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光电子行业:光互连与光器件 ── 中恒星光产业洞见系列(6)
 Kay & Hank          2016-11-11

"The single biggest factor limiting the potential of thecloud and utilization of billions of connected devices is the bandwidth oftoday's technology."

                                                                ——Marvell’s CEO Matt Murphy


光电子概述
▶ 什么是光电子?
我们要从传统电子说起。下图中是来自久远的初中物理课上的简易电路图,其中电源和电阻被电线连接形成闭环。一般电路,也称电线,是由铜线做成,因为铜电子相对活跃所以铜是较好的导体。在下图的电路当中,电源的正极吸引着电路中的电子,本身自带负电荷,在异性相吸的作用下向正极高速移动,于是形成了电流。


电对于人类文明来说有极为重要的意义,从照明到电脑都离不开电。在照明应用当中,电流使灯芯发光发热,但是在电脑当中情况就复杂很多,电不仅是用来供电让各个部件“跑”起来,也用于信息的传输。我们大概听说过电脑中的“语言”是基于二进制,也就是“0”和“1”组成,所有的计算和数据传输都是基于无数个“0”和“1”的组合。对中国人来说更直观的例子大概是八卦了,虚线和实线表达了最基础的两种状态,由两仪生四象,四象生八卦。电路可以非常容易地表达这两种基础状态,最简单例子就是断电和通电。如下图,我们可以简单的假设把通电状态理解为“1”,断电状态为“0”,如此一来在传输数据时只要通过不同的通、断电组合即可,当然现实中的实现方式要比这个复杂得多。


用电通讯在过去几十年得到极大的发展,从电报、电话到互联网都是我们所熟知的,但是目前发展也遇到了瓶颈。首先铜线虽然是很好的导体,但是它仍然有电阻,如果传输距离非常长相当于在这个电路中加了一个很大的电阻,造成的影响是信号到达收讯端时比原信号减弱甚至完全丧失,这就是所谓的信号衰减。为了保证信号完整的传输,不得不使用功耗更高的方式,也造成另一个问题就是能耗过高。另一个问题是电磁干扰会影响电路信号的传输,使传输的数据丧失准确性。电磁干扰的源头可能是人为的,比如使用手机,也可能是自然造成的,比如打雷。除了远距离通讯会受到电磁干扰,在电子消费品内部的各个部件也在经受严重的电磁干扰,尤其是目前的趋势是将电子产品越做越小,部件与干扰源的隔离也成为重大问题。对于数据传输来说更重要的问题是电路的传输速率瓶颈,也就是在单位时间内能传输多少数据。在宏观层面是远距离电信传输,比如互联网、手机信号等;微观层面是局域内设备之间、芯片之间、甚至芯片内部的传输。根据Claude Shannon的“信息论”,电路通讯受到严重的带宽制约,简单讲就是由于铜线的自身性质限制了数据传输速度。在电子消费品和互联网高速发展对数据吞吐量需求日益高涨的情况下,以上所述的电路缺陷已成为必须跨越的障碍。于是,人们开始研究利用光学替代电子,由此产生了光电子行业。
光的性质恰巧可以解决以上的问题。光可以在透明的介质当中传输,比如石英,这样所产生的信号衰减非常小,也就是常听到的光纤通讯。当传统电路的长度达到10公里就会出现严重衰减,需要通过昂贵的方式在电路中进行信号放大,再继续下一段路程的传输,但是用光纤的传输距离可以达到上千公里。另外光传输没有电流产生,所以不受电磁的干扰,省却了极大的抗干扰所需的成本。最重要的是光传输的速率远远超过电路,目前光纤传输已经达到100Gbps(Gbps = 10亿比特/秒),而400Gbps和1Tbps的技术也在研究当中。
总结下来,光通讯的优势在于:

