光通信行業專題研究報告:全球光網路產業發展趨勢展望

(報告出品方/作者:中信證券,丁奇、黃亞元)

光通信產業構成、價值及產業一覽

通信的網路結構:光網路承上啟下,分為光設備、光纜、光模塊三個環節

21 世紀,信息科技得到極大的發展,互聯網、大數據、人工智慧,極大地豐富了人們 的溝通和生活。而信息科技的底座便是通信網路,正是因為通信網路近二十年來的傳輸效 率以指數級提升,每比特成本大幅下降,使得海量數據遠距離傳輸,集中處理成為可能, 海量的數據集中到一起,才引發雲計算和大數據的革命。比特傳輸成本為什麽能大幅 降,傳輸效率為什麽能大幅提升呢?除了以 3G、4G、5G 代表的空口效率革命以外, 另一個關鍵就是在傳輸環節光對電的替代,以及光自身傳輸效率的不斷提升。

我們先看通信網路的架構,理解光在其中所處的位置,然後再分析產業後續的發展 化。通信網路從網路構架上來看可以簡單地分為信息的採集部分、信息的傳送部分和信息 的轉發、處理和存儲部分,如圖 1 所示。而光通信主要處於信息的傳送部分,具體又可以 分為光通信設備(OTN 和 WDM)、光纖光纜和光模塊。接下來我們就這三個環節分別 簡單的介紹,然後在下一章節進行展開論述。

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我們首先介紹下光纖光纜,最早,我們的通信方式也叫電話,這個“電”,其中一部 分指的是中間是用電纜在傳輸信號。由於電子的趨膚效應,電纜的傳輸損耗特別大,常用 的 75-12 同軸電纜(750MHz)的衰減值為 79dB/km,而光纖通信的每公里衰減比目前容 量最大的通信同軸電纜要低幾個數量級,目前業內普遍使用的普通光纖衰減為 0.20dB/km 左右,而超低衰減光纖衰減程度可小於 0.17dB/km,這使得遠距離通信的承載介質很早就 開始轉變為光纜。而在接入端,過去十多年來,“光進銅退”工程穩步推進,在 2020 年 5 月 17 日的世界電信和信息社會日大會上,工信部副部長陳肇雄透露,截止 2020 年 5 月, 我國光纖用戶滲透率已達 93%,大幅領先於歐美和全球平均水平。

然後,我們介紹下光模塊,光模塊的存在,本質上是為瞭解決光電轉換問題。由於光 目前還無法存儲,當前數字世界的處理其實是依賴電路板或者 PCB 的。而如果我們直接用電信號進行傳輸,則只需要水晶頭就可以了,當年 PC 機交換機就是 通過水晶頭加網線的方式進行連接。但如上文所述,距離稍微一拉長,用電纜不僅價格貴, 信號的損耗更是驚人,因此需要把電信號轉化成光信號,光模塊的作用就在於將電信號 過激光器轉換成光信號,然後通過光纜進行長距離傳輸。

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最後介紹下光傳輸設備(OTN、WDM)。光傳輸設備的價值有兩個,一個是對抗損耗, 放大信號,另一個是復用介質,提升傳輸效率。為什麽光傳輸設備需要這兩個特性呢, 為光在光纖中進行長距離的傳送也不可避免地會有衰減、色散等問題,需要有一個設備對 其進行再放大、重生;另外,只傳輸一路波對骨乾和城域的光纖資源是一種浪費,需要 備將多路光進行波分復用後再傳送,同時,波分復用也是提升光纖容量的一種有效方式。

光通信產業價值:跨越信息鴻溝,迎接智能時代

隨着人工智慧、大數據等技術手段的發展,數據的價值越來越凸顯。然而,隨着採集 數據的感測器數量大增,精度不斷提高,維度不斷擴展,數據量呈現急劇增長的態勢。如 何才能低成本、高效率地去採集、傳輸和處理數據是一個非常重要的課題。我們認為,中 國光網路過去十數年的快速發展,使得每比特傳輸成本大幅降低,為中國的數字經濟發展 奠定了良好的基礎。 首先從信息的採集角度而言,光網路有力地支撐了 FTTH 和 4/5G 網路,使得中國的 互聯網和移動互聯網迎來了極大發展。

從 FTTH 來看,截止 2021 年底,中國光纖接入 FTTH/O 用戶 5.06 億,僅中國移動一 用戶數量就達到 2.4 億。中國 FTTH/FTTO 的 用 戶 比 率 達 到 93%, 相 較 於 全 球 30%的平均水平遙遙領先。FTTH 高速發展,一方面與中國的人口基數有關,另一方 面與中國的勞動力成本和土地政策也密不可分。據中國電信集團公司科技委主任韋樂平, 中國 FTTH 的單戶成本 2017 年已降到 100 美元,僅為歐美日等發達國家的 1/10。較低的 接入成本加上龐大的市場規模,使中國 FTTH 用戶數量突飛猛進,根據工信部數據,到 2020 年底中國 FTTH 埠數約 9.18 億個。 同時,中國也在不斷推進 4/5G 的建設,2019-2021 年,中國共新建 5G 站點 142.5 萬。在 FTTH 和基站的大規模建設共同推進下,根據《2021 年通信業統計公報》,2021 年底中國光纜總長度 5488 萬公里,其中 2021 年新建 319 萬公里。

