一、光模块产业概述

1、关于数字信号、电信号、光信号

1）光纤的通信原理

【资料图】

光纤就是利用光来传输信息的一种技术，它是由一种双层结构的纤维状透明材质（玻璃和塑料）构成的，通过在里面的纤芯中传导光信号来传输数字信息。

但是数字信号并不能直接转换成光信号，需要先把数字信号转换成电信号，然后再把电信号转换成光信号。而电信号非常简单，用高电压表示1，用低电压表示0；同样的光信号也非常简单，亮表示1，暗表示0。将这样的电信号输入LED、激光二极管等光源后，这些光源就会根据信号电压的变化发光，高电压发光亮，低电压发光暗。这样的光信号在光纤中传导之后，就可以通过光纤到达接收端。接收端有可以感应光线的光敏元件，光敏元件可以根据光的亮度产生不同的电压。同样的原理就将光信号转换成了电信号，最后再将电信号转换成数字信息，就接收到数据了。

2）相位一致的光线才会继续在光纤中传导

不同材质的光纤其透光率和折射率不同，光可以穿过它产生折射和反射，折射部分会损耗掉，而全反射部分的光线就可以传输到光纤的另一端。同时，因为光源在所有方向上都会发光，会有各种角度的光线进入纤芯，但入射角度太大的光线会在纤芯和包层（纤芯外沿部分）的边界上折射出去，只有入射角较小的光线会被包层全反射，从而在纤芯中前进。但也不是所有的全反射光线都能在光纤中传导，因为光也是一种波，是波就会有损耗，当光线在纤芯和包层的边界上反射时，会由于反射角产生相位变化。

当朝反射面前进的光线和被反射回来的光线交会时，如果两条光线的相位不一致，就会彼此发生干涉抵消，只有那些相位一致的光线才会继续在光纤中传导。原理同水的波纹一样。只有少数按照特定角度入射以保持相位一致的光线才会继续传导，而纤芯的直径大小决定了光线的入射角度。

3）光纤可分为“单模光纤和多模光纤”

单模光纤的纤芯更细（8～10μm），多模光纤的纤芯比较粗（50μm或62.5μm），单模光纤更贵（越细的光纤制作的工艺要求就越高）、传输距离更远，多模光纤比单模光纤便宜但是传输距离没有单模光纤远。

单模光纤的纤芯很细，在能够保持相位一致的角度中，只有角度最小的光线能进入光纤。也就是说只有一条光线在单模光纤上传导。多模光纤的纤芯比较粗，在相位一致的角度中，不仅角度最小的可以在光纤中传导，其他角度更大一些的也可以，可以有多条光线在多模光纤上同时传导。

多模光纤中可以传导多条光线，对光源和光敏元件的性能要求也就较低，从而可以降低价格。相对地，单模光纤只能传导一条光线，对于光源和光敏元件的性能要求就较高，价格也较高，但信号的失真会比较小。

多模光纤中，多条反射角不同的光线同时传导时，光线到达接收端的时间会不同，信号的宽度就会被拉伸，这就造成了失真。因此，光纤越长，失真越大，当超过允许范围时，通信就会出错。相对地，单模光纤只有一条光纤则不会出现这样的问题，即使光纤很长，也不会产生严重的失真。因此单模光纤失真小损耗小，可以比多模光纤传输得更远，所以多模光纤主要用于一座建筑物里面的连接，单模光纤则用于距离较远的建筑物之间的连接。

另，按照国际标准规定分类（按照ITU-T建议分类），可以将光纤的种类分为G.651光纤（50/125μm 多模渐变型折射率光纤）、G.652光纤（非色散位移光纤）、G.653光纤（色散位移光纤DSF）、G.654光纤（截止波长位移光纤）、G.655光纤（非零色散位移光纤）。

2、光的波长与波段

不是所有的光都适合光纤通信。光的波长不同（可以简单理解为颜色不同的光），在光纤中的传输损耗就不同，传输损耗大的光，就没办法携带信息在光纤中传输了。

经过科学家长期研究，最先发现波长为850nm的光可以作为光通信使用的光，这个波段也被直接称为850nm波段。但是，850nm波段的波长区域传输损耗比较大，也没有合适的光纤放大器。因此，850nm波段仅适宜于短程传输。

