说到光模块，相信大家一定不会觉得陌生。

随着光通信的高速发展，现在我们工作和生活中很多场景都已经实现了“光进铜退”。也就是说，以同轴电缆、网线为代表的金属介质通信，逐渐被光纤介质所取代。

而光模块，就是光纤通信系统的核心器件之一。

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光模块的组成结构

光模块，英文名叫Optical Module。Optical，意思是“视力的，视觉的，光学的”。

准确来说，光模块是多种模块类别的统称，具体包括：光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。

现今我们通常所说的光模块，一般是指光收发一体模块（下文也是如此）。

光模块工作在物理层，也就是OSI模型中的最底层。它的作用说起来很简单，就是实现光电转换。把光信号变成电信号，把电信号变成光信号，这样子。

虽然看似简单，但实现过程的技术含量并不低。

一个光模块，通常由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。

光模块的组成

在发射端，驱动芯片对原始电信号进行处理，然后驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出调制光信号。

在接收端，光信号进来之后，由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出电信号。

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光模块带动磷化铟崛起

国内企业打破垄断

半导体材料按照物理性质可以划分三代：分别是以Si(硅)、Ge(锗)为代表的第一代，InP(磷化铟)、GaAs(砷化镓) 为代表的第二代，GaN(氮化镓)、SiC(碳化硅)为代表的第三代。5G通讯、车用电子以及光通讯领域的技术革新，使得以磷化铟、砷化镓为代表的第二代半导体材料得以蓬勃发展。其中，磷化铟呈沥青光泽的深灰色晶体状，是一种III~V族化合物。其电学等物理性质优势突出，具有饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强、导热性好、光电转换效率高等诸多优点，在光电芯片衬底材料应用中占据优势，是制造波长1.3-1.55m的激光器和探测器、光芯片、毫米波异质结双极晶体管及低噪声单片电路的关键基础材料。磷化铟现被广泛应用于集成电路、太阳能电池、高端功率器件、微处理器、半导体照明等领域。目前，2英寸磷化铟衬底需求占主导地位，4英寸的需求逐年增加。

磷化铟，图源：先导集团官网

据了解，能够使单晶量产生长的技术主要有高压液封直拉法（LEC）、垂直温度梯度凝固法（VGF）和垂直布里奇曼法（VB）。磷化铟从原材料到晶锭再成为2-4英寸晶圆的生长过程艰难，期间对制备工艺和生产设备要求苛刻。由于磷化铟单晶制备技术壁垒较高，市场参与者主要以欧美科技企业为主。我国磷化铟整体制备技术与产业化能力与国际水平仍有较大差距，但不乏像广东先导集团这样的企业正在奋力追赶，现已获得阶段性的成果。该集团旗下的威科赛乐微电子股份有限公司已掌握VGF晶体生产方法，可提供高质量的2-4英寸磷化铟(InP)晶片，是国内少数具备年产250万片磷化铟产能的企业，实现了打破国外企业垄断半导体衬底材料的产业格局。

光通信全球产业链，图源：中信证券

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元宇宙加速光模块发展

磷化铟或再度爆发

权威研究机构Yole发布的光模块市场报告显示，2020年全球光模块市场约为96亿美元，预计到2026年将至少翻一番至209亿美元左右，2020-2026年的复合年增长率将高达14%。在过去50年中，每十年就会推动一次移动技术创新。移动带宽需求伴随各种应用而增加，目前已从语音通话和短信发展到超高清（UHD）视频和各种增强现实/虚拟现实（AR/ VR）等应用。

2020-2026年光模块市场预测，图源：YOLE

近期大火的元宇宙以“低延时、沉浸感”为主要特征，对网络传输提出了更大带宽、更低时延，更广覆盖的要求，数据通信及电信侧硬件升级成为支撑其运作的必要前提。国盛证券认为，元宇宙除了刺激显卡这类硬件侧的需求，还会直观的体现在流量和数据传输侧。光模块作为光电信号转换的器件，是元宇宙的虚拟空间与服务器所在的现实空间进行转换的核心“硬件底座”。另一市场机构LightCounting预测，全球光模块市场将从2020年的80亿美元增加到2026年的145亿美元，2021年400G光模块市场空间将超10亿美元，同比增长140%。

作为光模块组件激光器和接收器的关键半导体材料，磷化铟则有望在元宇宙“成长”过程中开启新一轮需求增长曲线。据《中国新材料产业发展年度报告》中公布，2015年全球磷化铟衬底需求约为140万片/年，80%需求来自欧美和日本，我国需求仅为3%。报告预计2021全年，全球2英寸磷化铟衬底需求约为400万片/年，我国2英寸磷化铟衬底需求预计将上升至40万片左右。而全球的4英寸磷化铟衬底需求，预期在2024年扩张至约160万片，其中数据通信领域的应用将逐步增加并超过电信领域。

随着元宇宙、5G商用以及我国新基建的快速推进，如今数字经济对光通信技术的要求越来越高，光模块的地位正日益凸显，未来我国磷化铟的市场规模有望随之增长。

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光模块六大技术趋势

技术趋势一：实现非气密性封装

由于光组件（OSA）的成本占光模块成本的60%以上，而光芯片降成本的空间已越来越小，所以最有可能降低成本的是封装成本。在保证光模块性能及可靠性的同时，推动封装技术从比较昂贵的气密封装走向低成本的非气密封装成为关键。