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隨着數據量井噴式發展,以及對網路品質要求的不斷提高,除了接入網以外,傳送網 也在迎來大發展,主要源於以下幾點:1、從家庭業務來看:4K/8K 直播、雲 VR、自由視 角視頻等新型的家庭業務正在蓬勃涌現,這些新業務不僅需要簡單的大帶寬,還需要更低 時延、更小丟包率等指標以保障良好體驗,這些都需要高品質的網路來滿足和支撐。2、 從企業來看:業務泛視頻化、數據集中化、生產辦公系統雲化成為鮮明特點,企業數字化 轉型一方面產生大量數據,需要集中存儲在雲端, 同時生產辦公的雲化也要求企業總部 與分支之間的數據交互更安全、更及時,這也需要大帶寬、低時延、安全隔離的網路保障。

產業地圖:中國具備最完整產業鏈,關鍵環節待突破

中國對信息技術發展極度重視,是全球最大的光通信市場,也是全球最大的製造基地。 光通信產業鏈完整,從光電晶元、器件、光纖預制棒、光纖光纜到系統設備製造一應俱全, 根據韋樂平在 2017 全球光纖光纜大會上的發言,中國光傳輸設備發貨量占全球的 40%、 光接入設備占 70%、數通設備 25%、光纖 60+%、光器件約 15%。

中國雖然有全球最大的市場和最完備的產業鏈,但並不意味着每個環節上都有非常強 的競爭力。以光設備為例,華為、中興通訊、烽火通信已占據最大份額,但在產業鏈高端 部分還存在短板,例如,光系統環節:WSS 開關、OXC 等關鍵器件還依賴於進口;光模 塊環節,100G 以上的高端相乾光模塊由歐美公司主導;光晶元環節,10Gbps 基本實現國 產,25G 激光器晶元、PIN 和 APD 器件開始小規模發貨,25Gbps 電晶元基本依賴進口, 相乾 oDSP 高端晶元主要由歐美公司主導;光纖光纜環節,在超低損光纖、光纖預制棒套 管、光纖塗覆層等環節依賴進口,同時光纖銷售依賴於國內市場,國際化拓展還有待進一 步加強。

光通信設備:整機份額市占率超五成,部分核心元器件仍有瓶頸

光通信以光纖作為傳輸介質,其傳輸的信號就是光信號。但電腦、手機、光通信設備 等終端,都是通過電信號“0 和 1”來處理信息的,所以終端設備在信息處理時必須進行 光電轉換。因此,光通信系統由“將電信號轉成光信號的發送單元”、“將光信號轉成電信 號的接收單元”及“傳輸通道光纖”構成。光通信網路主要分為核心層、骨乾層、匯聚層 和接入層。

光通信網路從接入層來看主要有 PON 網路,從匯聚、骨乾和核心層來看,主要設備 有 WDM、OTN 等。

接入層:PON 市場中國廠商占據七成份額,核心環節 PLC 占五成份額

PON(無源光網路)是指(光配線網中)不含有任何有源電子設備,ODN 全部由光 分路器(Splitter)等無源器件組成,不需要貴重的有源電子設備。該技術由 20 世紀 90 年 代的 BPON,發展到 21 世紀初期且沿用至今的 GPON 和 EPON,又到後來的 10G PON、 XG-PON 等等。

全球和中國 PON 市場空間料將保持穩定增速,根據市場研究公司 Dell’Oro Group 的 最新報告,預計 2021 年至 2026 年,用於 FTTH 部署的 PON 設備、有線寬頻接入設備和固定無線 CPE 的銷售額將會增加,因為服務提供商希望擴大其固定寬頻服務的覆蓋範圍 和速率。得益於光纖建設和補貼措施,相關市場收入有望在 2024 年達到 180 億美元的峰 值。這份寬頻接入五年期預測報告的其他重要內容包括:預計 PON 設備收入將從 2021 年的 83 億美元增長到 2026 年的 98 億美元,主要得益於 XGS-PON 在北美、EMEA(歐 洲、中東和非洲)和 CALA(加勒比海和拉美地區)的部署;到 2026 年,固定無線 CPE 的收入預計將達到 28 億美元,其中 5G Sub-6GHz 和 5G 毫米波的出貨量將會領先;隨着 運營商加大 DOCSIS 4.0 的部署力度,到 2024 年,有線分散式接入設備(虛擬 CCAP、 遠程 PHY 設備和遠程 MACPHY 設備)的收入預計將接近 9 億美元。

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PON 網路結構中包含 OLT 設備、ONU 設備及 ODN,PON 的核心設備、器件包括芯 片均已實現國產化,並占據了很高的全球市場份額。 首先分析 OLT 設備,OLT 設備是重要的局端設備,可以與前端(匯聚層)交換機用 網線相連,轉化成光信號,用單根光纖與用戶端的分光器互聯;實現對用戶端設備 ONU 的控制、管理、測距。

ODN 環節,PLC 光分路器是 ODN 設備的重要組成器件,其工作原理是對光功率在每 個分支點進行平均分光。PLC 光分路器屬於無源光器件,其核心晶元為 PLC 半導體光分 路器晶元。根據仕佳光子的招股說明書,全球 PLC 分路器封裝業務 80%以上集中在國內, PLC 光分路器的晶元仕佳光子占有全球 50%的市場份額。