1）1260nm-1625nm，低损耗波长区域

而后，科学家又探索出“低损耗波长区域”光波段，也就是1260nm~1625nm区域的光，最适合在光纤中传输。

传输损耗和光波段关系

2）五个传统波段：O、E、S、C和L波段

1260nm~1625nm区域又被细分为五个波段：O波段、E波段、S波段、C波段和L波段。

O波段、波长范围为：1260nm~1360nm。

此波段的光色散导致的信号失真最小，损耗最低，为早期的光通信波段。因此，被命名为O-band（O波段），其中O指“Orignal（原始）”。

E波段、波长范围为：1360nm~1460nm。

E波段是五个波段中最不常见的波段。E指“extended（扩展）”。从上面传输损耗和光波段关系图中，可以看到E波段有一个明显的不规则传输损耗凸点。这个传输损耗凸点是因为1370nm~1410nm波长的光被氢氧根离子（OH-）吸收，所以导致传输损耗急剧加大，这个凸点也被称为水峰。由于受早期光纤工艺限制，在光纤玻璃纤维中，经常残留有水（OH基）杂质，导致E波段的光在光纤中传输的衰减最高，无法正常用于传输通信使用。随着光纤加工工艺的提高，出现了ITU-T G.652.D光纤（也叫低水峰光纤或无水峰光纤，但在现网中应用较少），使得E波段光的传输衰减变得比O波段低，解决了E波段光的水峰问题。

S波段、波长范围为：1460nm~1530nm。

S指“short-wavelength（短波长）”。S波段光的传输损耗比O波段要低一些，常被用于PON（无源光网络）系统的下行波长。

C波段、波长范围为：1530nm~1565nm。

C指“conventional（常规）”，是最常用的波段。C波段光的传输损耗最低，被广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统；波分网络中也经常用到C波段。

L波段、波长范围为：1565nm~1625nm。

L指“long-wavelength（长波长）”。L波段光的传输损耗第二低，也是行业的主流选择之一。当C波段光不足以满足带宽需求的时候，L波段光会作为补充用于光网络。

U波段、波长范围是1625nm~1675nm。

除了以上五个波段之外，其实还有一个波段会被用到，那就是U波段。U指“ultra-long-wavelength（超长波长）”。U波段则主要用于网络监控。

3）三个新秀波段：CE/Cpp/C+L波段

光通信常用波段是：传统C波段的1529.16nm ~ 1560.61nm波长范围。这里所提及的新秀波段CE/Cpp/C+L，是指当前光通信为扩展传统C波段传输资源而引入的新波段资源，也就是向临近的S和L波段借用了资源。

CE波段、波长范围扩展为1529.16nm ~ 1567.14nm。

CE（C Extended）波段也称C+波段。那CE波段较C波段“+”了哪些波长范围呢？我们可以将C波段资源划分为80个通路传输信息，其中每个通路占用0.4 nm的波段范围资源。因此，C波段也称为C80波段。CE波段借用了L波段部分波长资源，波长范围扩展为是1529.16nm ~ 1567.14nm，CE波段资源可划分为96个通路传输信息，也就是C96波段。CE波段的传输容量相对于C波段，增加了20%。

Cpp波段、波长范围扩展为1524.30nm ~ 1572.27nm。

Cpp（C plus plus）波段也称为C++波段。Cpp波段不仅像CE波段那样，向L波段借用波长资源，也同时向S波段借用资源，波长范围扩展为1524.30nm ~ 1572.27nm。按照每个通路占用0.4 nm的波段范围资源划分，波段资源可以划分为120个通路传输信息。因此Cpp波段也被称为C120波段。Cpp波段的传输容量相对于C波段，增加了50%。

C+L波段、波长有3种。

C+L波段从字面上可了解到，C波段和L波段的资源都用于光通信。同样按照每个通路占用0.4 nm的波段范围资源划分，C+L波段常见传输方案有如下3种。

C120+L80：Cpp波段（120个通路）+L波段（80个通路），实现200波系统。其中L波段实际为L+波段，波长范围为1524.30nm~ 1617.66nm。C120+L80传输方案的传输容量较C波段增加了1.5倍。

C96+L96：CE波段（96个通路）+L波段（96个通路），实现192波系统。其中L波段实际为L++波段，波长范围为1529.16nm ~ 1626.43nm。C96+L96传输方案的传输容量较C波段增加了1倍多。

C120+L96：Cpp波段（120个通路）+L波段（96个通路），实现216波系统。其中L波段实际为L++波段，波长范围为1524.30nm ~ 1626.43nm。C120+L96传输方案的传输容量较C波段增加了约2倍。

3、光模块的分类

光模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发射和接收两部分。简单来说，光模块的作用就是发送端把电信号（电压信号）转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。

