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光模塊和光通信的技術應用與市場發展

jf_uPRfTJDa ? 來源:5G通信 ? 作者:5G通信 ? 2022-11-22 10:49 ? 次閱讀

1、光模塊發展

光模塊(Optical Transceiver)是指進行光電和電光轉換的光電子器件。光模塊的發送端把電信號轉換為光信號,接收端把光信號轉換為電信號,主要由光纖接口、信號處理單元、電路接口三部分組成。廣泛應用于數據中心(云)、電信網絡(管)、接入終端(端)領域。

伴隨著“光進銅退 ”,光模塊開始崛起。當通信進入現代科技階段,首先以電為研究對象。從早期的固定電話,到 2G、 3G 無線通信基本都是基于電的通信方式。但受限于電纜本身的特性無法實現高速率信號的長距離傳輸。用電傳輸信號,隨著傳輸距離增加頻率越高,損耗越大,信號變形越厲害,從而引起了接收機的判斷錯誤,導致通信失敗。為了克服這個限制,光模塊 把電信號在發射端轉成光信號 , 即發送器Transmitter),負責將設備產生的電信號轉換成光信號發出;而在接收端再把收到的光信號轉換成電信號,即為接收器( Receiver)。

把 Transmitter 和 Receiver 封裝在一個模塊里,組合成為 Transceiver,既可以發送也可以接收,即為光模塊 optical transceiver)。

1.1、 光模塊種類、功能不斷演進

光模塊自身進化經歷了速率提升、封裝形式改變、接入應用改變和功能提升等方面。其中 SFP (Small Form-Factor Pluggable) 的 Transceiver模塊 , 也稱為小封裝可插拔模塊,支持熱插拔,即插即用。SFP的速率越做越高,從 1.25G、 2.5G、 4G、 6G、到了10Gb/s以后 , 原先的封裝大小已無法滿足,因此定義了新的標準 XFP。

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XFP指的是10Gb/s速率的可插拔光模塊。隨著集成工藝的提升,可以實現將 XFP裝進 SFP,這種新的 SFP的 Transceiver稱作 SPF+,即增強型 SFP模塊。SFP和 SFP+尺寸大小,但比早期的 XFP光模塊外觀尺寸縮小了約 30%。和 SFP連接器定義,功能完全相同,簡化了設計,功耗更小。為了區分,把支持 8Gb/s以 5G上的 SFP稱為 SFP+。

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1.2、 光模塊將向高速、小型、長距和熱插拔發展

目前,擴展速率通信網絡傳輸容量的增大光纖通信已成為主要通信方式。對光收發模塊的要求逐漸提升,主要表現為高速率、小型化、低功耗、遠距離和熱插拔。人們的需求越來越多的信息量,信息傳輸速度的要求越來越快,光通信網絡作為現代信息交換、處理和傳輸的中流砥柱,是超高頻率、高速度、大容量、傳輸速率高、大容量、發送每個信息成本越來越小。

光學裝置一般采用混合集成技術和密封的包裝過程,下一步將有望向不氣密發展,需要依靠被動光學耦合技術來提升自動化生成程度,降低成本。光學網絡鋪設距離增加要求遠程收發器相匹配,要求光模塊向遠距離發展。光模塊未來需支持熱插拔,即沒有切斷電源時光模塊可以連接或斷開 設備。

網絡管理人員可以在不關閉網絡時升級和擴展的系統,不影響在線用戶使用。熱插拔可以簡化了維護工作,使最終用戶更好地管理他們的光模塊。同時,由于換熱性能 ,光模塊可以讓網絡管理人員根據網絡升級需求,總體規劃,鏈接距離輸電費用和所有網絡的拓撲結構,而不需要更換所有的系統板。光學模塊支持熱插拔有 GBIC和SFP(小形式可插入 ),因為 SFP和外觀差不多的大小,設定觸發器可以直接插在電路板,應用范圍廣,因此其未來發展值得期待。

硅光模塊有望成為推動光通信產業新動力。硅光子技術是基于硅和硅基襯底材料 (如SiGe/Si、 SOI 等 ),利用現有 CMOS 工藝進行光器件開發和集成的新一代技術,結合了集成電路技術的超大規模、超高精度制造的特性和光子技術超高速率、超低功耗的優勢,是應對摩爾定律失效的顛覆性技術。硅光模塊優勢十分明顯,包括低能耗、低成本、帶寬大、傳輸速率高等。

但同時由于硅光芯片在材料和生產技術方面的復雜,目前仍存在著明顯的劣勢,比如成本高、技術成熟度低等。隨著硅光技術探索的不斷深入,未來硅市場有望迎來迅猛增長。Yole的數據顯示, 2018-2024年硅光市場規模年復合增長率為 2024年有望增長到 40億美 元。

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2、光模塊市場發展

光模塊是信息光電子技術領域核心的光電子器件,是構建現代高速信息網絡的基礎。2012年工信部頒布《電子信息制造業 “十二五 ”發展規劃》,明確指出將推動智能光網絡和大容量、高速率、長距離光傳輸、光纖接入( Fttx)等技術和產品的發展,近年來,國家制定了多項產業政策和實施方案以支持行業發展,助力行業升級。2018年工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖( 2018-2022年)》中對光模塊器件發展提出了新的標準。