匯聚核心層:OTN/WDM 兩分天下有其一,WSS、高端相乾模塊是短板

接入層基站和寬頻的數據傳送上來後,需要通過路由器以及波分設備將其傳送至核心 網或者 IDC 中加以處理。如前文所述,WDM 和 OTN 的主要價值在於長距離傳輸以及通 過波分復用提供單纖的大容量。

WDM(波分復用)技術是在光纖上進行通道復用的技術。波分多路復用的原理是整 個波長頻帶被劃分為若乾個波長範圍,每路信號占用一個波長範圍來進行傳輸。WDM 可 分為粗波分復用(CWDM)和密集波分復用(DWDM)。粗波分復用技術一般應用於短距 離的城域網中,它的波長數目一般為 4 波或 8 波,最多 16 波。密集波分復用技術一般應 用於長距離、大容量長途乾線網,或超大容量的城域網核心節點,通過波分復用技術,其 單根光纖可以傳輸的數據流量高達 16 Tbit/s,未來隨着單波速率和頻譜的提升,可以演進 到 32 Tbit/s,甚至 100 Tbit/s。這其中 CWDM 因為無需選擇成本昂貴的密集波分解復用器 和光放大器(EDFA),只需採用便宜的多通道激光收發器作為中繼器,因而相較於 DWDM 的成本大大下降。

OTN 是以波分復用技術(WDM)為基礎、在光層組織網路的傳送網。純 WDM 的調 度依賴於在 ODF 架手工進行光纖的配置,在接入層因為組網結構相對固定問題不大。對 於匯聚、城域、骨乾這種經常需要進行業務變動的,人工調度的工作量和錯誤率顯然是一 個問題,而 OTN 則是在 WDM 的基礎上增加了光調度單元 OXC,從而實現了光波上下的 自動配置。 市場空間層面,市場研究公司 Dell’Oro Group 在 2021 年 7 月更新了其《光傳輸網路 市場五年期預測報告》,全球光傳輸市場到 2025 年將達 180 億美元。根據中國產業信息網 預測,2020 年全球密集波分復用(DWDM)器件市場規模將達 45 萬只,這主要是得益於 電信運營商的骨乾網和城域網升級,波分下沉及波分下鄉的積極推進,加之數據中心間的 互聯也要用到 100G 和 400G 的 DWDM 端。

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市場格局層面,據 Dell’oro 統計,全球主要的波分設備生產商包括華為、諾基亞、Ciena 和中興通訊等。2020 年,華為、中興通訊、烽火通信的市占率分別為 30%、12%、6%, 中國廠商占據半壁江山。

我們接下來分析下波分產品核心元器件的國產化情況。DWDM 主要組成部分有線路 側的 OTU、波分復用和解復用器、光放大器、光監控單元 OSC。其中 OTU 作用為將線路 側攜帶業務的 850、1310nm 等波長光信號轉換成 WDM 特定波長光信號後輸出,國內華 為、中興通訊、烽火通信、光路科技等可自主生產;光放大器主要有 EDFA 放大器和 Raman 放大器,其作用在於解決光長距離傳輸衰耗再生的問題,國內光迅科技、昂納科技、銳科 激光等均可以生產;光監控單元 OSC 的作用在於對設備進行管理,華為、中興通訊、烽 火通信等廠家均可生產。

這裡面比較復雜的是波分復用和解復用器,其主要作用是將多路光合為一路,以及將 一路彩光分解成多路光,就是利用不同波長的波在光纖中相位延時的不同,形成相消型乾 涉,在某個特定的埠只輸出特定的光,從而實現將其解復用為多路信號的目的,目前國 內廠家尚不具備能力進行生產。

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波分復用器件均為有源光器件,常見的波分復用解復用器包括薄膜濾波器(一般用於 8 路以下的 WDM)、陣列波導光柵(AWG,用於 16 波以上)和可調光功率波分復用器 (VMUX)等。其中,薄膜濾波器是基於薄膜濾光片的器件,主要應用於低通道粗波分 (CWDM)市場;AWG 可將 40 個以上波長的光合波或將已合的光波分解成獨立光波傳輸, 廣泛應用於密集波分復用(DWDM)系統中;VMUX 則由 AWG 和硅基可調衰減器(VOA, 對於特定的波長的光進行衰減,降低光功率,以保持更好的性能)構成,並加以控制電路, 實現光纖通信骨乾網和城域網 DWDM 網路的通道預均衡分復用。

現階段,我國在 AWG 晶元與 VOA 晶元實力較弱,多採用進口後加工。AWG 晶元主 要掌握在歐美電子器件廠商手中,如美國的 VIAVI、NeoPhotonics 和 Kaiam(前 Gemfire), 加拿大的 Enablence 和日本的 NEL;硅基電吸收式 PLC-VOA 晶元為美國的 Mellanox(前 Kotura)公司獨家生產供應。AWG 和 PLC-VOA 這兩類晶元技術門檻較高,可供選擇的 供應商相對較少,國內主要有仕佳光子、光迅科技和博創科技在這一塊有小批量生產。 ROADM/OXC 主要是在 DWDM 上疊加了波長級的調度的能力,其中波長選擇光開關 (WSS)是組成 OXC 及 ROADM 的核心器件。目前,光開關在光通信系統,尤其是在波 分復用系統及全光網中有着重要的應用。

在光開關器件中,波長選擇光開關(WSS)尤其值得關註。WSS 技術是可以實現動 態可重構光加/減復用(ROADM)的新一代技術,具有網狀架構,能支持任意埠波長任 意上下行的功能。ROADM 技術的演變經歷了五個階段,其中最主要的技術包括 WB ROADM、PLC ROADM 和 WSS ROADM。

