5G時(shí)代25G光模塊將是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)力

隨著光通信行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，帶寬需求不斷提升，通信設(shè)備制造商和通信運(yùn)營(yíng)商,將不斷加大對(duì),光通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備投入，從而帶動(dòng)光模塊行業(yè)的發(fā)展。全球光模塊市場(chǎng)保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)Ovum的數(shù)據(jù)，2015-2021年全球光通信市場(chǎng)規(guī)模呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。2017年，全球光通信市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到101億美元，并始終保持快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)都2020年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到166億美元，預(yù)測(cè)的未來三年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到18%。

光通信技術(shù)的發(fā)展離不開里程碑式的光電子器件技術(shù)突破，上世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖的出現(xiàn)開啟光纖通信的大門，80年代的DFB激光器技術(shù)，90年代的摻鉺光纖放大器(EDFA)技術(shù)，2000年的密集波分復(fù)用技術(shù)，2010年的相干通信技術(shù)都推動(dòng)著光通信系統(tǒng)，按傳輸容量每十年翻1000倍的速度快速發(fā)展

那么，未來對(duì)于光模塊產(chǎn)業(yè)而言會(huì)有怎樣的發(fā)展特征?又呈現(xiàn)出怎樣的發(fā)展趨勢(shì)呢?亨通光網(wǎng)技術(shù)總監(jiān)徐虎做了一番專業(yè)技術(shù)分析。

未來三年，光模塊技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展將呈現(xiàn)出高速率、集成化、大帶寬、小尺寸、低功耗等幾大特征。

(一)高速率

在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，光收發(fā)模塊會(huì)兼顧性能與成本的方式，提升速率與容量。

1、在傳送網(wǎng)領(lǐng)域

目前100Gb/s DP-QPSK技術(shù)已經(jīng)成熟，并成為傳送網(wǎng)主流;而新技術(shù)及應(yīng)用也不僅聚焦于干線，逐漸向城域網(wǎng)下沉、延伸。未來幾年，城域網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心將是增長(zhǎng)最快的細(xì)分市場(chǎng)。

在超100Gb/s方面，400Gb/s/1Tb/s技術(shù)發(fā)展平穩(wěn)，編碼級(jí)數(shù)、比特率進(jìn)一步提升，調(diào)制碼型多樣化，除了最初的DP-QPSK、DP-8QAM和DP-16QAM之外，DP-32QAM和DP-64QAM等碼型也逐漸加入競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列。目前看，多種碼型并存的現(xiàn)狀并沒有改變，尚無絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的傳輸碼型。

2、在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域

隨著帶寬流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，以太網(wǎng)接口速率發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了光電子器件物理帶寬的發(fā)展速度，空分復(fù)用(PSM)、波分復(fù)用(CWDM、LAN-WDM、4WDM)、以及高階調(diào)制(PAM-4)逐漸成為趨勢(shì)。

目前，100Gb/s光模塊主要采用QSFP28封裝形式，400 Gb/s光收發(fā)模塊的封裝形式，由于實(shí)現(xiàn)難度大，而且不同廠商聯(lián)盟的勢(shì)均力敵，主要集中在OSFP 和 QSFP-DD兩大多源協(xié)議上。

3、在光纖接入網(wǎng)領(lǐng)域

在無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)領(lǐng)域，技術(shù)路線大致分為GPON和EPON兩類。隨著FTTx的不斷普及以及4K/8K視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等高帶寬需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用不斷興起，用戶對(duì)接入帶寬的需求不斷提高。

4、在4G/5G承載網(wǎng)領(lǐng)域

不同于以前3G?和 4G移動(dòng)通信，5G移動(dòng)通信技術(shù)不僅僅是升級(jí)換代，更是未來數(shù)字世界的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，將真正創(chuàng)建一個(gè)全聯(lián)接的新世界。為了適應(yīng)大帶寬、低時(shí)延和海量連接業(yè)務(wù)，對(duì)5G承載網(wǎng)在帶寬、容量、時(shí)延和組網(wǎng)靈活性方面提出了新的需求。5G承載網(wǎng)架構(gòu)分為前傳、中傳、回傳三部分。

5G回傳網(wǎng)絡(luò)中，核心層與匯聚層線路側(cè)帶寬范圍在100Gb/s~600Gb/s之間。面向5G接入層設(shè)備客戶接口需10GbE/25GbE，網(wǎng)絡(luò)接口帶寬大于25Gb/s。5G中傳網(wǎng)絡(luò)中，傳輸帶寬接近回傳網(wǎng)絡(luò)要求。5G前傳網(wǎng)絡(luò)中，采用eCPRI接口，帶寬在25Gb/s以內(nèi)。