注：按照封装形式分类中：SFP（即热插拔，好处是体积小、便宜，升级版的GBIC），千兆以太网路界面转换器（GBIC）（几乎淘汰了，体积大，且容易坏）等。

光模块常见的分类方式包括了封装类型、速率、距离、激光器类型、探测器类型等。整体而言，小型化、高速率、低功耗、低成本是光模块整体的发展趋势。

重点发展高速光通信芯片、高速高精度光探测器、高速直调和外调制激光器、高速调制器芯片、高功率激光器、光传输用数字信号处理器芯片、高速驱动器和跨阻抗放大器芯片。

3.1 光模块的核心：光芯片

光芯片，是光模块中主要负责光电信号互相转换的芯片，又分为探测器芯片和激光器芯片。

与传统的电子芯片相比，硅光芯片更适合海量数据传递，更能满足人工智能、万物互联下的信息传递需求。因为它与电子芯片靠电子传输信息的模式不同，光芯片主要依赖光子传输信息，光子之间干扰性较小，因此计算密度更高，能耗却更低，非常适合大量数据的远距离传输。

3.2 800G光模块将成为数通中心主导，厂商倾向于高速率光模块

光芯片未来的发展很值得期待，首先是强烈的算力需求会带动高速率光模块市场的量价齐升。一台云计算通用服务器大约需要4-6个光模块，而AI服务器所用的A100、H100等GPU芯片，需用200G以上的高速率光模块8-10个/片，需求量提升数倍。

由于云厂商更加偏向于选用高速率光模块，2023年800G光模块需求预计将进一步替代较低速率光模块的份额，整体高速率光模块用量和规格不断提升。而且越是高速率光模块，光芯片的附加值就越高，光芯片将呈现量价齐升的趋势。

3.3 光模块的封装：CPO（光电共封装）

当前的光芯片已经集成了光源、探测器、光波导、调制器等光器件，从而满足光模块低能耗低成本、高性能小体积的市场需求。

光模块正常工作需要硅光芯片及专用集成电路（ASIC）共同发挥作用。专用集成电路可以控制光收发模块，而且种类众多，包括各类计算、存储芯片，这就需要与光模块进行合理的封装。

传统的封装方式叫做Pluggable（可插拔），采用的光引擎是可插拔的板边光模块，需要单独封装，位于PCB板的边缘。光纤过来以后，插在光模块上，然后通过SerDes通道，送到AISC芯片，会导致互连较长、密度低、体积大、功耗高等问题。板中光模块将光收发模块组装在专用集成电路旁边，虽然缩短了互连的距离，但仍需要连接器。

而CPO技术，就是将光模块、ASIC芯片封装为一个整体，激光器、调制器、光接收器等光学器件可以直接与芯片内的电路相集成，由于与ASIC芯片足够近，便可以移除这个额外的DSP芯片，大幅降低功耗。

CPO不仅可以提高输入/输出（I/O）接口的能源效率，从而延长传输距离，还能够降低能耗。当数据中心的数据传输在带宽密度要求大幅提升且单通道速率超过100Gbps时，传统可插拔光模块和板载光学器件在成本效益方面将很难与CPO技术相媲美。随着数据传输速度要求越来越高，当网速提高到800Gbps以上时，CPO就成为了关键的封装方案。

CPO技术也在进步，由2.5D向3D发展，2.5D封装是将光模块与电子芯片封装在一个载板上，这已经能够提高互连密度、降低功耗。如果采取三维（3D）堆叠技术，将芯片与光模块进行三维堆叠，这样就能实现更短的互连与更高的互连密度，在2.5D封装技术基础上再进一步。

CPO的基板也多种多样，主要包括陶瓷基板、玻璃基板、硅基板等，陶瓷载板以其优异的导热性、稳定性成为封装的重要材料。

4、光模块的结构

4.1 光模块包括发射端和接收端

光模块接收端的信号过程，如下图所示：信号到达接收端后，被光电探测器（PD）检测到，产生微弱的电流；TIA（跨阻放大器）对该电流进行放大，产生电压脉冲信号；进而CDR（Clock Data Recovery，时钟数据恢复），对电压信号进行处理，得到时钟信号，并恢复所需传输的数据信号。

4.2 光模块的Transceiver四大件

Transceiver是干什么的？在TX（发送方向），我们要把高低电平的电压信号变成光亮光暗的光信号，在RX（接收方向），我们要把光信号再转成电压信号送回去。

Transceiver 4大件：TOSA、ROSA、Driver芯片、Limiting Amplifier限幅放大芯片。

①Laser Driver激光驱动芯片

完成电压信号到光强光弱的转换，从而完成了信号的调制。

②TOSA（Transmitting Optical Sub-Assembley）

光发射器模块的主要组件，主要完成电信号转光信号。其中光源（半导体发光二极管或激光二极管）为核心，LD芯片，监控光电二极管（MD）和其他组件封装在紧凑的结构（TO同轴封装或蝶形封装）中，然后构成TOSA。