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我們主要介紹第三代 ROADM 技術 WSS。WSS 最大的特點是每個波長都可以被獨立 的交換。多埠的 WSS 模塊能獨立在輸入的多個波長信號中將所選擇的波長信號輸出到 指定的輸出埠,可以通過軟體控制動態上/下任意波長,增加網路配置的靈活性。因此基 於 WSS 的網路具有多個自由度,不再像 WB 或 PLC 那樣需要對網路互連架構做預先設定。

WSS 器件主要由國外生產廠家控制,包括 Finisar、Molex、Lumentum 等。我國目 前在這一塊比較薄弱,海思已經開始自供,光迅科技、博創科技在研發過程中。(報告來源:未來智庫)

光模塊及晶元:模塊三分天下有其一,高端光、電晶元差距明顯

光器件主要分為晶元、光有源器件、光無源器件、光模塊與子系統四大類。其中有源光收發模塊的產值占據最大份額,根據 Yole 的統計約為 65%。且從性能上看,光收發模塊是光電轉化的核心器件,負責光信號的產生、 調制與探測,主導着光通信網路的升級換代,在接入端、傳輸端等不同細分市場上均發揮 着至關重要的作用。

全球光器件市場規模達百億,中國光器件市場加速擴張。據 Yole 統計,2020 年全球 光模塊市場規模突破 96 億美元,預計 2026 年達到 209 億美元,2020-2026 年年均復合 增長率為 14%。光模塊市場實現高速增長的主要原因包括:1)電信市場穩定增長:隨着 5G 光模塊和 10G PON 光模塊的上量;電信市場未來幾年有望維持 5%的復合增長;2) 數通市場爆發式增長:超大型數據中心加快部署 100G/40G 光模塊使得數據中心高速光模 塊未來幾年復合增速超過 19%。

全球光模塊市場相對分散,中國占據 36%市場份額。與光設備、光纖光纜不同,光模 塊由於場景不同,對光模塊的傳輸距離、速率、封裝方式的需求都不同,造成型號眾多, 集中度比較低。從全球市場份額排名,國內有中際旭創、光迅科技、海信寬頻(未上市)、 華工正源四家廠商躋身全球前十,其餘席位均被美、日廠家占據。總體看,國內廠商依靠 封裝技術在無源光器件、光收發模塊等中低端細分市場較競爭力強;在高端有源器件、芯 片等方面發展空間較大。

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光模塊是實現光電轉換的核心器件。信息網路主要以光纖或光信號作為傳輸介質,但 目前對於信息的計算、分析仍給予電信號。因此在設備的接收端,需要光模塊進行光電信 號的轉換。光模塊的核心組件包括 Laser Driver 激光碟機動晶元、TOSA (transmitter optical sub assembly) 發射光組件、ROSA(Receiver Optical Sub Assembly)接收光組件、調 制器、LA(Limititing Amplifier)限幅放大器以及光適配器(Receptacle)。在發射端,電 信號通過 TOSA 轉換為光信號,再由適配器輸入到光纖;再接收端,光纖中的信號通過光 適配器被 ROSA 接收並轉成為電信號,輸送到計算單元進行處理。

TOSA 的核心組件為激光器。激光器類型分為兩類:一為長波長 1310nm 或者 1510nm 的邊沿發射激光器(Edge Emitter Laser);一類是短波長 850nm 的垂直錶面腔激光器 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。此外主流激光器產品 FP 激光器和 DFB 分散式激光器。除了 TOSA,接入端的核心組件還包括調制器。調制器分為兩種:其一為 DML(Direct Modulation Laser)直接調制器適用於短距離傳輸,價格便宜;其二為 EML (External Modulation Laser)適用於長距離傳輸,加入一個頻率轉換器,價格較高;外 調制常用的方式有兩種,一種是 EA 電吸收,一種是 MZ。

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ROSA 主要包含兩個組件 PD 和 TIA。PD 是 Photo Detector,光電探測器,負責把 光的強弱轉換成電流的大小。PD 還分成 PIN 和 APD 兩種類型,APD 是雪崩二極體,靈 敏度更高。TIA 是 Trans-Impedance Amplifier,跨阻放大器的縮寫,用來把電流信號轉換 成電壓信號。

從核心光晶元能力分析,目前國內只有部分企業了掌握了 10Gb/s 速率及以下的激光 器、探測器、調制器晶元,源傑科技、光迅科技在 25G 的激光器(包括 DFB 和 VCSEL) 有規模發貨能力,探測器層面光迅在 25G 的 PIN 和 APD 基本可以實現自供。但我國整體 上在高端晶元能力比美日發達國家落後 1-2 代以上。而且,我國光電子晶元流片加工嚴重 依賴美國、新加坡、加拿大、德國、荷蘭等國家和地區,使得我國在國家各級研發計劃支 持下發展的關鍵技術大量流失。由於缺乏完整、穩定的光電子晶元、器件加工工藝平臺以 及工藝人才隊伍,國內還難以形成完備的標準化光通信器件研發體系,導致晶元研發周期 長、效率低,造成我國光通信器件技術與國外差距逐漸擴大。

從全球來看,日美的主流廠商 Oclaro、lumentum、Finisar、Neophotonics、MACOM、 Avago、三菱電機、住友等都實現了 25G 激光器、探測器的大規模發貨。