以一個(gè)大型城域網(wǎng)為例，5G?基站數(shù)量 12000 個(gè)，帶寬收斂比取 6:1。核心層的帶寬需求在初期就將超過 6Tb/s，成熟期將超過 17Tb/s。因此，在 5G 傳送承載網(wǎng)的接入、 匯聚層需要引入 25Gb/s、50Gb/s 速率接口， 而核心層則需要引入 100Gb/s 及以上速率的接口。

(二)集成化

為了滿足市場(chǎng)對(duì)低功耗、低成本、高密度和高可靠性的需求，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界加大了對(duì)光子集成、光電集成與硅基光子集成技術(shù)工藝的關(guān)注與投入。光電子器件、模塊供應(yīng)商通過集成可以降低封裝、耦合等制造成本;運(yùn)營(yíng)商用戶可以通過集成降低設(shè)備功耗、機(jī)房占用面積、以及系統(tǒng)開通等運(yùn)營(yíng)成本。

目前國內(nèi)的研發(fā)單位有中科院半導(dǎo)體所、微電子所、華為、光迅、上海信及等機(jī)構(gòu)和企業(yè)，技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化上與國外還存在較大差距。光子集成器件位于光電子器件產(chǎn)業(yè)中的頂部，是整個(gè)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心部分，我們應(yīng)抓住這一技術(shù)變革契機(jī)，布局人才儲(chǔ)備，注重基礎(chǔ)工藝平臺(tái)建設(shè)與技術(shù)積累，推進(jìn)光子集成核心技術(shù)的研發(fā)與突破，從而大幅度提升我國光電子器件國產(chǎn)化水平和創(chuàng)新能力。

(三)大寬帶

提供更優(yōu)的信道資源是提供光通信容量的主要技術(shù)手段之一。超低損耗大有效面積光纖的產(chǎn)業(yè)化，多芯、少模光纖通信技術(shù)的學(xué)術(shù)研究都是近些年的熱點(diǎn)，在光電子器件領(lǐng)域，也在圍繞優(yōu)化光纖傳輸性能不斷優(yōu)化光放大器、光纖連接器與光背板等。

(四)小尺寸

更小的光器件、模塊尺寸有助于系統(tǒng)設(shè)備商縮小整機(jī)尺寸、提高面板的帶寬密度，有利于運(yùn)營(yíng)商用戶減少機(jī)房占用面積，節(jié)約運(yùn)維經(jīng)費(fèi)等。

以光收發(fā)模塊為例，從早期的1x9、GBIC、SFP，Xenpak、X2，到現(xiàn)在XFP、SFP+、SFP28、QSFP+、QSFP28以及CFPx系列，可以明顯看出，模塊的封裝尺寸逐漸變小。相同速率封裝變小，或是同樣封裝速率提升。目前，線路側(cè)100GGb/s相干光模塊已經(jīng)從最初的5吋x7吋固定安裝方式，向4吋x 5吋，進(jìn)一步向CFP-DCO、CFP2-ACO封裝形式及更低功耗演進(jìn)。400Gb/s相干光收發(fā)模塊的封裝形式可能是CFP8-ACO、CFP2-DCO、OSFP或 QSFP-DD，參加下圖。其中QSFP-DD的尺寸最為緊湊。客戶端光模塊從CFP封裝形式向尺寸、功耗更小的CFP2形式切換，隨著數(shù)據(jù)通信產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，未來客戶側(cè)封裝形式會(huì)與數(shù)通模塊逐漸統(tǒng)一，如QSFP28，或者400Gb/s OSFP、QSFP-DD封裝形式。

模塊發(fā)展趨勢(shì)

隨著人們對(duì)信息處理的需求不斷增大，網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)流量不斷攀升。根據(jù)Cisco和愛立信公司預(yù)測(cè)，全球互聯(lián)網(wǎng)流量將從2016年每月80EB 增長(zhǎng)到2022年 240EB，其中，無線移動(dòng)流量的年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到45%。

互聯(lián)網(wǎng)流量必然帶來光網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的增長(zhǎng)。根據(jù)Lightcounting公司測(cè)算模型，互聯(lián)網(wǎng)流量的增長(zhǎng)速率與光通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的增長(zhǎng)保持一致。

