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【TMT研究】光通信產(chǎn)業(yè)鏈概覽(上)

 kikitata 2021-01-20

光通信產(chǎn)業(yè)鏈概覽(上)

行業(yè)基本情況

光通信是以光為載體進行信息傳遞的一種通信方式。根據(jù)《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖2018-2022》,“十三五”以來,隨著中國制造、互聯(lián)網(wǎng)+等國家戰(zhàn)略出臺,大數(shù)據(jù)、云計算、第5代移動通信(5G)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等新一代應(yīng)用市場的快速發(fā)展,全球移動用戶數(shù)將突破72億,移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)超過40億,全球年數(shù)據(jù)流量增長達到復(fù)合年均增長率在25%以上。作為信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的核心和現(xiàn)代通信的支柱,光通信產(chǎn)業(yè)遇到了前所未有的市場機遇,預(yù)計未來五年光通信行業(yè)發(fā)展持續(xù)景氣。

產(chǎn)業(yè)鏈概況

光通訊產(chǎn)業(yè)鏈由光纖光纜及光通信設(shè)備兩個環(huán)節(jié)構(gòu)成。其中,光纖光纜上游對應(yīng)光纖預(yù)制棒環(huán)節(jié),光通信設(shè)備上游對應(yīng)光芯片、光器件、光模塊等三個環(huán)節(jié)。

另外,光通訊有電信市場及數(shù)據(jù)通信市場兩個下游核心應(yīng)用領(lǐng)域,電信市場主要針對客戶為各大電信運營商,其為手機用戶提供電信通信及流量服務(wù),數(shù)據(jù)通信市場主要針對大型數(shù)據(jù)中心業(yè)主客戶,提供數(shù)據(jù)中心內(nèi)部、數(shù)據(jù)中心間的通信網(wǎng)絡(luò)及傳輸功能。

光纖光纜

1、光纖預(yù)制棒

光纖預(yù)制棒有投資金額大、擴容周期長的壁壘,占光纖光纜子產(chǎn)業(yè)鏈利潤的70%。當(dāng)前商業(yè)生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的氣相沉積工藝都已經(jīng)發(fā)展為“兩步法”。其中,第一步為生產(chǎn)芯棒(Core-rod),第二步為生產(chǎn)外包層(Overcladding)。光纖預(yù)制棒的光學(xué)特性主要取決于芯棒制造技術(shù),成本主要取決于外包層技術(shù),套管占光棒生產(chǎn)成本90%以上。

步驟

方法

方法分類

芯棒生產(chǎn)

管外法

  • 外部氣相沉積法(OVD)

  • 氣相軸向沉積法(VAD)

管內(nèi)法

  • 改進化學(xué)汽相沉積法(MCVD)

  • 等離子體激活化學(xué)汽相沉積法(PCVD)

外包層生產(chǎn)

套管法

  • 套管需要進口,產(chǎn)能擴張受外方限制。

全合成法

  • 生產(chǎn)效率高,工藝穩(wěn)定,成本低;工序復(fù)雜、建設(shè)周期長,新進入者需要較長學(xué)習(xí)時間。

2、光纖

光纖光纜是利用光的全反射原理對光信號進行傳輸?shù)慕橘|(zhì)。光纖由折射率較高的纖芯、包層及保護套構(gòu)成,光纜由纜芯、加強元件、護套,防水層、緩沖層、絕緣金屬導(dǎo)線等構(gòu)成。光纖主要分類情況如下:

大類

小類

作用

通信光纖

單模光纖

帶寬大,纖芯細,只能傳一種模式的光,通信距離長

多模光纖

帶寬窄,纖芯粗,可傳多種模式的光,通信距離短

特種光纖

餌纖(EDF)

是摻餌光纖放大器的核心

保偏光纖

一種特殊的單模光纖,主要用于光纖傳感領(lǐng)域

耦合光纖

主要針對980nm及1550nm波長光的傳輸設(shè)計的單模光纖

穩(wěn)相光纖光纜

光精密傳輸?shù)年P(guān)鍵零部件

摻鐿光纖(YDF)

用于摻鐿光纖放大器和激光器

無源匹配光纖(GDF)