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2.1、 5G全產業鏈激發光模塊需求

運營商發力5G基站建設,光模塊需求持續不斷擴容。2019年我國已建成超過 13萬個 5G基站, 2020年為 5G基站大規模建設元年,主要覆蓋城市區域。2020年 5G網絡建設將更多 SA 組網為主,商用價值更高。2020年兩會期間,工信部表示我國每周新增 1萬多個基站。根據運營商投資計劃來看,三大運營商 2020年 9月份 將建成70萬個基站 而 9-12月份建設并不會停止 。隨著中國廣電作為新入局者,與中國移動共享共建 700MHZ 5G基站 前傳 、 中回傳有望進一步擴容 。

光模塊是5G網絡物理層的基礎構成單元,廣泛應用于無線及傳輸設備。5G 網絡主要由三個主要部分組成,分別為無線網、承載網、核心網。其成本在系統設備中的占比不斷增高,部分設備中甚至超過 50-70%,是 5G低成本、廣覆蓋的關鍵要素。

5G網絡建設相較于 4G對光模塊提出的新的要求。5G 無線接入網( RAN)重新劃分為有源天線單元( AAU)、分布單元 DU)、集中單元 CU)部分。在無線網側的基站中, AAU與 DU之間的前 傳光模塊將從 10G升級到 25G,新增加了 DU和 CU間的中傳光模塊的需求。假設一個 DU承載一個基站,每個基站連接 3個 AAU,每個AAU一對收發接口,5G前傳將為 25G光模塊帶來至少 3000萬個的規模需求。

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5G 網絡將以 SA 組網為主,需要建設獨立的 5G承載網。5G承載網分為骨干網,省網和城域網。在承載網的回傳中,城域網的需求從 10G/40G升級到 100G,城域網進一步可細分為核心層,匯聚層,接入層,不同層級的承載網通過不同的端口速率提供不同能力的中回傳服務,需要不同速率的中回傳光模塊。骨干網對光模塊的需求將從 100G升級到 400G。

5G網絡商用將帶動全球大型 /超大型數據中心的建設,進一步拉動光模塊市場需求。5G網絡的大帶寬、廣連接、低時延將極大提高數據通信量,并帶動高清視頻VR云計算等下游產業發展,對數據中心內部數據傳輸提出了更高要求。大型數據中心的擴容、新建、網絡性能的優化將進一步開展。

根據 Cisco的預測,全球 IDC市場規模將持續增長,到 2021年全球將有 628個超大規模數據中心,相比 2016年的 338個,增長近 1.9倍。Cisco預測全球云計算總量將從 2016年的 3850EB增長到 2021年 14078EB。

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全球數據中心進入400G時代,要求光模塊向高速率、長距離發展。數據中心大型化趨勢導致傳輸距離需求提升,多模光纖的傳輸距離受限于信號速率的提升,預計將逐漸被單模光纖代替。大型數據中心的建設將帶動光模塊行業產品升級,高端光模塊產業需求有望放量。

扁平化新型數據中心增加了對光模塊的需求。數據中心架構從傳統的 “三層匯聚 ”向“兩層葉脊架構 ”轉型升級,使數據中心從基于縱向(南北向)流量建立變為基于橫向(東西走向)建立,滿足數據中心東西流量需求的同時加速數據中心內部的橫向擴展。

傳統三層架構下光模塊數量約為機柜數的8.8 倍( 8 個 40G 光模塊, 0.8個 100G 光模塊),改進的三 層架構下光模塊數量約為機柜數的 9.2 倍( 8 個 40G 光模塊,1.2 個 100G 光模塊),新興的兩層架構下光模塊數量約為機柜數的 44 或 48 倍(其中 80-90%是 10G 光模塊,配置 8 個 40G 模塊或 4 個 100G 模塊)。

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3、 并購不斷,光模塊行業馬太效應凸顯

國際市場主要有Finisar、 Avago 和 Source Photonics 等國際知名企業,專注于高端光模塊的研發及生產。光通信行業持續發展的背景下,光模塊企業加快并購重組,進行產業鏈垂直整合,行業集中度進一步提高。2017年光器件市場份額前三分別為Finisar、 Lumemtum和 Oclaro CR4為 2018年 Lumemtum收購 Oclaro II-VI收購光器件市場領導者 Finisar,光模塊行業頭部企業強強聯手,競爭度逐漸增加。

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頭部公司致力于光芯片等高利潤領域,組裝產業逐漸向中國轉移。根據 Ovum的數據,國產廠商光模塊銷售額排名不斷提升,預計 2020年中際旭創 有望成為全球銷售額第一的供應商,打破 Finisar連年第一的格局。

國產廠商近年來也加大并購力度,不斷布局高端光模塊產品,實現升級。劍橋科技接連收購 MACOM公司日本子公司MACOM Japan部分業務,從 Oclaro日本公司購買光模塊生產線,接入高速光模塊業務。

審核編輯:郭婷

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原文標題:詳解:光模塊和光通信知識

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