非气密封装需要在保证光器件自身非气密性的前提下，同时进行光组件设计的优化，封装材料以及工艺的改进等。其中以光器件（特别是激光器）的非气密化最为挑战。如果激光器件实现了非气密化，昂贵的气密封装的确就不需要了。可喜的是，近年来行业内已有公开宣称自己的激光器可以适用于非气密应用的厂商。纵观现在大量出货的数据中心光模块，多是以非气密封装为主。看来非气密封装技术已经很好地被数据中心光模块业界及客户接受。

技术趋势二：混合集成技术成为现实

混合集成技术通常是指将不同材料集成在一起。也有将部分自由空间光学和部分集成光学的构造叫做混合集成。在多通道，高速率，低功耗需求的驱动下，要求相同容积的光模块所能提供的数据传输量越大越好，所以光子集成技术渐渐地成为现实。

光子集成技术的意义也比较广泛：比如说基于硅基的集成（平面光波导混合集成，硅光等），基于磷化铟的集成等。典型的混合集成是将有源光器件（激光器，探测器等）集成到具有光路连接或者其他一些无源功能（分合波器等）的基板上（平面光波导，硅光等）。混合集成技术可以将光组件做得很紧凑，顺应光模块小型化趋势，方便使用成熟自动化IC封装工艺，有利于大量生产，是近期数据中心用光模块行之有效技术的方法。

技术趋势三：倒装焊技术趋于成熟

倒装焊是从IC封装产业而来的一种高密度芯片互联技术。在光模块速率突飞猛进的今天，缩短芯片之间的互联是一个有效的选项。通过金-金焊或者共晶焊将光芯片直接倒装焊到基板上，比金线键合的高频效果要好得多（距离短，电阻小等）。另外对于激光器来说，由于有源区靠近焊点，激光器产生的热比较容易从焊点传到基板上，对于提高激光器在高温时的效率有很大帮助。因为倒装焊是IC封装产业的成熟技术，已经有很多种用于IC封装的商用自动倒装焊机。光组件因为需要光路耦合，因此对精度要求很高。这几年光组件加工用高精度倒装焊机十分抢眼，许多情况下已经实现无源对光，极大地提高了生产力。因为倒装焊（也叫自动邦定贴片）机具有高精度，高效率，高品质等特点，倒装焊技术已经成为数据中心光模块业界的一种重要工艺。

技术趋势四：COB技术大量采用

COB（Chip On Board）技术就是通过胶贴片工艺（epoxy die bonding）先将芯片或光组件固定在PCB上，然后金线键合（wirebonding）进行电气连接，最后顶部滴灌胶封。这种非气密封装工艺的好处是可以使用自动化。比如说光组件通过倒装焊等混合集成以后，可以看成是一个“芯片”。然后再采用COB技术将其固定在PCB上。目前COB技术已经得到大量采用，特别是在短距离数据通信使用VCSEL阵列的情况。集成度高的硅光也可以使用COB技术来进行封装。

技术趋势五：硅光技术的应用

首先，硅光技术的走向将会是光电集成（OEIC：Opto-Electric Integrated Circuits），也就是将目前分离光电转换（光模块）变成光电集成中的局部光电转换，更进一步推动系统的集成化。不可否认，硅光技术可以实现很多功能，但目前比较耀眼的还是硅调制器。而硅光技术之所以难以进入光模块市场，有以下3种原因：

硅光技术需要巨大的前期投入，这一点是很重要的限制因素。

在100G速率，传统光模块已经做得十分成功，硅光要大量进入不太容易。

硅光的大量应用也取决于业界对技术的开放与接受程度。

同时硅光技术也有以下3种技术优势：

由于数据中心光模块市场大量需求集中在2公里以内，加之低成本、高速率、高密度等的强烈要求，比较适合硅光的大量应用。

在200G，400G以上速率，由于传统直接调制式已经接近带宽的极限，EML的成本又比较高，对硅光来说将会是一个很好的机会。

如果在制定标准或协议时考虑到硅光的特点，在满足传输条件的前提下放松一些指标（波长，消光比等），这将会极大地促进硅光的应用。

因此，如果硅光技术最终能克服限制因素，成功融合到光模块之中，无疑将会推动光模块技术的发展。

技术趋势六：板载光学的应用

如果说OEIC是究极的光电集成方案，板载光学则是介于OEIC和光模块之间的一项技术。板载光学将光电转换功能从面板搬到主板处理器或者关联电芯片之旁。因为节省空间而提高了密度，也减少高频信号的走线距离，从而降低功耗。

板载光学最开始主要是集中在采用VCSEL阵列的短距离多模光纤中，然而最近也有采用硅光技术在单模光纤里的方案。除了单纯光电转换功能的构成以外，也有将光电转换功能（I/O）和关联电芯片（processing）封装在一起的形式（Co-package）。板载光学虽具有高密度的优点，但制造，安装，维护成本还较高，目前多是应用在超算领域。相信随着技术的发展及市场的需要，板载光学也会逐渐进入到数据中心光互联领域内来。

本文来源：鲜枣课堂，稀金网，今日光电