用于全光纖一體化設(shè)計的光纖激光器和放大器

大芯徑傳能光纖

可加工成傳能跳線用于高功率激光的柔性傳輸

3、光纖光纜行業(yè)規(guī)模情況

2010-2017年全球和中國光纖產(chǎn)量CAGR分別為14.42%、23.10%。2017年我國光纖產(chǎn)量占全球比重達65%,較2010年增長約26個百分點。在光纜產(chǎn)量方面,2010-2017年全球和中國CAGR分別為14.65%、19.16%。

2010-2017年全球和我國光纖產(chǎn)量(百萬芯公里)

2010-2017年全球和我國光纜產(chǎn)量(百萬芯公里)

5G的發(fā)展將帶來對帶寬需求的提升,并帶動新一輪通信基礎(chǔ)設(shè)施的投資高峰,成為驅(qū)動光纖光纜市場增長的重要推動力。中國移動2018年1-6月光纜集采普通光纜規(guī)模達1.1億芯公里;中國電信發(fā)布2018年總計5400萬芯公里的引入光纜和室外光纜集采;中國聯(lián)通2017~2018年光纜集采總規(guī)模約為5,830萬芯公里,即2018年僅三大運營商集采規(guī)??赡艹?.8億芯公里,按每年15%-20%增速,預(yù)計2020年采購規(guī)模達3.5億芯公里。以中國移動2019年初1.05億芯公里招標(biāo)限價101億元計算,我國光纖市場規(guī)模至少在350億元左右。

光芯片

光通信芯片是制作光器件和光模塊的核心,具有較高的研發(fā)技術(shù)門檻,也是整個光通訊行業(yè)技術(shù)難度最高的環(huán)節(jié)。光芯片占據(jù)價值量最高,在高、中、低端光器件中成本分別占比70%、50%和30%,其中高端光芯片90%以上份額被美、日企業(yè)壟斷,我國國內(nèi)廠商主要生產(chǎn)25G及以下速率光芯片。以下是光芯片的分類情況:

分類標(biāo)準(zhǔn)

大類

小類

用途

有源器件芯片

激光器芯片、探測器芯片、光放大器芯片、驅(qū)動器芯片

光通信收發(fā)芯片


分組傳送芯片


光分路器芯片

平面波導(dǎo)型芯片(PLC芯片)

介質(zhì)

InP系列

高速直接調(diào)制DFB激光器和EML激光器芯片、PIN(光電二極管)和APD(雪崩光電二極管)芯片、高速調(diào)制器芯片、多通道可調(diào)激光器芯片

GaAs系列

高速VCSEL激光器芯片、泵浦激光器芯片

Si/SiO2系列

PLC(平面波導(dǎo)光分路器)芯片、AWG、MEMS芯片

SiP系列

相干光收發(fā)器件、高速調(diào)制器、光開關(guān)芯片;TIA、LD、Driver、CDR芯片

LiNbO3系列

高速調(diào)制器芯片

光器件

光器件體現(xiàn)了光通信最核心的競爭力,是光通信設(shè)備的核心組成部分,占設(shè)備成本的30%左右,但下游設(shè)備商較為集中,議價能力較高,很大一部分利潤被設(shè)備商拿走,所以該市場雖增長較快但是競爭激烈,利潤水平較低。目前我國光器件廠商占全球15%的份額,且無源光器件的競爭力較強,技術(shù)門檻較高的有源光器件領(lǐng)域市場份額有待提升。

1、有源光器件

有源光器件是光通信系統(tǒng)中將電信號轉(zhuǎn)換成光信號或?qū)⒐庑盘栟D(zhuǎn)換成電信號的關(guān)鍵器件,是光傳輸系統(tǒng)的心臟。有源光器件能夠?qū)庑盘栠M行主動操作,例如光信號的發(fā)射、探測、放大接收、調(diào)制以及波長變化等。有源光器件占光器件市場75%左右,其中激光器和光探測器市場份額最高。以下是有源光器件的分類情況:

大類

作用

小類

激光器

發(fā)射光信號,完成光-電轉(zhuǎn)換。

  • 常見的是半導(dǎo)體激光器(LD)和發(fā)光二極管(LED),由于前者輸出光功率較大,器件速率較高得到普及。

  • 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL,以砷化鎵半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)研制,有別于發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器,具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)點,適用于850nm,損耗高,常用于短距離光通信)

  • 分布反饋式激光器(DFB激光器,具有非常好的單色性,線寬極窄)

  • 電吸收調(diào)制激光器(EML,在DFB的基礎(chǔ)上采用了外調(diào)制器,高頻調(diào)制或長距離傳輸時效果較好)