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隨着傳送距離和容量的不斷增加,僅依賴光源、調制器和探測器的演進已遠遠不夠。 隨着光傳輸速度達到每波 400Gbit/s 以上,信號的處理變得越來越復雜,引入電子數字信 號處理器(oDSP)成為增加城域和長途 WDM 網路容量的關鍵推動因素。oDSP 將成為長距 離光通信的競爭核心,光模塊廠商突破 oDSP 後,毛利率達到 40%-45%區間(如 Acacia)。 目前國內突破 oDSP 的僅華為一家,從國外來看,主要是思科(Acacia)、Inphi 等。

光纖光纜:全球 60%產能集中於中國,海纜和特種光纜待突破

光纖光纜在信息系統里占有舉足輕重的作用,就像人的神經系統一樣。而一個國家、 社會各行業進行全面的數字化也需要光纖延伸下去,通過寬頻和無線完成連接,在連接的 基礎上積累數據,完成信息化和構建智能。 產業鏈的三大環節為“光纖預制棒-光纖-光纜”,主要流程為上游生產廠家採購原材料, 通過芯棒製作和外包,最終製造出光纖預制棒(光棒),並售賣給下游光纖光纜製造商; 光纖光纜製造商經過拉絲等工藝將光棒製作成為光纖,再將一根或數根光纖製作成為光纜, 即生產出一芯或多芯光纜。

在光纖光纜產業鏈中,光棒拉纖以及後續的成纜部分壁壘相對比較低,市場也相對比 較分散,有幾十家企業。但光纖預制棒生產技術壁壘較高,同時占據大部分利潤。根據中 國工程院院士趙梓森在《世界光纖通信新進展—中國光纖通信年鑒 2015》中描述,光棒、 光纖、光纜在產業鏈中的利潤占比分別為 70%、20%、10%。 從市場格局來看,中國廠商處於領跑,全球 60%的光纖光纜產能集中於中國,其中長 飛、亨通、富通、烽火、中天在 2020 年分別錄得 12%、9%、8%、7%、6%的市場份額。

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從國產化的角度來看,我國光纖光纜需要突破的環節主要包含:1、普通光纖:主要 是光纖預制棒的套管部分,目前基於 RIC 工藝制備預制棒的都是從德國賀利氏進口,長飛 2014-2016 年分別向其採購 7.5 億元、6.1 億元和 6.5 億元;2、特種光纖:目前國內制備 超低衰減光纖芯棒的高純度硅料和鍺料基本依賴進口,然後需要大量氟摻雜材料(比純二 氧化硅高 3~4 倍),此外,超低損光纖所需光纖塗覆料也基本被國外幾家企業壟斷(荷蘭 皇家帝斯曼、Momentive Speciy Chemicals Inc、JSR 株式會社),原材料部分是國內 後續光纖性能進一步提高的瓶頸;3、海底光纜:由於我國當前主要是東海、渤海灣、黃 海或南海近海底光纜建設,屬於無中繼淺海光纜通信系統,對於深海光纜、中繼供電技術 需求不大,或制約國內光纖企業在這上面取得進一步突破。下麵我們對三塊展開進行敘述。

首先我們來看普通光纖和特種光纖:光纖預制棒是圓柱形的高純度石英玻璃棒,中心 部分(即芯棒,亦稱為芯層)是折射率較高的玻璃材料,而表層部分(即包層)是折射率 較低的玻璃材料,目前國內制備超低損光纖芯棒的原材料主要依賴進口。光纖預制棒加熱 拉絲即為光纖,由芯層、包層和塗覆層構成。光纖加上護套即為光纜,護套通常由聚乙烯 或聚氯乙烯和鋁帶或鋼帶組成,主要用於保護纜芯,具有良好的抗側壓力性能及密封防潮 和耐腐蝕的能力。

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其次我們看看海底光纜。海底光纜系統的水下設備主要分為海底光纜、中繼器和“分支 單元”三部分:海底光纜是其中最重要的也是最脆弱的部分。 我國較弱的是深海海纜,深海光纜的結構比較復雜:光纖設在 U 形槽塑料骨架中,槽 內填滿油膏或彈性塑料體形成纖芯。纖芯周圍用高強度的鋼絲繞包,在繞包過程中要把所 有縫隙都用防水材料填滿,再在鋼絲周圍繞包一層銅帶並焊接搭縫,使鋼絲和銅管形成一 個抗壓和抗拉的聯合體。在鋼絲和銅管的外面還要再加一層聚乙烯護套。這樣嚴密多層的 結構是為了保護光纖、防止斷裂以及防止海水的侵入。在有鯊魚出沒的地區,在海纜外面 還要再加一層聚乙烯護套。海底光纜的生產技術主要有海纜專用光纖製造、海纜專用激光 焊接不銹鋼管光單元製造、內層鋼絲鎧裝、無縫銅管製造、絕緣層擠制、外層鋼絲鎧裝、 外被層 PP 繩與瀝青製造。

我國海纜系統建設最大的問題是海纜系統集成問題。國際市場採用通信設備總包商、 光纜製造企業及施工單位共同合作的海纜建設模式,而我國海纜建設採用條塊化分割模式, 由設計院與運營商進行前期論證和線路設計,由海纜製造企業提供海纜與附件,由海纜施 工單位敷設,再由業主或運營商進行系統集成。這種模式不利於整合系統集成能力,不利 於形成一到兩家的海纜系統集成商,更不利於中國海纜系統走向國際。此集成問題解決, 亨通光電和中天科技都在逐步走向國際市場。

