光芯片主要用于光電信號轉(zhuǎn)換，遵循“Chip–OSA–Transceiver”的封裝順序，激光器芯片(Chip)通過傳統(tǒng)的TO封裝或新興的多模COB封裝形式制成光模塊(Transceiver)。在光通信系統(tǒng)中，常用的核心光芯片主要包括DFB、EML、VCSEL三種類型，分別應(yīng)用于不同傳輸距離和成本敏感度的應(yīng)用場景。
光芯片屬于技術(shù)密集型行業(yè)，具有極高的技術(shù)壁壘和復(fù)雜的工藝流程。因此，光芯片在光器件/光模塊中成本占比較大。此外，隨著芯片速率的提升，制備難度增大，成本占比或進(jìn)一步提升。一般情況下，對于低速率光模塊/光器件(轉(zhuǎn)換速率小于10Gbps)，光芯片的成本占比約為30%左右;而對于高速光模塊/光器件(調(diào)制速率大于25Gbps)，芯片的成本占比約為60%左右。例如，全球數(shù)通光模塊龍頭中際旭創(chuàng)(公司主力產(chǎn)品為100G QSFP28，采用25G光芯片)，整體光芯片及組件成本占比在50%左右。相較于電芯片，目前光芯片市場規(guī)模較小，分工程度有限，垂直一體化的IDM廠商市場份額超過50%。但伴隨VCSEL芯片的消費(fèi)電子市場打開，芯片市場規(guī)模加速擴(kuò)展，分工程度有望提升，第三方代工模式逐漸興起。
規(guī)模：為什么市場規(guī)模加速增長且“一望無際”?
伴隨流量加速爆發(fā)，光芯片市場規(guī)模加速增長：(1)電信市場：傳輸網(wǎng)擴(kuò)容正當(dāng)時，接入網(wǎng)逐步向10G PON升級，5G基站大規(guī)模建設(shè)或帶來超20億美元光芯片市場空間，為4G時代2.8倍。(2)數(shù)據(jù)中心市場：數(shù)據(jù)中心市場需求持續(xù)井噴。(3)消費(fèi)電子市場：VCSEL芯片切入消費(fèi)電子市場，市場空間拓展10-100倍。隨著硅光集成度提升帶來價值占比提升，未來成長空間“一望無際”。
1 光芯片市場規(guī)模有望持續(xù)高增長
從細(xì)分市場看，光芯片主要應(yīng)用于電信市場、數(shù)據(jù)中心市場、以及消費(fèi)電子市場。其中，電信市場主要應(yīng)用于傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)以及無線基站，市場份額占比約60%左右;數(shù)據(jù)中心市場主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)、連接數(shù)據(jù)中心間的DCI網(wǎng)絡(luò)，市場份額占比約30%左右;消費(fèi)電子市場主要包括手機(jī)3D 感應(yīng)系統(tǒng)(內(nèi)含VCSEL芯片)，市場份額占比約10%左右。對于三大細(xì)分市場的發(fā)展趨勢，我們的判斷是：電信市場近期保持穩(wěn)定，有望迎來5G高增長機(jī)遇，數(shù)據(jù)中心市場將快速增長，消費(fèi)電子市場規(guī)模有望呈爆發(fā)式增長。三大細(xì)分市場共同驅(qū)動光芯片市場空間持續(xù)拓展。
根據(jù)ICCSZ統(tǒng)計(jì)，在不考慮消費(fèi)電子VCSEL激光市場規(guī)模的情況下，2015年中國光器件市場規(guī)模為16.2億美元，到2020年有望達(dá)到26.8億美元，增長65.4%。若考慮消費(fèi)電子VCSEL激光器，國內(nèi)光芯片市場從2018年開始將加速拓展。預(yù)計(jì)光芯片在光器件的成本占比為50%，2015—2020年間國內(nèi)光芯片市場規(guī)模有望從2015年的8.1億美元增長到2020年的21.4億美元，年均復(fù)合增長率高達(dá)21.4%。
2 電信市場：近期保持穩(wěn)定，有望迎5G高增長機(jī)遇
從電信市場看：有線方面，傳輸網(wǎng)擴(kuò)容愈加緊迫，城域網(wǎng)100G逐漸下沉;接入網(wǎng)由GPON/EPON向10G PON升級。無線基站方面，目前正處于4G建設(shè)后期，需求相對疲軟。隨著5G基站大規(guī)模建設(shè)逐漸開啟，有望迎來5G高增長機(jī)遇。
2.1傳輸網(wǎng)擴(kuò)容正當(dāng)時，DFB/EML芯片需求穩(wěn)步增長
隨著流量持續(xù)增長，網(wǎng)絡(luò)升級將遵循：骨干網(wǎng)→城域網(wǎng)→ 接入網(wǎng)→ 骨干網(wǎng)的循環(huán)過程，對高速光芯片形成持續(xù)而穩(wěn)定的需求。
國內(nèi)骨干網(wǎng)100G升級自2013年開始大規(guī)模進(jìn)行，城域網(wǎng)將逐步提升100G的滲透率。自2017年8月份以來，三大運(yùn)營商先后落實(shí)資金開啟傳輸網(wǎng)100G設(shè)備端口集采，同比去年有較大幅度的提升。我們認(rèn)為，5G建設(shè)傳輸先行，隨著傳輸網(wǎng)擴(kuò)容的持續(xù)推進(jìn)，對DFB/EML芯片的需求有望持續(xù)提升。