③ROSA（Receiver Optical Subassembly）

为光接收次模块，主要应用光信号转化成电信号（O/E转换）。

里面包含两个组件PD和TIA。

a、PD（光电探测器）

是Photo Detector，负责把光的强弱转换成电流的大小，跟太阳能热水器基本是一码事，天气好，太阳充足，水就热，天气不好，水就凉。PD还分成PIN和APD两种类型，APD是雪崩二极管，灵敏度更高。

b、TIA（跨阻放大器）

是Trans-Impedance Amplifier，用来把电流信号转换成电压信号，因为在Transceiver发射端，送过来的信号是电压信号，所以我们接收端还是以电压信号还回去。

④LA（Limiting Amplifier）限幅放大器

限幅放大器电路功能是输入信号较小时，限幅放大器处于线性放大工作状态，输出跟随输入线性变化；当输入信号达到某一电平时，输出将不随输入信号的增加而变化，而维持在一定值上，即处于限幅工作状态。所以Transceiver还需要一个LA，对前面TIA转换出来的电压信号继续放大，以保证输出幅度足够大，同时限幅功能使得在强光输入的时候，输出能够维持在一定值上，处于限幅工作状态。

4.3光模块成本结构

光模块是以光器件为核心增加了一些功能电路和结构件。光模块BOM成本主要包括光器件、电路芯片、PCB以及结构件等。其中，光器件占光模块成本达到73%。而光器件中，以激光器为主的发射组件TOSA就占48%，以探测器为主的接收组件ROSA占比32%，两者合计80%。

同时，光器件可分为有源、无源，总体来说，光有源器件占据的光模块成本比重接近60%：

光无源器件：不需要外加能源驱动工作，是光传输系统的关节，包括平面波导、光栅或边缘耦合器等。

光有源器件：是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。包括激光器、调制器、光电探测器等。

5、以太光网模块

5.1什么是以太网光模块

用于以太网的光模块。什么是以太网？通过信息管理（MIB）与公共物理媒介地址控制（MAC）可支持局域网（LAN）的网络通信技术。当然还有其他技术可以支持局域网通信，如Infiniband。局域网技术中，以太网是运用最为广泛、占比最大的技术。

局域网，局部地区的网络，一栋楼内互相联系的网络，可以叫做局域网，一个城市互相联系的网络，也可以叫做局域网。所以，我们常常听到的以太网传输距离40公里、10公里、100米等等。

以太网约等于一个快递公司，用户把快递打包（以太网的帧）后，交给物流公司，一次次转运（交换机+光模块），最终交付到接收方即可。以太网是其中一个城市物流快递公司，要出城跨省的话，一般需要再次信息转换打包，采用波分（比如火车）系统进行长距传输。这时候的物流管理，由铁路货运来按自己的方式运营。

所以，我们的交换机，有一个线路侧和客户侧的区别，线路侧由ITU-T来制定标准，客户侧绝大多数是IEEE负责制定标准。

5.2 整个的网络设计，是以经济适用为核心的，“适合”很重要

用三蹦子去跨省运输，也行，单位综合成本非常高，用火车跨省运输，就能降低成本。为了给咱家送快递，专门铺铁轨买火车，来送，也行，综合成本非常高，用三蹦子给咱家松快递，才能降低成本。

这就是以太网中，一般光纤，走一个波长或者几个有限的波长，传输距离几十米到几十公里，波段放在O波段。用的就属于电动车、三蹦子、运输汽车，走的是普通水泥路（G.652常规单模光纤等）；核心网、骨干网中，用的就是DWDM多波长、超大容量，走铁路（G.654等超大容量，超低损耗光纤）。

5.3 用于以太网的光模块，（相比于波分模块）有这么几个特点

5.4以太网的光模块，在不同的场景，速率也不一样

这是因为局域网的有太多网络不均衡的存在，选择多大速率的光模块，取决于应用场景。还以快递为例，普通居民小区、制造工厂、大型超市、以及物流集散中心，快递量不一样，配置的物流车的载容量也会不同，按需设计，够用即可。