■ 传输距离更远

■ 功耗更低

■ 抗电磁干扰

■ 速率更快
近几年光纤通讯技术已经比较成熟,其成本不断下降使得光纤已被广泛应用于建设通讯骨干网(backbone network)、城域网以及接入网(FTTx,如光纤到户)。另一个应用来自于电脑、移动终端的普及产生大量的数据需要被储存、分析和运用,由此产生了数据中心和云计算。在数据中心内部有成千上万的服务器、硬盘、交换机等,为全球各地的用户24小时提供服务,对数据吞吐量要求极高。正如半导体巨头Marvell总裁所言,“唯一制约云计算应用和物联网的因素是带宽”。依照Shannon的理论,带宽越大意味着数据传输速率越高,因此光通讯应用在数据中心内也是必然的趋势,我们也称之为“光互连”。 数据显示,2013 年全球光通信市场产值达到近 352 亿美元的规模。其中,光器件占19%、光纤光缆占39%、光通信设备占42%。根据前瞻产业研究院的预测,2014 年-2020年中国光传输设备行业销售收入和利润总额的年复合增长率都将保持在 10%以上,到2020年行业收入规模有望突破1000亿元,利润总额将达到79.5亿元。
光纤通讯与光互连有极为类似的方面,理念都是把运算工作仍然由电子器件来完成,比如电脑、服务器,但是数据由光来传输。这样就需要在传输信道的两端设有光电信号转换器,发射端将电转为光信号,通过光纤等介质传到另一端,再由光接收器将光信号转回电信号,最后由电子器件进行数据储存、运算等工作。如果传输距离较远,会有中继器作为中转站,将光信号处理放大后再进行下一段的传输,这里面所应用到的大量部件我们称为光器件。


在更微观的层面也可以用到光互连,比如芯片与芯片之间的连接,以及芯片内器件的连接。这块的应用尚在起步阶段,受限于高昂的成本已经尚不成熟的制造工艺而还没有被产业化。除了通讯之外,光电子还可应用于传感器、医疗影像、激光设备、军工、生物科技、以及虚拟/增强现实等娱乐设备等。


光器件
光器件可分为有源和无源。光有源器件(optical active device)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。将电信号转换成光信号的器件称为光源,主要有半导体发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。将光信号转换成电信号的器件称为光检测器,主要有光电二极管(PIN)和雪崩光电二极管(APD)。光纤放大器成为光有源器件的新秀,当前大量应用的是掺铒光纤放大器(EDFA),很有应用前景的是拉曼光放大器。
光模块是由上述底层光器件组成,用做光电转换和电光转换,这样在网络的两端设备上都离不开光模块。目前光模块主要受两个行业的需求驱动,电信和数据中心。光模块属于通讯产业链较上游的部分,生产厂家采购更上游的器件组装成光模块后销售给处于中游的设备商,比如Infinera、华为、中兴等,下游是运营商、数据中心等。在整个链条里利润最高的集中在上游的光器件、光模组。下图中左图是可热插拔的光模块,由设备商组装成右图中的设备。