  • FP激光器

激光驅(qū)動器

一般是用來控制半導(dǎo)體激光器的器件。


光探測器

接收光信號,完成電—光轉(zhuǎn)換。

  • 光電二極管(PIN):由P型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體和本征半導(dǎo)體構(gòu)成。

  • 雪崩光電二極管(APD)在PIN的基礎(chǔ)上多了一層倍增層,產(chǎn)生不斷放大的效果。

光放大器

完成光信號功率補償。

  • 反轉(zhuǎn)粒子放大器:摻雜離子光纖放大器,主流為摻鉺光纖放大器(EDFA),其速率透明、大增益、大寬帶、低噪聲、高功率等特點使其成為低損耗窗口理想的光放大器;

  • 非線性散射放大器:包括拉曼放大器(SRA)、布里淵放大器(SBA)。拉曼放大器分為分布式和分立式,分布式可以在任意波段進行放大,優(yōu)點是帶寬大、有效噪聲小,但增益不高、效率較低,而分立式使用專門的增益放大光纖進行增益放大,主要用于EDFA無法放大的波段,是未來新秀;

  • 非線性折射放大器:參量放大器。

  • 半導(dǎo)體光放大器(SOA)

光調(diào)制器

將信息加載于光波的過程稱為調(diào)制,其中由于光波具有振幅、頻率、相位、強度等參量,使其中某一參量按調(diào)制信號的規(guī)律變化則可以達到運載信息的目的。

包括PMQ調(diào)制器、相位調(diào)制器(使光的相位按照一定規(guī)律變化的調(diào)制器)、強度調(diào)制器等

2、無源光器件

無源光器件是光通信系統(tǒng)中需要消耗一定能量但沒有光電或電光轉(zhuǎn)換的器件,是光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點,其能對輸入的光信號做被動操作,例如光束的連接、分波、合波、衰減、切換、隔離、開關(guān)等,占光器件市場份額25%左右。從“需求增長快、市場集中度好”兩個維度來看,無源器件中的波分復(fù)用器件市場份額最高,例如DWDM器件(密集型光波復(fù)用)、CWDM器件(粗波分復(fù)用)等,主要得益于電信運營商的骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)升級,波分下沉及波分下鄉(xiāng)的積極推進,加之?dāng)?shù)據(jù)中心間的互聯(lián)也要用到100G和400G的DWDM端口。

產(chǎn)品

作用

光隔離器

防止光通路反射回光源。

光衰減器

能對光信號的能量進行預(yù)期衰減。

光分路器

是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件,按分光原理可以分為熔融拉錐型和平面波導(dǎo)型(PLC型)兩種。

光開關(guān)

主要實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、光交叉連接以及自愈保護等功能。較為復(fù)雜的是ROADM(可重構(gòu)光分插復(fù)用器)

光連接器

連接兩根光纖以保證90%以上的光能夠通過。按照傳輸媒介不同分為單模光纖連接器和多模光纖連接器;按照結(jié)構(gòu)不同分為FC、SC、ST、LC、MT、D4、DIN、MU等;按照連接器插針端分為PC、UPC、APC;按照光纖芯數(shù)不同分為單芯、多芯,最常使用的是MPO/MTP連接器。

光背板

一般由多層印制板、連接器和導(dǎo)銷等元件組成,背板為系統(tǒng)中的單板、模塊等提供信號連接和物理支撐的作用。

光纖配線架(ODF)

專為光纖通信機房設(shè)計的光纖配線設(shè)備,具有光纜固定和保護功能、光纜終接功能、調(diào)線功能。

光纜接頭盒

專為光纖通信機房設(shè)計的光纖配線設(shè)備,具有光纜固定和保護功能光纜終接功能、調(diào)線功能,是信息機房中不可或缺的部分。

終端盒

光纖傳輸通信網(wǎng)絡(luò)中終端配線的輔助設(shè)備,終端盒主要用于光纜終端的固定,光纜與尾纖的熔接及余纖的收容和保護。

波分復(fù)用器(WDM)

  • 合波器(將不同光源波長信號結(jié)合在一起經(jīng)由一根傳輸光纖輸出的器件)

  • 分波器(經(jīng)由同一傳輸光纖送來的多波長信號分解為個別波長分別輸出的器件)

濾波器

可以對電源線中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除,得到一個特定頻率的電源信號,或消除一個特定頻率后的電源信號。

耦合器

光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用,一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號放大。

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