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未來展望:向上突破迎來機遇,開放光網路帶來挑戰

中國在光通信整個領域取得了巨大的成績,在光模塊封裝、光纖光纜、系統設備等領 域都獲得了全球一半以上的市場份額,並且通過不斷投入研發在追求往上突破,獲得更多 的產業話語權。但是美國和日本的廠商在高端光晶元、電晶元、特種光纖、設備核心元器 件領域依然具備較大的優勢。一方面,美日的頭部光設備、光器件廠商在不斷進行並購, 比如 II-VI 合並了 Finisar,思科收購了 Acacia,Lumentum 並購了 Oclaro、Coherent、 NeoPhotonics,通過並購進一步完善產品線,擴大領先優勢;另一方面,它們也在推進開 放光網路,希望通過重塑生態來進一步鞏固領先地位。

全球的頭部廠商都在積極佈局光通信的未來,應當說國內光纖光纜、光模塊光晶元後 續的發展路線比較清晰。光纖光纜一方面提升光棒的品質,降低成本,使得光纖光纜更富 有全球競爭力,擴大海外銷量;另一方面在深海光纜、特種光纖上需要不斷取得突破。光 器件一方面在 400G/800G 高端封裝上擴大市占率;另一方面有賴於在 25/50G 高端光電芯 片上逐步靠近國際先進水平,通過垂直一體化來提升企業的盈利能力和全球競爭力。而光 通信設備在三個環節里無疑是最為重要的一塊,也是後面最大的一個變數。我們圍繞光通 信設備的關鍵環節展開推演後續的產業格局,並從關鍵變化中尋找投資機遇。

光網路設備的核心控制點與開源的主導權

當前光網路設備都是軟硬體耦合的,控制器的 OS、設備介面定義和核心元器件以及 集成均由一家廠商提供,廠商的話語權和毛利率水平較高,也更有能力進行前沿研發,不 斷提升產品競爭力。另一方面,中國廠商華為、中興、烽火逐漸獲得了行業的主導權,中 國廠商市場份額超過一半。 在全球光網路充分競爭的同時,北美的市場卻相對封閉,主要是 Nokia 和美國 Ciena、 Infinera 競爭,北美價格是全球平均的 2 倍,導致北美 OTT 和運營商倡導開放光網路以驅 動競爭降價。同時,北美的產業鏈主要聚集在協議、核心光電器件等高端領域,缺乏領先 的系統設備廠商進行系統集成。這使得北美在設備領域競爭力偏弱,在亞太、歐洲、中東 北非丟失了很多份額,推進開放光網路有助於北美產業鏈重塑市場話語權。

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目前,設備控制器軟體(OS)、介面均為閉源,屬於各個廠商的私有操作系統和介面。 上述代表廠商希望借鑒伺服器以及 AWS 自研交換機的經驗,將上述領域進行軟硬體解耦, 並將 OS 和軟體進行開源。

如此一來,一是有可能降低成本,第二軟體開源之後,整個產業的話語權將轉移到開 源標準制定廠商和核心器件供應商,產業結構有望重塑。

從光設備與伺服器、交換機的異同來看開放光網路的適用場景和可持續性

通信設備乃至 IT 設備的軟體開源化並不是一個新鮮事,在手機、無線設備、伺服器、 交換機都有或多或少的嘗試,也有成功或不成功的案例。 以上的 IT 設備有一個共同的特點,都涉及到復雜的數據和系統交換及處理,所以必然 就會需要一個軟體系統來負責相應的事情,這個軟體系統通常也被稱為操作系統 OS (Operating System),所謂的開源,通常指的是這個 OS 以及硬體介面的開源。

我們通過復盤手機、伺服器、交換機、無線網路的歷史,發現開源成功的核心是 OS 與硬體的分離必須產生足夠的商業利益。要麽是市場足夠大,上層軟體足夠多和復雜,OS 可以成為單獨的商業產品,可以給主導方足夠的回報,例如安卓之於谷歌,Linux 之於 Redhat;要麽 OS 賣不了錢,但是某個單一下游主體市場份額占比足夠高,應用場景又相 對簡單,該下游不需要投入海量的研發費用覆蓋各種場景,比如交換機的 OS 之於 AWS。 否則單一主體的收益和投入不匹配,很難取得比較好的效果。我們接下來就各種 IT 設備的 開源背後的核心商業動力展開論述。

手機、伺服器 OS:巨大市場空間,海量上層軟體,豐厚商業回報

手機和伺服器是一個典型的軟硬體廠商解耦的場景,核心原因是兩者都是計算平臺, 承載了海量的應用軟體。要考慮不同軟體的適配、時間調度、內存分配、IO 吞吐,甚至是 UI 界面,使得兩者的 OS 極其復雜,需要投入海量的研發費用。 既然需要投入海量的研發費用,如果沒有清晰的商業模式,顯然是無法運轉下去的。 但正因為上層擁有海量的軟體,使得 2C 端的手機 OS 可以通過軟體分發來賺錢,2B 端的 伺服器 OS 可以通過給廠商製作發行版的 Linux 來賺錢。正是因為形成了良性商業閉環, 安卓和 Redhat 的 Linux 能夠不斷迭代,構築了繁榮的現代社會的數字基石。