▶ 
行业现状
根据 Infonetics 的统计数据显示,2014年全球光模块市场规模就已超过41亿美元,其中10G/40G/100G的销售收入已达到 21.42亿美元,并将以13.38%的年复合增长率稳步增长。预计到2017年,全球 10G/40G/100G光模块收入将达到30.78亿美元,在总体光模块市场的占比将超过55%。预计40G光模块和100G光模块的年复合增长率更高,将分别高达16.95% 和36.10%。到2019年预计光模块市场销售收入将增加至66亿美元。光模块向着超高频、超高速和超大容量发展。
我国只有少数几家能自己生产光源和检测器的管芯,而且基本是2.5Gbps以下的水平。这些产品由于不能同时达到高性能、高成品率、高重复性、高可靠性和低成本等产业化要求,实际上只能用于一些要求较低的系统,而在高速系统中的应用几乎为零。国内光通信设备和系统所需的高速率管芯和单元器件以及掺铒光纤放大器的关键元件掺铒光纤等都需要进口。国内的有源器件公司大都是买了国外的管芯做器件,买了国外的器件做模块,买了国外的掺铒光纤做放大器的组装公司。光通信设备公司则买了国外的模块做系统。
目前市场主流的高端光模块速率为 100Gbps,同时 400Gbps和1Tbps光模块也在研发或预研中。100G光模块,包括长距离和短距离,主要的供应商在日本、美国,包括 Finisar、 JDSU、Oclaro、Fujitsu、Sumitomo 等器件厂商,思科收购 Lightwire 后能够自供。国内目前只有华为旗下的海思 (Hisilicom)掌握了核心技术,并可以自己供货。国内10G光模块已经成熟,光迅科技、苏州旭创等企业可以提供数据中心用的短距离100G光模块的商用产品,但还无法提供长距离100G产品,更多的厂商虽然推出了100G产品,但大多还处在样品测试阶段。而国外400G CDFP MSA在今年已经成立,发起方包括Avago、Brocade、IBM、JDSU、Juniper、Molex和TE Connectivity,后续加入的厂商包括 FCI、Finisar、华为、Inphi、Mellanox、Oclaro、Semtech和Yamaichi。

 
光模块领域中的前十大公司占全球市场份额的 63%,我国光模块器件竞争力较弱,占全球总体市场不足 10%,且多集中在低端2.5G以下产品,10G产品刚刚量产,100G高端产品尚为空白。与之相比我国的光设备在全球占比已达到45%,光纤自给率也高达70%。光器件是光通信设备的核心组成部分,占设备成本的30%左右,尤其是高端器件的供应情况将会直接影响设备厂商的竞争力。根据主设备商的相关测算数据,接入网设备中,所有光器件的成本占整个设备成本的 30-45%;城域网设备中,光器件成本约占设备成本的 20-30%;骨干网设备中,主设备对器件要求更高,光器件成本占到设备总成本的 35-40%。可见光模块、光器件成为我国光通信行业发展的制约因素。
其实打开光模块的内部,就能看到构造比较简单,并不涉及多么复杂的电路,但是对生产工艺要求比较高,工艺制作不好将大大影响其光路质量,就可能与对端光模块无法对接,或者经常产生一些链路错包,影响数据转发。尤其是如今40G、100G这类高速光模块,往往对光模块的生产工艺提出了更多的要求。如此并不是所有的光模块厂家都能生产这种100G光模块,这也使得100G光模块的价格一直维持在高位。光模块其实是一个对技术水平要求很高的产品,技术含量高,光模块本身制作材料成本并不高,而是技术附加值高,因为要研发一款光模块,往往需要光学、电路技术、网络等多方面的科研人员,要投入大量的科学研究,这方面的人力投入是巨大的,都要算到制作光模块的成本之中,这样就使得光模块的价格维持在高位。与服务器、网络设备相比,光模块的利润还要更高,不像服务器、网络、存储等细分市场竞争已比较充分,光模块市场竞争则良莠不齐,几个国外的光模块大厂占据主流供应商地位,国内的几家光模块厂家也能分得不少市场,但相对比较分散。尤其随着数据中心对40G/100G光模块需求的不断增加,市场给光模块厂商带来了足够多机会,并且这些高速模块利润都比较高。

▶ 光器件行业驱动因素一:电信
前文提到的骨干网是各电信运营商建设的广域网络,将多个区域连接在一起。目前我国有9大骨干网络,其中包括中国移动、联通等电信运营商的网络。城域网是在国家骨干网之下连接城市内终端的网络,再往下就是由城域网接入用户终端的网络,也称FTTx(fiber to the x)包括光纤到户、到楼都属于这个范畴。