因此，未來光電子器件市場(chǎng)依然向好。咨詢公司Ovum給出了2018-2021年光器件市場(chǎng)預(yù)測(cè)。其中數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)需求的CAGR增長(zhǎng)率最高，超過18%，2021年預(yù)計(jì)達(dá)到60.96億美金，電信傳輸網(wǎng)市場(chǎng)需求CAGR增長(zhǎng)率超過12%，2021年達(dá)到91.36億美金。主要光電子器件的行業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)如下：

(一)電信傳輸網(wǎng)光收發(fā)模塊

以DWDM(密集波分復(fù)用)線路側(cè)光器件作為代表，與光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)相同，100Gb/s光模塊保持著最大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2017年突破30億美金，并穩(wěn)定增長(zhǎng)，200Gb/s光模塊增長(zhǎng)幅度最大，并將在2018年超過10Gb/s DWDM模塊市場(chǎng)。

圖2：DWDM線路側(cè)不同速率光器件收入規(guī)模預(yù)測(cè)

(二)數(shù)據(jù)通信光收發(fā)模塊

根據(jù)Cisco預(yù)測(cè)的超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量增長(zhǎng)情況，從2017年到2020年，全球?qū)⑿略?88個(gè)超大型數(shù)據(jù)中心，假設(shè)以每個(gè)數(shù)據(jù)中心20萬平方英尺的規(guī)模計(jì)算(參照AWS全球30+個(gè)數(shù)據(jù)中心，總面積規(guī)模約為670萬平方英尺)，則所需100Gb/s光收發(fā)模塊將達(dá)近一億只。而且，數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品迭代速度快于傳統(tǒng)光傳輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品(亞馬遜、谷歌和微軟都曾表示他們計(jì)劃三年左右升級(jí)一次光連接產(chǎn)品)，對(duì)高速光電器件/光收發(fā)模塊的需求更加急迫。下圖是咨詢機(jī)構(gòu)LightcounTIng給出的數(shù)據(jù)通信光收發(fā)模塊的發(fā)貨情況(包括歷史和預(yù)測(cè)數(shù)據(jù))。其中100Gb/s數(shù)通光模塊從2017年開始發(fā)貨量增長(zhǎng)迅速，與之相伴隨的是40Gb/s的光模塊發(fā)貨量增長(zhǎng)放緩并開始呈下降趨勢(shì)。

圖3：數(shù)據(jù)通信光收發(fā)模塊數(shù)量增長(zhǎng)預(yù)測(cè)

(三)PON光收發(fā)模塊

到2017年中旬，全國光纖接入用戶達(dá)2.28億戶，這其中絕大多數(shù)為GPON和EPON接入方式。而隨著用戶數(shù)據(jù)量的增加，用戶體驗(yàn)要求的提升，高清電視，VR等應(yīng)用的興起，傳統(tǒng)GPON和EPON網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足需求。目前10G PON技術(shù)已經(jīng)成熟，成本在逐漸降低，10G PON將成為接入網(wǎng)主流，預(yù)計(jì)2017～2022年10G PON的年平均增長(zhǎng)率將達(dá)到 27%，并逐漸全面取代傳統(tǒng)GPON和EPON。

(四)無線前傳光收發(fā)模塊

5G時(shí)代即將到來，預(yù)計(jì)到2022年，各運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)的高峰期。基站天線從2*2MIMO向4*4MIMO升級(jí)，推動(dòng)了基站光模塊從以6Gbps/10Gbps為主向以10Gbps/25Gbps/50Gbps為主升級(jí)。根據(jù)LightcounTIng數(shù)據(jù)，2017年之后無線前傳市場(chǎng)需求逐年增大，且25Gb/s速率光收發(fā)模塊需求量快速上升，到2022年細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模超過7.1億美金，其中以10Gb/s和25Gb/s速率為主。

圖4：無線前傳的光模塊銷售預(yù)測(cè)

總體上，全球光收發(fā)模塊市場(chǎng)占據(jù)著光電子器件中的最大份額，而且根據(jù)Ovum數(shù)據(jù)，光收發(fā)模塊市場(chǎng)規(guī)模仍將快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2022年增至110億美元。25G光模塊產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用逐步替代10G光模塊成為主流，數(shù)據(jù)中心、無線網(wǎng)、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)對(duì)25G光收發(fā)模塊形成了需求合力，將是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)力。