2.2接入網(wǎng)向10G PON升級，DFB芯片需求有望提升
接入網(wǎng)用于連接傳輸網(wǎng)與終端，傳輸距離較短。目前，點(diǎn)到多點(diǎn)(P2MP)的光纖接入方式PON(passiveoptical network)是我國運(yùn)營商采用的光纖接入方式，多采用EPON或GPON。隨著4K/8K視頻、VR/AR等技術(shù)的發(fā)展，EPON和GPON已逐漸無法適應(yīng)用戶對帶寬的需求。為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)路的平滑升級，PON的升級將成為關(guān)鍵因素，EPON和GPON有望向10G PON技術(shù)升級。
考慮到成本，在GPON/ EPON方面，國內(nèi)大多采用FP激光器。在10G PON時代，需要采用DFB激光器。目前，國內(nèi)具備自主生產(chǎn)DFB光芯片的企業(yè)較少，大量依賴于國外進(jìn)口。隨著接入網(wǎng)升級的全面展開，具備10G DFB芯片量產(chǎn)能力的光器件廠商有望充分受益于行業(yè)需求紅利。
2.3無線基站近兩年需求放緩，5G時代芯片需求有望大幅回暖
自2015年起，4G基站建設(shè)整體進(jìn)入中后期，近兩年需求有所下滑。2020年，5G規(guī)模商用開啟，有望再次拉動對光模塊的需求，市場空間超45億美元，按照芯片成本占比50%估算，市場空間超20億美元。據(jù)測算，5G基站光芯片市場規(guī)模約為4G基站2.8倍左右。與4G基站光模塊市場相比，5G基站的建設(shè)對光芯片的需求將持續(xù)提升：(1)從基站數(shù)量看：由于5G頻譜頻率上升，信號穿透建筑物的衰減較大，建站密度與4G基站相比將更高。預(yù)計(jì)未來6年內(nèi)(2019—2024)有望建設(shè)581.4萬個5G基站，密度是4G基站數(shù)的1.36倍。(2)從單基站光模塊數(shù)看：5G基站架構(gòu)從4G的前傳-回傳演進(jìn)到前傳—中傳—回傳，單個基站需要的光模塊數(shù)有望達(dá)8—10個，較4G基站有所增加。
芯片方面，5G基站前傳至少為25G QSFP 28，主要采用DBF/EML芯片。中傳回傳有望采用10G SFP+光模塊，主要采用DBF/EML芯片。目前正處于4G基站與5G基站建設(shè)交替期，需求階段性放緩。而隨著5G商用將至，對于光芯片的需求將大幅提升，相關(guān)光芯片廠商有望迎接5G時代的高增長機(jī)遇。
3 數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模有望快速增長
隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，數(shù)據(jù)中心建設(shè)在全球范圍內(nèi)興起。2017年全球數(shù)據(jù)中心數(shù)量達(dá)到840萬座，其中美國占據(jù)全球近一半的數(shù)據(jù)中心，成為過去幾年數(shù)據(jù)中心市場增長的主要驅(qū)動力。2012—2017年，全球IDC市場規(guī)模的復(fù)合增長率為15.94%;同期，中國IDC市場規(guī)模的復(fù)合增長率高達(dá)35.02%，高于全球增速19.08個百分點(diǎn)。
2017年，中國IDC市場規(guī)模達(dá)946.1億元，2018年有望超過1200億元。我們認(rèn)為，數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模及其營收占比持續(xù)提升，將接力電信市場，成為未來五年驅(qū)動光器件行業(yè)規(guī)模擴(kuò)張的重要動力。
在光器件市場中，數(shù)據(jù)中心市場占整個光器件市場的近1/3。根據(jù)LightCounting預(yù)測，2019年數(shù)據(jù)中心光模塊銷量有望超過5000萬個，市場規(guī)模有望從2014年的16億美元增加2021年的49億美元。從應(yīng)用場景看，光芯片在數(shù)據(jù)中心主要可以分為兩類：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)(主要采用VCSEL芯片)以及DCI網(wǎng)絡(luò)(主要采用DFB/EML芯片)。
3.1 數(shù)據(jù)中心內(nèi)部市場的發(fā)展有望提升VCSEL/DFB芯片的需求
數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接距離相對短，以850nm的VCSEL和1310nm的DFB芯片為主。其中，100GAOC和100G SR4主要以VCSEL芯片為主，100G PSM4和100G CWDM4主要以DFB芯片為主。