目前,网络流量的迅猛增长使得光纤网络面临再次升级,并带来光通信行业的发展。移动宽带方面,手机网民规模的不断扩大,4G技术的大力推广使得移动互联网的流量迎来了快速的增长。2015年底,我国移动互联网接入流量消费达 41.87 亿GHz,同比增长103%,增速比前一年提高40个百分点。在固定宽带方面,视频成为流量增长的重要推手。各视频网站为提高用户体验开始大力推进超清 4K画质的内容,未来VR、AR进入主流后会对流量需求再上一个台阶。以上因素带来的流量激增,使得我国原有网络的带宽难以满足要求,并且易产生网络拥堵。在此背景下,原有光纤网络亟需向100G甚至更高速率的光网络的升级。
在骨干网、城域网建设中,光传输网(OTN)正在成为运营商建网的主流设备。OTN的应用场景包括国家干线光传送网、省内/区域干线光传送网、城域/本地光传送网以及专有网络的建设。自2013年以来,三大运营商开始了大规模 100G OTN系统的集采,正式拉开了网络升级的序幕。中国电信一次采购了3000块100G 板卡,而中国移动在年底的第三次采购规模则是中国电信集采规模的近三倍。运营商借助此次大规模采购,将陆续实现原有10G/40G网络向100G网络的全面升级,如今,骨干网和城域网建设已经以 100G 设备为主。
由于接入网的长度一般为几百米到几公里,因而被形象地称为“最后一公里”。骨干网已采用高速光纤网络,随着流量需求的爆发,接入网逐渐成为了整个网络系统的瓶颈。宽带有线接入网技术主要包括:基于双绞线的 ADSL 技术、基于 HFC 的 CableModem技术和光纤接入技术。光纤接入技术与其他技术相比,最大的优势在于可用带宽大,以 GoogleFiber为例,其采用光纤接入方式,能够为用户提供高达1Gbps的上网服务。传统ADSL 接入方式理论上的上行速率仅有1Mbps,下行速率为8Mbps。2016年中国联通表示在接入网领域,FTTB(光纤到楼)将一律采用10G PON技术,FTTH(光纤到户)场景下原则上以1G PON为主,针对推广百兆、千兆接入以及4K业务发展迅猛区域,试点10G PON的FTTH建设。预计2017年三大运营商对10G PON的集采规模将会有大幅度的提升,尤其联通、电信预计会占到接入网集采的 20%左右。

▶ 光器件行业驱动因素二:数据中心
另一块更强劲的需求来自于数据中心。2015 年,全球数据中心市场规模达到 384.6 亿美元,同比增长 17.3%。在我国,互联网市场快速增长带来的刚性需求直接带动了IDC市场的快速增长,其中以视频、手游为代表的大流量应用的迅速发展又进一步的刺激了IDC市场规模的扩展。除此之外,基于云端的大数据、人工智能等应用都需要极大的数据吞吐量。2015年至2018年,数据中心将会保持35%左右的建成面积增长。根据中国IDC圈预测,到2017年,中国IDC市场规模将超过900亿元。根据《Cisco 全球云计算指数白皮书》,到2019年全球通信网络流量的 99%是和数据中心相关的,其中数据中心内部的网络流量占到全部流量的70%以上。在数据中心网络中,几乎每个连接都采用了光通信技术,比如,数据中心内部距离几米的服务器和交换机之间的连接就用到了光互连技术,并且,光模块已经成为数据中心中应用最广的一类产品。一个中型数据中心里的服务器设备成千上万台,要实现这些设备的全部互联,至少要耗费数以千计的光模块,同时,服务器接口正在从1G向 10G升级,而汇聚交换机则从10G到40G/100G升级。


结语 
以光代替电是已经出现的趋势,而且这个过程是不可逆的。正如历史上多次技术的变迁,当需求积压到一定程度后必会引发颠覆性的革新。光电子行业的研发一直走在需求前端,但由于制造环节的不成熟制约其更广泛应用。一旦数据吞吐量倒逼全产业的升级,包括材料、生产、封装、测试等环节的革新,光电子将迎来井喷式的发展。

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