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随着5G到来,光通信该如何发展?

来源 : www.penghaida.com   发布时间 : 2022/3/4 23:36:00

现代通信起始于1873年摩尔斯发明的电报,实现了用电传输文字信息,再之后到有线电话、电视、无线电话的发明和应用都是基于有线或无线电的通信方式。

但是由于电子信号本身的较易受电磁干扰和只能串行通信的特性,无法实现高速率信号长距离的传输,于是人们展开了对光通信的探索。

光通信实现应用的标志是上世纪七十年代美国康宁根据高锟的设想成研制了第一条20dB/Km的低损耗单模光纤,由此开始,光通信进入了蓬勃发展阶段。

光通信以光子作为信息传输的载体,光子本身具有极快的响应能力、极强的并行能力,而且无电荷,将其作为信息的载体无电磁干扰情况又具备极好的保密性,依靠这些特性,光通信在信息传输上具备长距离、高速率、大容量、高可靠性的优势。

随着全球信息技术产业的持续发展,通信中的数据流量规模愈加庞大,互联网接入带宽速率与数据流量规模同步增长,以铜线为载体的传输方式无法满足升级需求,于是光纤逐渐取代铜线,在5G、云计算、物联网等技术推动的数据流量高速增长下,“光进铜退”已经是全球通信产业的发展趋势。

光通信在通信中的应用首先在较长传输距离的运营商广域网和城域网中,后随着成本的降低,逐渐下沉到中短距离的局域网中,在园区和企业内部中都有应用。

近年来,云计算需求的增长推动了数据中心的规模扩大和技术升级,为了提升数据中心内部和外部的数据传输速度,应对数据量指数级的增长,光通信广泛应用在数据中心内部的通信设备间,随着数据中心产业规模的不断提升,未来有望成为光通信的最大市场。

目前由于技术的限制,如今的IT设备只能识别电信号,不能够识别光信号,仅通过光纤是无法实现设备之间通信的,需要通过光纤收发器或光模块协助设备进行发送端和接收端的电光、光电转换。

光纤收发器是独立的设备,一般使用在较远距离传输中,两端的设备使用网线分别连接两端的光纤收发器,光纤收发器之间通过光纤进行传输,也被称之为光电转换器,是一种相对经济的方案,但要考虑供电、光纤、网线等问题,且传输损耗较高。

光模块是一个能模块,是不能单独使用的无源设备,必须插在OLT、交换机、服务器等设备上配套使用。相比于光纤收发器,光模块支持热插拔,配置相对灵活,能够简化,减少故障点,而且性能上更为稳定和高效,所以使用通信设备搭配光模块也是目前运营商和数据中心广泛采用的光通信方案。

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伴随着光通信产业的发展,光模块也在不断进化,小型化、低成本、高速率等特性是产品迭代的主要方向。光模块最早出现在1999年,是采用SC光头1X9封装的产品,用法是集成在通信设备的电路板上作为固定化的光模块使用,之后1X9封装的产品逐渐转向小型化和可热插拔的方向上发展。

SFF模块源自于小型化的尝试,其仍然是采用固定化的用法,用LC头直接集成在电路板上。可热插拔的方向上诞生的光模块是GBIC,当时广泛应用于交换机和路由器等设备,其和固定化的光模块相比优势明显,可以作为一个独立的模块使用,方便更新、维护和故障定位。

然而随着的发展,设备的光口数量需求不断增加,GBIC的体积较大导致设备的光口密度较小,无法适应快速发展的趋势。经过技术的探索和优化,GBIC的升级版本,兼顾小型化和可热插拔能的SFP光模块研制成,体积仅为GBIC的1/2-1/3,实现了设备光口密度的提升,出现后便得到了最为广泛的应用,并实现了统一接口的通讯方式,各个厂家的设备均可以兼容,能够作为单独的设备进行采购。

SFP诞生后,在小型化、高速率、低成本等特性优化的道路上,又相继出现了采用XENPARK、XPARK、XFP、CFP、SFP+等封装方式光模块产品,体积越来越小,使用越来越便捷,成本也逐渐下降,所支持的速率也最初的不到10Gbps到目前最高的800Gbps,光模块的各方面的技术水平在20年的时间内取得了长足的进步。

光模块产业链包含光器件、光模块、光通信应用三部分,光模块处于产业链中游,上游是光模块成本中占比较大的光芯片和电芯片,以及其他组件等构成光模块的基本元器件,下游主要配套供应电信和数通市场的相关设备。

光模块的产业链上游和高端领域被海外厂商主导。长久以来欧在高端芯片和器件方面都具备较大的技术优势,在市场中占据绝对份额,国内的光通信厂商还在追赶阶段,高端领域基本属于空白。