比如EPON（基于以太网的PON模块），1.25G是常见速率，很低。一个快递小哥开个一个三蹦子OLT，就能服务5个小区的用户ONU。

比如数据中心以太网，今年都在卖800G光模块了，数据中心就属于超大型仓储以及物流集散地，里边的转运车是集装箱式的大货卡，并且还放了很多辆车，可以并行同时工作。

5.5以太网光模块的应用场景

我们一般称呼以太网光模块的时候，是不包括波分模块和PON模块的，会把这一类模块理解成点对点传输，但其实PON模块里有一部分属于以太网技术的，是以太网的点对多点传输。

以太网光模块，可以用于城域网客户侧、无线接入的前传中传回传、数据中心（内）和有线接入PON。

注：DCI数据中心互联

6、电信光模块：DWDM光模块与CWDM光模块

6.1 WDM波分复用

在传统传输模式中，一根光纤只能携带一种信息的光载波信号，如果是不同的业务，则需要不同的光纤进行传输。DWDM波分复用技术能在一根物理光纤上提供多个虚拟的光纤通道。

WDM是将一系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开的通信技术。是一种解决光纤资源不足的技术，它的主要目的是在不需要铺设更多光纤的前提下来增加光纤的可用带宽。

光波分复用一般应用波分复用器和解复用器（也称合波/分波器）分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。这两个器件的原理是相同的。光波分复用器的主要类型有熔融拉锥型，介质膜型，光栅型和平面型四种。其主要特性指标为插入损耗和隔离度。

使用WDM技术的产品主要有CWDM和DWDM。

①CWDM（粗波分复用）光模块

CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术。从原理上讲，CWDM就是利用光复用器将不同波长的光信号复用至单根光纤进行传输，在链路的接收端，借助光解复用器将光纤中的混合信号分解为不同波长的信号，连接到相应的接收设备。

CWDM系统的优点：

设备成本低：CWDM具有更宽的波长间隔，业界通行的标准波长间隔为20nm（DWDM系统的波长间隔为0.2nm到1.2nm）。由于波长间隔宽，对激光器的技术指标要求较低：系统的最大波长偏移可达－6.5℃～+6.5℃，激光器的发射波长精度可放宽到±3nm，而且在工作温度范围（－5℃～70℃）内，温度变化导致的波长漂移仍然在容许范围内，激光器无需温度控制机制，所以激光器的结构大大简化，成品率提高。

另外，较大的波长间隔意味着光复用器/解复用器的结构大大简化。例如，CWDM系统的滤波器镀膜层数可降为50层左右，而DWDM系统中的100GHz滤波器镀膜层数约为150层，这导致成品率提高，成本下降，CWDM滤波器的成本比DWDM滤波器的成本要少50%以上，而且随着自动化生产技术和批量的增大会进一步降低。

可以降低网络的运营成本：由于CWDM设备体积小、功耗低、维护简便、供电方便，可以使用220V交流电源。

使用8波的CWDM设备对光纤没有特殊要求（按照ITU-T的G.694.2规范最多可以达到18个光通道），G.652、G.653、G.655光纤均可采用，可利用现有的光缆。城域网的建设都面临着一定程度的光纤资源的紧张或租赁光纤的昂贵价格。同时，由于其波长数较少，所以板卡备份量小。

与传统的TDM（时分复用模式）方式相比，CWDM具有速率和协议透明性，这使之更适应城域网高速数据业务的发展。城域网中有许多不同协议和不同的速率的业务，CWDM提供了在一根光纤上提供不同速率的、对协议透明的传输通道，如以太网、ATM、POS、SDH等，而且CWDM的透明性和分插复用功能可以允许使用者直接上下某一个波长，而不用转换原始信号的格式。也就是说，光层提供了独立于业务层的传送结构。CWDM具有很好的灵活性和可扩展性。

设备体积小、功耗低：CWDM系统的激光器无需半导体制冷器和温度控制功能，可以明显减小功耗，如DWDM系统每个激光器要消耗大约4W的功率，而没有冷却器的CWDM激光器仅消耗0.5W的功率。CWDM系统中简化的激光器模块使得其光收发一体化模块的体积减小，设备结构的简化也减小了设备的体积，节约机房空间。

由于CWDM技术的上述优点，所以CWDM在电信、广电、企业网、校园网等领域获得越来越多的应用。

而，CWDM技术的最大问题是：其相对于DWDM设备的成本优势仍不够明显。光收发模块和光器件是降低成本的关键。但由于市场规模不大，供应商的出货量不大，所以器件成本优势不明显。价格不断降低的DWDM产品也给CWDM技术很大的压力，而且采用DWDM技术可以形成一个完整的城域DWDM网，所以可扩展性好，对CWDM的压力比较大。