隨著數(shù)據(jù)中心承載的功能逐漸增加，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(接入層、中層的匯聚層)逐漸難以適應(yīng)內(nèi)部流量集中的趨勢，帶寬壓力持續(xù)增大，新型分布式數(shù)據(jù)中心葉脊式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)興起。葉脊拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)是兩層結(jié)構(gòu)，包括脊交換機(jī)和葉交換機(jī)，數(shù)據(jù)中心與外部的連接可以通過(邊緣)脊交換機(jī)或(邊緣)葉交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。在該結(jié)構(gòu)下，每臺脊交換機(jī)與每臺葉交換機(jī)之間都要進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層相比，葉脊網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了接入層、匯聚層與主機(jī)之間的連接數(shù)。因此，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)男实玫教嵘耐瑫r，對于光模塊的需求也大大增加。
2020年光芯片市場空間測算：核心假設(shè)：1、新架構(gòu)為1：1收斂比的二層脊葉型數(shù)據(jù)中心;2、數(shù)據(jù)中心使用10G和100G兩種端口;3、單臺葉交換機(jī)下連兩個機(jī)柜共20臺服務(wù)器，單臺脊交換機(jī)下連10臺葉交換機(jī)。在此假設(shè)下，100萬服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心需要200萬/20*40=400萬個10G光模塊，200萬/20/10*40=40萬個100G光模塊。根據(jù)Ovum，到2020年全球新增100個數(shù)據(jù)中心(100萬臺服務(wù)器)，則市場空間高達(dá)120億美元。我們假設(shè)VCSEL芯片在光模塊中的成本占比約35%，則2020年VCSEL芯片在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的市場規(guī)模約為42億美元。
3.2 數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI網(wǎng)絡(luò))市場規(guī)模發(fā)展將帶來DFB/EML芯片需求
流量爆發(fā)引起網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，驅(qū)動數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(DCI)市場呈高速發(fā)展趨勢。目前，由于不同地區(qū)數(shù)據(jù)中心之間的信息需要通過電信骨干網(wǎng)相連，因此傳輸時延和傳輸成本無形之中大大增加。隨著數(shù)據(jù)中心流量的爆發(fā)，骨干網(wǎng)的帶寬成為限制數(shù)據(jù)互訪流量爆發(fā)的瓶頸。在此背景下，DCI網(wǎng)絡(luò)在不同地區(qū)的數(shù)據(jù)中心之間重新建立新的傳輸通道，將極大地提升數(shù)據(jù)中心之間的傳輸效率，同時減少骨干網(wǎng)的傳輸壓力。DCI網(wǎng)絡(luò)需要滿足兩點(diǎn)：(1)要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用DC間一跳直達(dá)的全互聯(lián)、扁平化網(wǎng)絡(luò)，滿足低時延要求。(2)要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備高密度100GE端口，及面向1T、2T的平臺平滑演進(jìn)能力。
DCI網(wǎng)絡(luò)主要采用WDM系統(tǒng)(包括CWDM和DWDM)，按距離可分為同一城市內(nèi)互聯(lián)和城市間互聯(lián)。前者對應(yīng)的傳輸距離一般在40公里以內(nèi)，主要用到DFB芯片;后者對應(yīng)的傳輸距離一般在為幾百公里，主要用到EML芯片。隨著DCI網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步推進(jìn)，對于高速光芯片的需求有望快速增長。根據(jù)Ovum測算，2014年全球DCI市場規(guī)模約25億美元，2019年有望達(dá)到42億美元。我們假設(shè)DCI網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，光芯片在光模塊中的成本占比為50%，DCI網(wǎng)絡(luò)的光芯片市場規(guī)模有望從2014年的12.5億美元增長到2019年的21億美元。
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