光芯片是光模块中技术含量最高,成本占比最大的部分,其中高端光芯片被海外厂商主导,代表厂商有Finisar、Lumentum、Oclaro,国内华为海思、光迅科技、华工科技等在光芯片领域有所布局,但只有海思突破了高端产品,其余厂商的主要光芯片产品还集中在10G、25G及以下速率的产品。

2018年,国内10G速率以下光芯片国产化率已达到80%,10G速率光芯片国产化率约50%,25G及以上光芯片国产化率仅5%。电芯片和光芯片的格局相似,25G及以上的市场基本为海外厂商垄断,包括Macom、Semtech、Inphi。

在发射组件、接收组件、光纤连接器等光组件方面,高端产品涉及精密加工领域,海外厂商Finisar、Oclaro、Sumitomo占据主要份额,国内天孚通信、光迅科技等厂商有一定市场份额。

总体来讲,光模块上游技术壁垒高、参与者少、竞争较小,主要的市场份额还集中在海外厂商手中,随着5G建设周期的到来和数据中心规模的提升,市场对25G及以上的高速率芯片需求开始释放,低速率芯片将逐渐被边缘化,目前来看国内厂商在技术水平上有较大差距,需要持续投入才有望改变局面。

在产业链中游的光模块市场中,国内厂商近年来进步显著。在2010年全球光模块厂商排名中,国内只有武汉电信器件(WTD)进入榜单前十,但到了2020年,根据电子发烧友援引LightCounting的数据,预计将有5家中国光模块厂商进入前十,中际旭创将超越Finisar成为市占率榜首。

国内光模块厂商的份额持续提升一方面是由于在过去十年中,国内巨大的下游市场需求持续提升,厂商也在研发上持续投入,跟进国际领先技术,获得市场的接受和认可;另一方面,由于光模块的价格逐渐透明,特别是在低端市场中海外厂商在较低的毛利率下无法保持盈利,于是许多海外厂商开始剥离光模块业务或专注于高端产品领域,并且从2018年开始陆续出现整合,厂商数量减少,主要开始布局下一代的硅光通信技术及市场。

这一阶段中,国内厂商依靠成本优势持续扩大份额,并且依靠良好的盈利可以持续投入高端产品的研发,目前在400G高速率光模块的市场中,中际旭创和新易盛都实现了批量出货,未来国内厂商有望提升在高端光模块领域的市场份额。

产业链下游的竞争格局较为稳定,在电信和数通市场中,配套使用光模块的设备主要是运营商设备、交换机、路由器和服务器。全球前五的通信设备厂商为华为、思科、爱立信、诺基亚和中兴通讯,合计占据全球市场份额的7成以上,呈现寡头竞争格局;服务器市场基本为戴尔、新华三、IBM、浪潮和联想主导,占据市场的半壁江山。在光模块行业的市场竞争中,能够进入上述厂商供应链体系的企业将具备较大的市场优势。

光模块由光器件、电芯片、PCB及结构件组成,其中光器件在光模块的成本中占比超过7成,光器件的核心组件为光收发组件,两者合计占光器件成本约80%,而光芯片又为光收发组件的核心,决定了光模块的整体性能表现,是厂商仍至于国家芯片技术水平的体现。

当前我国在光芯片方面进口依赖程度较高,尤其在25G及以上速率的光芯片上,国产化率仅约为5%,完全受制于海外厂商,不论是在国家战略层面还是商业成本层面,高端光芯片实现国产替代的需求强烈。

目前我国的光芯片行业发展水平较低,竞争主要集中在10G及以下速率的低速光芯片市场,并且市场趋于饱和,价格面临逐年下降的情况,在低速市场中,光迅科技和海信具备规模优势,其他厂商较难实现盈利。

5G建设和数据中心技术迭代期,光模块的主要需求逐渐向100G及以上速率过渡,相应的,光芯片的主要需求将从10G转移至25G。但目前25G及以上速率的关键光电芯片海外厂商的产业化能力已基本成熟,而国内厂商整体上仍处于研发或小批量阶段,率先突破25G 光芯片技术的企业可以抢占国内高端光芯片市场份额。

过去国内在上游芯片领域实现布局的企业只有华为、,近年来得益于政策的驱动和行业竞争格局的变动,我国光模块企业加快了对上游核心技术的布局,通过并购或合资的方式获得了一定程度的光芯片研制能力,例如光迅科技收购法国Al ** e获得10G及以上有源光芯片的量产能力,昂纳科技收购法国3SP获得光芯片设计能力、亨通光电开发硅光模块和硅光芯片、光库科技收购Lumentum 铌酸锂调制器资产进入高速光芯片领域。