②DWDM（密集波分复用）光模块

使用不同的波长将多个光信号复用进一根光纤内，该操作无需消耗任何功率。这些光模块针对高容量、远距离传输设计，速率可达10Gbps，工作距离可达到120km。同时，DWDM光模块根据多边协议（MSA）标准设计，以确保广泛的网络设备性。市面上的DWDM光模块通常有：DWDM SFP、DWDM SFP+、DWDM XFP、DWDM X2和DWDM XENPAK光模块、CFP等。

DWDM光模块的优势很明显，它支持可插拔和可调谐，有40个常用通道可供选择，这一成果极大地降低了人们对独立可插拔式模块的需求。根据不同的需求，DWDM光模块有0.4nm、0.8nm以及1.6nm等不同的通道间隔，能够支持长达100km-2000km的远距离传输，可作为一种解决线路带宽扩容的有效解决方案。

DWDM系统可提供16/20波或32/40波的单纤传输容量，最大可到160波，具有灵活的扩展能力。用户初期可建16/20波的系统，之后根据需要再升级到32/40波，这样可以节省初期投资。其升级方案原理：一种是在C波段红带16波加蓝带16波升级为32波的方案；另一种是采用interleaver，在C波段由200GHz间隔16/32波升级为100GHz间隔20/40波。进一步的扩容，可提供C+L波段的扩容方案，使系统传输容量进一步扩充为160波。

6.2 CWDM和DWDM的区别

①波段不同

CWDM光模块的波长范围在1270～1610nm，波段间隔20nm，共有18个通道可选，通常采用1470～1610nm波段，常用传输距离为40KM、80KM和120KM，其最大传输距离只有160公里。CWDM光模块的传输速率有155M、1.25G、10G，分别对应SFP、SFP+/XFP封装类型。

DWDM光模块的波长位于C波段（C17～C61），常用的是1525nm-1565nm，波段间隔0.4nm、0.8nm、1.6nm不等，共有45个通道可选，常用传输距离为40KM，另外还有80km、120 km可选（超过120 km可多台做中继，延长传输距离）。10G DWDM光模块的封装类型有SFP+、XFP两种。

②应用场景不同

CWDM光模块应用于城域接入网、企业网、校园网；

DWDM光模块应用于长途干线网、大容量城域网核心节点。

③使用的波分复用器/解复用器不同

CWDM光模块需要与CWDM波分复用器和CWDM解复用器搭配使用实现光网络互连；

DWDM光模块需要与DWDM波分复用器和DWDM解复用器搭配使用实现光网络互连

④使用的激光器不同

DWDM光模块在使用的时候为了防止温度变化导致波长漂移到复用器和解复用器的滤波器通道外，需要采用制冷型激光器（温度协调），而CWDM光模块则采用非制冷型激光器（电子协调）。

⑤成本不同

在相同传输距离前提下，DWDM光模块因调制激光器比CWDM光模块的贵，所以，DWDM光模块比CWDM光模块价格要贵些。

7、无源光网络（PON）passive optical network

①组成

PON是一种典型的无源光纤网络，是指在光分配网络ODN（Optical Distribution Network。其作用是为OLT和ONU之间提供光传输通道）中不含有任何电子器件及电子电源，而全部由光分路器 (Splitter) 等无源器件组成。

PON技术传输容量大，相对成本低，维护简单，有很好的可靠性、稳定性、保密性，有效解决了FTTH问题,已被证明是当前综合宽带接入中非常经济有效的方式，成为有线宽带接入技术主流。在此背景下，10G PON应运而生，逐渐成为接入网主流技术。

PON一般由光线路终端(OLT)、分光器(Splitter)、用户终端(ONU)3个部分构成：设备技术壁垒依次降低，市场竞争程度依次攀升

OLT：Optical Line Terminal，安装于中心控制站的光线路终端，是电信的局端设备。为接入网提供网络测与核心网之间的接口。和ONU设备一样，是光电一体的设备，OLT设备通常包括OLT光模块、PON-MAC芯片、板卡、火警芯片、音频处理芯片等。

Splitter：又叫光分路器。是一种无源器件，不需要外部能量，只要有输入光即可，能将一束入射光束分成两束或多束，反之亦然。

ONU：Optical Network Unit，一批配套的，安装于用户场所的光网络单元，为接入网提供用户侧的接口。ONU设备技术门槛较低，且并非像OLT设备一样的重资产投入，整体市场竞争十分激烈。