谷歌安卓操作系統的商業模式

谷歌安卓操作系統(AOSP)本身並不收費,旨在吸引更多開發者和用戶,拓展生態。 那谷歌怎麽掙錢,怎麽形成商業閉環呢?在 AOSP 之上,谷歌捆綁了 GMS,GMS 提供了 一系列的移動服務,以及谷歌地圖、搜索、Gmail 等眾多功能,海外的智能手機離開了 GMS 幾乎是寸步難行。不同於 AOSP 的開源,使用 GMS 必須得到谷歌授權,而 GMS 的分發 應用市場僅有 Google Play 一個選擇,我們知道,手機的應用分發能力具有巨大的商業價 值,僅此一項,谷歌就有極大的動力持續推動智能手機以及安卓的發展。

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2020 年,安卓一年 APP 下載量高達 1085 億次,全球用戶在 Google Play 上的消費 達 386 億美金,按 30%的傭金來算,光 Google Play 商城的應用分發,就能給谷歌創造 116 億美金的收入,這還不包括谷歌的搜索、音樂、Youtube 等自營產品的收入。應當說, 安卓為谷歌創造了巨大的商業價值。(報告來源:未來智庫)

Redhat 伺服器操作系統的商業模式

在伺服器的操作系統提供商中,Redhat 無疑是最成功的那一個。Redhat 以 OS 為起 點,成為全球領先的開源軟體解決方案提供商。 公司成立於 20 世紀 90 年代初,最開始聚焦於 Linux 開源操作系統技術,靠附件的出 售盈利。1999 年在納斯達克上市,2002 年,紅帽發布首個企業級 Linux 伺服器操作系統, 後改名為 Linux (RHEL)。2011 年,公司開始向軟體可視化和雲計算領域進軍。2015 年, 微軟與紅帽結成戰略合作夥伴。2018年10年,IBM宣佈以340億美元的價格收購Red Hat。 2020 年,公司發布全球企業開源現狀“開放混合雲將成為新常態”,助力打造統一體驗。

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RedHat 成立之初聚焦於 Linux 操作系統技術,憑借深厚的技術積累,為 Linux 社區的 發展不斷註入新鮮血液,並推出 Linux 商業化版本。如今,公司以 Linux 為基礎,打造出 一個 IT 全棧式開源解決方案組合,包括高性能操作系統、虛擬化、管理、中間件、雲和 存儲技術等。面向未來,公司致力於開放混合多雲,幫助廣大客戶實現數字化與雲化轉型。

我們知道,伺服器操作系統的使用者主要是雲廠商以及企業用戶等 B 端客戶,通過系 統免費,應用軟體分發收費的模式不太能行得通。Linux 雖然是開源操作系統,但是使用 過程中依然會遇到很多問題,絕大多數商業公司沒有能力或者沒有必要在這一塊投入足夠 的 IT 資源去處理相關問題,這就意味着一個商業發行版本的 Linux 市場需求。 Redhat 商業層面的打法是基於社區項目進行開發,在開放源代碼的許可下發布產品, 最終通過訂閱模式盈利。由於軟體的可讀源代碼是公開的,許可證允許修改,因此公司可 使用全球社區貢獻者的集體輸入、資源和知識,協作開發、維護和增強軟體。產品發布之 後,公司主要通過年度或多年訂閱(1-3 年為主)通過 CCSPs(如公有雲提供商和托管服 務提供商)按需提供公司軟體產品來獲取盈利。

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交換機、無線設備的 OS 解耦:運營商場景動力不足,雲計算部分場景可行

手機市場和伺服器的操作系統承載了海量的應用,極其復雜,從而衍生了一個單獨的 OS 市場,並給了相關公司很好的商業回報。而交換機、無線設備的 OS 則更多像一個嵌 入式 OS,僅僅用於對設備進行管理、調度、通信,相對封閉,很少有第三方應用,更談 不上生態。加之這兩種專用設備的市場體量和手機、伺服器差距較大,OS 的價值量也偏 小,比較難單獨孕育出一個交換機的 OS 公司或者是無線設備的 OS 公司。Google 自研 交換機操作系統成功以後,有一批人出走創建了 Cumulus,希望做成一個類似微軟的交換 機軟體公司,但是他們很快發現獨立 OS 需要適配各種交換晶元以及硬體,工作量極大, 投入回報不成正比。

我們認為,在通信設備的 OS 無法直接形成商業銷售,開源出來所有方都能受益的情 況下,需要下游有極高的集中度,整個商業閉環才能形成。我們看到,2020 年公有雲廠 商 CR4 的集中度達到了 73.4%,而且數據中心作為單一場景,在美國的市場規模達到了 39.5 億美金,占美國乙太網交換機市場份額的 46%。自己是主要的受益方,且只需要考 慮單一場景,OS 的研發不需要考慮運營商、企業網的各種復雜場景,投入不需要那麽大, 這是亞馬遜、谷歌、微軟紛紛自研或開源數據中心交換機 OS 的原因。

相比數據中心交換機,運營商和企業網的交換機 OS 的開源進程,以及無線設備的開 源進程就顯得比較滯後。我們判斷這與運營商和企業市場的行業集中度有關系,根據 IDC 數據,2020 年全球電信運營商的營收大約在 1.53 萬億美元左右,全球最大電信運營商中 國移動 2020 年營收大約為 1180 億美元,CR1 市占率約為 10%。這使得運營商缺乏足夠 強的動力做垂直一體化。另外,運營商和企業網的應用場景也遠比數據中心復雜,投入產 出回報比比較低。