综合国内光通信企业的发展趋势以及市场和政策的驱动来看,未来2-3年,我国有望在光芯片领域取得有效突破,在高端领域实现一定程度的国产替代。

随着2019年6月5G商用牌照的发放,国内正式进入5G建设周期,从2019年开始,国内三大运营商的资本开支出现回暖,当年度资本开支达到2999亿元,同比增长4.5%,是三年以来的首次增长,根据运营商公布的数据来看,2020年规划的资本开支为3348亿元,将实现同比增长11.65%,可以确定运营商资本开支将在5G建设周期内重回上升轨道,以4G建设期作为参考,资本开支还将有3-4年的上升期。

特别是经历了年初的新冠疫情之后,国内经济在一季度受到较大冲击,5G基站建设作为新基建的重点被国家高层所重视,以目前的建设进度来看,运营商的基站建设目标有望在三季度完成,预计今年将超额完成之前制定的目标,新建5G基站数量有望超过70万站,未来两年,参照过去4G基站的建设节奏和目前运营商的推进速度,有望保持每年新建100万站以上的进度,两年后新建数量逐年下降,在5G建设的周期内,大规模的基础建设将推动相关产业链收入持续上行。

在5G建设中,光模块的需求主要来自于无线网和承载网,和4G的架构不同,5G的无线接入网转变为由AAU、DU、CU组成的三级结构,相应的,承载网方面也从4G时期的前传和回传转变为前传、中传和回传的新型三级架构。

5G前传的典型应用场景包括光纤直连、无源WDM(点到点WDM)、无源WDM(WDM-PON)和有源WDM/OTN/SPN等。光纤直连场景一般采用25G的灰光模块,支持双纤双向和单纤双向两种类型;无源WDM场景主要采用一对或一根光纤实现多个AAU到DU间的连接,典型需要10G或25G彩光模块;有源WDM/OTN场景,在AAU/DU至WDM/OTN/SPN设备间一般需要10G或25G短距灰光模块,在WDM/OTN/SPN设备间需要N×10/25/50/100G等速率的双纤双向或单纤双向彩光模块。

5G中回传覆盖城域接入层、汇聚层与核心层,所需光模块与现有传送网及数据中心使用的光模块技术差异不大,主要在速率上有较大提升,接入层将主要采用25G、50G、100G等速率的灰光或彩光模块,汇聚层及以上将较多采用100G、200G、400G等速率的DWDM彩光模块。

在5G光模块的市场格局方面,前传部分为国产厂商主导,中新易盛、光迅科技、中际旭创和华工科技占据主要份额。中传部分国内厂商和海外厂商都有所布局,日美厂商仍扮演重要角色,国内参与的主要有中际旭创和光迅科技。回传部分以海外厂商为主,国内的光迅科技和中际旭创尚在突破中。

5G前传的技术方案中,有源或无源WDM方案需要使用的光模块数量是光纤直连方案的一倍以上。虽然光纤直连的方案较为简单,成本较低,但在维护等后期管理方面问题较多,并且所使用的光纤也最多;无源WDM方案消耗的光纤资源较少,并且无源设备在维护方面较为方便,但是仍无法满足监控和管理等能;有源WDM方案同样节省光纤资源,并且可以实现后期的监控、管理和保护能,同时具备大带宽低时延的优势,但缺点是建造成本高。

2019 年9月,中国移动公布了新的MWDM前传方案,以实现节约光纤资源和降低维护成本,方案在前传中使用低成本的25G CWDM光模块实现12波长系统。若大规模采用该方案,基于中国移动2.6GHz基站的160MHz频宽,单个基站将需要使用24个前传光模块,为4G时期的4倍以上。

在联通与电信共享共建5G基站的情况下,假设5G宏基站的总建设数量约为400万站,所使用的前传方案中,WDM/OTN/SPN与MWDM方案的数量比例为1:1,单基站平均需要18个前传光模块,那么宏基站的前传市场光模块总需求将超过7000万块,为4G时期的3-4倍,并且由于使用的光模块从4G时期的10G提升至速率更高的25G,规格升级后单价也将有近一倍的提升,以平均价格为200元测算,5G前传光模块市场规模将超过140亿元,量价齐升将推动相关光模块厂商的业绩持续上行。

在数通市场中,光模块主要应用在数据中心,包括三个主要场景:(1)数据中心内部交换机之间、服务器与交换机间的互联,目前主要以10G和25G的光模块为主,逐渐向50G和100G升级;(2)数据中心不同机房间的互联;(3)多个数据中心之间的互联,(2)和(3)场景中目前以40G和100G的光模块为主,逐渐向400G升级。

根据思科的统计数据,数据中心内部通信占数据中心通信70%以上的比例,占据数通光模块市场的较大份额。

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