②优势

1) 相对成本低，维护简单，容易扩展，易于升级。PON结构在传输途中不需电源，没有电子部件，因此容易铺设，基本不用维护，长期运营成本和管理成本的节省很大。

2) 无源光网络是纯介质网络，彻底避免了电磁干扰和雷电影响，极适合在自然条件恶劣的地区使用。

3) PON系统对局端资源占用很少，系统初期投入低，扩展容易，投资回报率高。

4) 提供非常高的带宽。EPON目前可以提供上下行对称的1.25Gb/s的带宽，并且随着以太技术的发展可以升级到10Gb/s。GPON则是高达2.5Gb/s的带宽。

5) 服务范围大。PON作为一种点到多点网络，以一种扇形的结构来节省CO的资源，服务大量用户。用户共享局端设备和光纤的方式更是节省了用户投资。

6) 带宽分配灵活，服务质量（QoS）有保证。G/EPON系统对带宽的分配和保证都有一套完整的体系。可以实现用户级的SLA。

③分类

EPON（以太网无源光网络）与GPON（吉比特无源光网络）

以技术的更新迭代去看PON芯片行业的发展历程。PON技术体系从最开始的APON、BPON到后来的GPON和EPON。随着时间的推移，APON和BPON因为ATM与IP的竞争中占据下风，以及成本和效率等原因逐渐被运营商抛弃，留下了GPON和EPON两种主流技术体系。GPON和EPON是不同组织推出的不同技术体系，两者没有替代和升级的关系，而是平行竞争。GPON和EPON各有优劣势：

相对而言GPON拥有更大的带宽和更高的效率，可服务更多的用户，但部署成本较高，该技术体系更受中国移动和中国联通的欢迎；而EPON技术体系则被中国电信普遍使用。具有协议成熟、网络结构简单、成本较低、易于扩展等优

随着时代的发展，GPON和EPON的1Gbps速率已无法满足企业和个人用户的网络性能需求（1G PON的带宽能力显然无法满足用户4K/8K高清视频、在线互动、VR/AR等百兆以上甚至千兆的需求），GPON也因此向10G PON演进。

随着10G PON部署的顺利进行，行业正在关注接下来会发生什么。什么是最好的选择？50G和100G/200G PON已经被IEEE、ITU、FSAN和其他标准组织视为10G PON的后续演进技术。而25G PON没有标准化，但是有一个活跃的MSA，包括AOi、AT&T、Ciena、中华电信和诺基亚等17个成员。在领先的接入网设备供应商中，诺基亚是25G PON的拥护者，并且已经发布可商用的具备25G能力的组合PON OLT（他们称“multi-PON”）。另一方面，在中国三大运营商的支持下，华为已经全面进军50GPON。世界各地的电信运营商也同样分为支持25G的阵营和支持直接从XG（S）-PON升级到50G的阵营。

8、产业应用

8.1两大应用领域：电信市场和数通市场

光模块主要用于数据中心内部通信以及数据中心间的互通互联，较之电信市场，数通市场的技术更新需求更快，数通市场需求主要受流量增长驱动（公有云的快速发展，数字化转型加速企业上云，高清视频、直播等大流量场景为流量的高速增长提供了确定性）。通常每3～4年即面临一次升级换代的压力，产品毛利率也相对更高。

8.2 电信市场：5G前传、中传和回传

① 接入网、核心网、骨干网

要弄明白什么是5G前传、中传和回传，首先我们需要了解5G移动通信的逻辑架构图：手机-接入网-承载网-核心网-承载网-接入网-手机

接入网，在我们无线通信里，一般指无线接入网（RAN，Radio Access Network），把所有的手机终端都连接到网络里面。基站（BaseStation），就是属于无线接入网。

②基站的构成

一个4G基站通常包括BBU（主要负责信号调制）、RRU（主要负责射频处理），馈线（连接RRU和天线），天线（主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换）。

基带处理单元BBU：完成信道编解码、基带信号的调制解调、协议处理等功能，同时需要提供与上层网元的接口功能。

射频处理单元RRU：是天线系统和基带处理单元沟通的中间桥梁：接收信号时，RRU将天线传来的射频信号经滤波、低噪声放大、转化成光信号，传输给BBU；发送信号时，RRU将从BBU传来的光信号转成射频信号通过天线放大发送出去。

天线系统：主要进行信号的接受和发送，是基站设备与终端用户之间的信息能量转换器。

在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为CU（Centralized unit，集中单元）、DU（Distribute Unit，分布单元）和AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元）这3个功能实体：

CU：原BBU的非实时部分将分割出来，被定义为CU，负责处理非实时协议和服务。

AAU：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

DU：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务。

依据5G提出的标准，CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式，所以，会出现多种网络部署形态：