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開放光網路進程:DCI 場景有望實現,運營商場景缺乏支撐

開放光網路的幾個核心環節有體系的搭建、控制器的軟體、南北向的介面,以上均有 不同的組織和公司在推進。由於光網路的市場空間比交換機要小很多,更遠小於伺服器, 這使得開放光網路的推進速度比較緩慢,且有各種問題。

系統設計層面:Google 成功在 DCI 商用,AT&T 和 Facebook 推進運營商場景無果

倡導體系架構開源的有三大流派,一是 Google 主導的 OpenConfig(部分 OTT 廠家 商用),二是 AT&T 主導的 Open ROADM(未商用),三是 Facebook 主導的 TIP(未商用)。

OpenConfig 獲得了商用,算是比較成功。2015 年,谷歌牽頭成立, 定義自用網路 設備的開放 YANG 模型介面,其中包括 DCI BOX 部分,用於數據中心點到點互聯;採用 自用、夠用原則, Google 不需要的特性一般都不接納,也不對外提供配套控制器軟體產 品,基本滿足自身 DCI 互聯的需求之後,2018 年後該模型就沒有做大的演進。 OpenConfig 成功的原因還是在於它聚焦的數據中心互聯(DCI)這單一場景,沒有考 慮復雜的運營商網路場景,收斂了需求,使得開發相對簡單。基於谷歌的 OpenConfig, BAT 也分別定義了自己的私有擴展模型,這使得 OpenConfig 的版本比較發散,對於 DCI BOX 廠商來說,要做的工作量還比較多。

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除了谷歌定義了數據中心的 DCI 產品以外,AT&T 和 Facebook 也試圖定義運營商網 絡的光網路產品。2019 年,AT&T 攜手 Cinea 測試了單廠家的 OpenROADM 控制器北向 介面定義,AT&T 的現網廠商富士通、Nokia、Infinera 都沒有參與,這使得 OpenROADM 推動起來非常困難。從 2019 年以後,項目就基本處於停滯狀態。Facebook 設計的 TIP 從 2016-2021年在光網路層面開源了 4代白盒設計,從 Voyager、Cassini到 Galileo、Phoenix。 由於 Facebook 自身不是運營商,其推進的力度更弱,一直沒有運營商對其進行大規模測 試,更不用提商用。

開源控制器軟體層面:OpenDaylight 沒有找到商業模式,無法形成商業閉環

Opendaylight 源於 Cisco、Brocade、Big Switch 的聯合項目,後來單獨成立了 Lumina 公司,志在成為網路領域的 Redhat。但如前文所述,Redhat 商業成功的前提是伺服器操 作系統市場空間足夠大,且 OS 並非單一的通信功能,而是承載了上層大量應用,極富商 業價值。和 Lumina 有點相似的是數據中心交換機獨立 OS 公司 Cumulus,Cumulus 最終 也沒有能夠獨立運作下去,而是被英偉達所收購。

從谷歌、AT&T、Facebook、Lumina 等商業組織的情況來看,我們認為光網路的開源 和交換機有點類似,在數據中心層面有望實現商業閉環,而對於運營商場景而言,由於應 用場景復雜且缺乏單一利益主體足夠強有力的支撐,商業化實現起來比較困難。

開放光網路對國內光通信的挑戰與機遇

從伺服器和交換機的歷史來看,控制軟體或者說 OS 開源後,整機設備提供商將不擁 有高毛利,整個產業的價值高地將往核心器件廠商轉移。 以伺服器為例,在大型機和小型機時代,IBM 和 HP 擁有高毛利。伺服器從小型機轉 向 X86 之後,新的整機廠商如浪潮信息不再擁有高毛利率,整個產業鏈的主導權轉移到了 提供 Linux 的 Redhat、提供 CPU 的 Intel 身上。

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交換機的情況也類似,思科由於提供晶元、OS、整機一體化解決方案,能擁有高毛利, 持續推動產業創新。當 AWS、谷歌將數據中心交換機白牌化後,整機廠商不再擁有高毛 利,整個產業鏈的主導權轉移到了 OS 廠商以及提供交換晶元的博通身上。智邦科技毛利 率比較低,由於沒有純粹的第三方 OS 廠商,Arista 也提供 OS 和白盒交換機硬體進行對 接,我們以 Arista 的財務指標來代替 OS 廠商。

我們認為,和交換機類似,數據中心的 DCI 互聯後續有望逐步採用開放網路,這一塊 價值鏈的主導權將逐步從整機廠商里轉移到核心光器件廠商。這對中國光通信廠商而言, 既是挑戰,也有一定的機遇。挑戰在於,中國的總體格局是光通信設備強,核心光器件弱; 機遇在於,中國光器件廠商多數體量還不太大,有些公司如果聚焦於數據中心 DCI 互聯, 有望取得比較快的成長。

如果說光器件中國廠商正在拾級而上,話語權逐步增強,那麽在開放光網路標準層面, 中國廠商就相對缺位。從系統架構、管控軟體、介面定義主要分佈均由美國廠商所主導, 這主要也因為美國雲計算進程領先中國,DCI 互聯需求先於中國所形成的。隨着中國雲計 算蓬勃發展,後續中國在 DCI 互聯的開放光網路層面也有望獲得更多的話語權。

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(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)

精選報告來源:【未來智庫】。