光通信技术通常用于数据中心、企业网络、电信运营商网络等领域，用于实现高速、远距离、高可靠性的通信，光模块是光通信中实现光电转换和电光转换的光电子器件。

图1光通信技术，让信息以光的速度传播

当下AI大模型的参数已升级至万亿级别，模型庞大的训练任务需要大量GPU服务器组成的算力集群来提供算力，而这些服务器之间需要通过网络连接进行海量数据交换，因此需要更高速率的光模块做匹配。此外，叶脊网络架构（每台叶交换机都需要与架构中的脊交换机连接，通过这种设计，网络中的每台服务器与其他服务器进行数据传输时都只需要通过叶交换机和脊交换机即可，大大提高了数据传输的效率）大幅增加对光模块数量的需求，并助力光模块往更高速率方向迭代升级。随着 ChatGPT 为代表的人工智能大语言模型的不断迭代，AI 算力需求激增，拉动 800G光模块需求显著增长，并加速光模块向 1.6T 及以上产品迭代。

图2 高性能计算架

图3 叶脊架构与传统三层架构的区别

如果把数据中心类比成人的大脑系统，那算力集群可以类比为神经元群体，每个神经元代表一个独立的计算节点，负责处理和分析大量数据。在这个系统中，光通信技术则相当于神经纤维和突触，负责在这些神经元之间快速、有效地传递信号。光信号在光纤中高速传播，就像神经纤维传导电信号一样，确保数据在各个计算节点之间的迅速交换。突触则是光模块的角色，完成光电转换，将电信号转化为光信号，类似于神经元释放神经递质，促进信息的传递。

光通信技术和光模块在整个数据中心的高效运行中起着至关重要的作用，它们共同构成了数据中心内部信息传递的“神经系统”，确保数据中心能够像一个高效运转的大脑一样，对外界输入的信息做出及时、准确的响应。

图4 信息在神经元间传播 来源：neurosciencenews

一、光通信原理

由于目前技术限制，IT设备只能识别电信号不能识别光信号，因此光模块的主要作用是实现光电转换协助设备进行光电信号转化，帮助设备进行信息传递。准确来说，光模块是几种类别的模块的统称，具体包括：光发送模块Transmitter、光接收模块Receiver、光收发一体模块Transceiver和光转发模块Transponder。通常所说的光模块，一般是指光收发一体模块。

图5 光通信基本结构

资料来源：头豹研究院、开源证券研究所

基本原理：发送接口输入一定码率的电信号，经过内部的驱动芯片处理后由光发射器（半导体激光器（LD）或者发光二极管（LED））发射出相应速率的调制光信号，通过光纤传输后，接收接口再把光信号由光接受器件（光探测二极管）转换成电信号，并经过前置放大器后输出相应码率的电信号。

二、光模块的结构

光模块中实现光电转换作用的核心部件是光电芯片，光芯片是光模块中完成光电信号转换的直接芯片，而电芯片是实现对光芯片工作的配套支撑，两者都是光模块的核心部件。从成本占比来看，光芯片通常占光模块成本的40%-60%，电芯片占 10%-30%之间。

光模块的主要升级在速率，光通信芯片的成本随着光模块速率的不断升高而提高。作为最主要的成本构成，芯片的差异也成为了衡量光器件高低端的主要标准。

图6 光模块基本结构 资料来源：CSDN、开源证券研究所

①光芯片：在光模块中，光芯片承担了关键的角色，主要包括激光器芯片和探测器芯片，是光通信产业链技术壁垒最高的一环。激光器是光信号的源头，而探测器则负责将光信号转换为电信号。

图7 光芯片在光通信系统中的工作

光芯片可以被分为有源光芯片和无源光芯片，有源光芯片可以进一步被分为激光器芯片、探测器芯片和调制器芯片。

图8 光芯片的分类

资料来源：源杰科技招股说明书、光纤在线，华鑫证券研究所

图9 光有源芯片分类概况

资料来源：源杰科技招股说明书、创道硬科技研究院，天风证券研究所

电光调制器可以将电信号转换为光信号，从而实现光信号的调制。光通信领域主要采用三种不同基底的电光调制器技术，分别基于硅、磷化铟和铌酸锂材料。这些不同的基底材料在性能和应用方面各有优势，适用于不同通信距离的应用场景。

图10 三类电光调制器材料方案对比

资料来源：华经情报网，天风证券研究所

铌酸锂具有显著的电光效应，非常适合制作高速电光调制器，但早期并没有合适的工艺可以制备薄膜铌酸锂晶圆，因此铌酸锂调制器只能使用体材料做分立元件，分立的铌酸锂体材料光学器件体积大，工艺与CMOS不兼容，不便于集成。薄膜铌酸锂调制器是将铌酸锂薄膜沉积在光纤或者其他光学波导上，形成一个光学调制器。相比于传统的铌酸锂晶体调制器，薄膜铌酸锂调制器具有较高的数据传输带宽、较低的驱动电压和更小的体积，与硅基和磷化铟基调制器相比也展现出显著的高速率、低能耗及高集成度等优势。

②电芯片：

电芯片国产化率偏低，核心供应厂商仍以海外企业为主。电芯片包括激光驱动芯片 LDDriver、跨阻放大器芯片 TIA、限幅放大芯片 LA、DSP 电信号处理芯片等，用于处理电信号和光信号之间的转换和调控，确保信号的稳定传输。这两大类芯片的协同工作使光模块成为现代通信技术的关键组成部分。

电芯片分类概况

资料来源：创道硬科技研究院，天风证券研究所

参考资料：

1、AI 时代算力需求激涌，高速率光模块伴潮而行，天风证券

2、高速互联需求驱动光通信行业发展，国产光芯片有望加速渗透，华鑫证券

3、光模块领军企业，800G、1.6T 开启成长新时代，开元证券

编辑：Alpha