③前传、中传、回传是不同实体之间的连接

前传（fronthaul）指AAU连接DU部分；

中传（middlethaul）指DU连接CU部分；

回传（backhaul）指CU以上部分。

二、光模块政策背景

“东数西算”工程驱动光通信产业链的发展，有效改善时延问题，提高数据传输质量。光模块作为光通信产业链的中游，在“东数西算”工程中承担信号转换任务，可实现光信号的产生、信号调制、探测、光路转换、光电转换等功能，将赋能千行百业，市场前景较大。

近期“东数西算”相关政策

三、光模块产业链

1、产业链定位

光模块处于光通信产业链中游，电信市场和数通市场共振，光模块行业景气度向好。光通信产业链包括光通信器件（含芯片）、光纤光缆和光整机设备。应用领域主要为电信市场（运营商为主）和数据通信市场（大型互联网公司、企业用户等）。光模块厂商从上游企业采购光芯片及电芯片、光组件等原材料，经过集成、封装、测试合格后供给设备集成商整合为有对应需求的光通信设备，应用于电信及数据中心市场。

2、下游端

2015-2021年全球新增投入使用服务器规模相对稳定，预计未来几年全球数据中心平均增速将仍保持在相对稳定水平。我国数据中心我国数据中心机架规模稳步增长，根据工信部数据，按照标准机架2.5kW统计，截止到2021年年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，近五年年均复合增速超过30%。其中，大型以上数据中心机架规模增长更为迅速，机架规模420万架，占比达到80%。

四、光模块产业现状

1、市场规模

5G与数据中心双轮驱动。光模块主要有数通市场跟电信市场组成，在电信市场，光模块厂商的主要客户为通信设备制造商，而终端用户为运营商；而数据光模块主要应用场景为数据中心。随5G建设推进及数据中心建设加速，光模块景气度提升。全球光模块市场规模保持高增长态势。

数据显示，2021年全球光模块市场规模约为73.21亿美元。根据Lightcounting预测，2026年全球光模块市场规模将达到176亿美元，2021年至2026年复合年均增长率为13.85%。数通市场将占据光模块市场规模的主导地位，从2020年的占比55%提升至2026年的占比77%。主要是数据流量的爆发带来光模块需求的持续增长，同时电信市场5G建设日趋稳定。

2、市场结构

海外数通客户加快200G和400G等高端光模块的部署，数通市场成为增长核心。

就整体结构占比而言，2021年Q4数通光模块销售达14.49亿美元，占比全球光模块67.4%左右，其中以太网光模块占比最高，市占率达59.6%；2021年以太光网模块市场规模达到46.5亿美元，同比增长25%；研究机构Lightcounting预计2023年用户侧以太网光模块总营收将达到63.99亿美元；到2027年，该市场将达到100.11亿美元。电信光模块包括CWDM/DWDM、FTTx、Wireless，2021年Q4销售达7.01亿美元，占比32.6%。

资料来源：Lightcounting

五、光模块竞争格局

1、中美日三足鼎立的格局

国产厂商份额不断提升。中国光模块厂商凭借劳动力成本等的优势，在与海外光模块厂商竞争中不断占据上风。2015年，全球前十大光模块厂商仅光迅科技一家中国企业。到2021年，光迅科技、中际旭创、海信宽带、昂纳信息进入全球前十，合计占据全球26%的市场份额。2021年光模块全球前十的生产商中有一半来自中国。

2、高速率的光芯片的国产化率不高

目前我国已经基本掌握了2.5G及以下速率光芯片的核心技术，部分10G光芯片性能要求较高、难度较大，国产化率不到40%。25G光芯片在5G基站和数据中心市场刚起步，国产化率约20%，而25G以上光芯片仍以海外厂商为主，国产化率约5%。

尽管海外光芯片企业已形成产业闭环和高行业壁垒，但部分中国光芯片企业已具备领先水平，随着技术能力提升和市场认可度的提高，竞争力将进一步增强。而且随着国内下游光模块厂商海外业务的不断拓展，光芯片可以跟随光模块出海，有望应用到海外大厂的AI服务器及数据中心当中，所以国产光芯片的发展前景十分广阔。

所以尽管光芯片还面临诸多技术问题，但行业已经迈入快车道。从下游应用场景来看，数据中心、消费电子、电信是最重要的需求方向。尤其是数据中心的收发器，为行业带来强劲的发展动力；电信传输网络建设有望采用更多光芯片，将带动5G应用场景的实现；消费电子的3D感应系统也要用到光芯片。

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