导航可以使用的情况下，高性能MEMS陀螺仪可以取代一些低端光纤陀螺仪，若卫星信号不良，MEMS的性能有可能较光纤陀螺仪低20-30%；MEMS的抗电磁干扰能力也较弱，不适用于复杂电磁环境下使用。总结来说，二者基本不存在完全替代的关系，MEMS和光纤陀螺仪有各自擅长的应用领域。 图表7：MEMS陀螺仪、光纤陀螺仪和环形激光陀螺仪的精度、成本二维比较 图表8：MEMS陀螺仪与光纤陀螺仪比较 2.2掺铒光纤：彻底改变地面和太空光传输网 稍晚于光纤陀螺仪，在光传输网中，特种光纤也在发挥价值。光纤传输网已经承载了人类的电话、电视和电信互联网服务，光纤毫无疑问是现代通信业极为重要的工业品。光纤的本质是为光的传输提供一个合适的传输介质，也正因此，由于光纤内部并非真空，所以光纤传输的距离受到光损耗的限制，在上世纪的光传输网中，大约每隔100公里，就需要一个“中继站”来接收光信号，并转换为电信号对其进行波形整形和重定时，然后再转换为光信号进行传输。同时，随着光纤通信系统传输容量的增大，需要速率极高的电子器件，同样是很难解决的问题。因此，这种“光-电-光”的信号放大模式，不可避免地存在功耗、成本问题。 掺铒光纤放大器（Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer，EDFA）的问世引起光通信技术的一场革命，在以光纤为传输媒体的邮电通信、有线电视以及计算机网络的系统发挥着重要的作用。 简单来说，掺饵光纤放大器是利用在光纤中掺杂了稀土元素铒来实现光放大的。当用高能量的泵浦激光器激励掺铒光纤时，饵离子会发出频谱很宽的荧光带，这时光信号通过掺铒光纤时，荧光带的能量会转移到信号光上，使信号光得到增强和放大。 图表9：EDFA的工作原理 由于EDFA能同时放大多个波长或