光纤光缆基本知识，光通信知识培训

光纤光缆基本知识，光通信知识培训

1、光纤的基本知识

光纤基础知识培训-光纤发展史

1966年“光纤之父”高锟博士首次提出光纤通信的想法。

1970年贝尔研究所林严雄在室温下可连续工作的半导体激光器。

1970年康宁公司的卡普隆(Kapron) 之作出损耗为20dB/km石英光纤。

1977年芝加哥第一条45Mb/s的商用线路。

光纤基础知识培训-光纤结构

纤芯 core：折射率较高，用来传送光；

包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；

保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。

光纤基础知识培训-光纤通信优缺点

光纤通信优点：

损耗低，

大容量，

中继距离长，

保密性强，

体积小，

重量轻，

光纤的原材料取之不竭。

光纤通信缺点：

易折断，

连接困难，

怕弯曲。

光纤基础知识培训-光纤分类

光纤的完整名称叫做光导纤维英文名是 OPTIC FIBER，也有叫OPTICAL FIBER的，是用纯石英（玻璃）以特别的工艺拉成比头发还细中间有介质的玻璃管，可以在很短的时间内传递巨大数量的信息。光纤分多模光纤(MM)和单模光纤(SM)

1.按材料分类：

①玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；

②胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；

③塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。

2.按传输距离分类

① 多模光纤的纤芯直径为50um~62.5um，包层外直径125um，适用于短距离传输（500M-2KM)；

② 单模光纤的纤芯直径为8.3um，包层外直径125um，多用于中长距离传输（20KM-120KM）。

单模光纤

G657 B6a\B6b

G652B B1.1

G652D B1.3

G653 B2

G654 B1.2

G655 B4

多模光纤

A1b 62.5/125 OM1 千兆传输275米

A1a 50/125 OM2 千兆传输500米

A1a 50/125 OM3 万兆传输150-300米

A1a 50/125 OM4 万兆传输550米

2、光缆的基本分类

应用环境 ： 室内缆、室外缆

敷设方式： 架空光缆、管道光缆、 直埋光缆

光缆结构：中心束管式、层绞式、带状

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光缆选型应注意的问题：

光纤类型？ 芯数？ 应用环境？ 敷设方式？

光缆命名原则

学习笔记：快速而又全面搞懂光通信行业研究框架

注意：本文仅仅属于本人学习记录与总结，很多内容来自于专业研究报告。

定义：光通信是以光信号为信息载体的通信方式，在电通信的基础上发展而来。

优点（相比传统电通信）：光通信具有巨大传输带宽、极低传输损耗、较低成本和高保真等优势，光通信系统作为信息基础设施，在世界上得到了充分发展和大量应用

缺点：

首先是较高的安装成本，光纤网络的安装成本较高，因为光纤的安装要求较为严格，而且光纤网络的安装工程量较大。其次，光纤网络的维护成本较高，因为光纤网络的维护工程量较大，而且光纤网络设备较为昂贵

关注的理由：

随着数量流量的增长，电子器件存在的带宽限制、容量不足、高功耗等缺点凸显，在通信网中出现了“电子瓶颈”的现象。为了解决这一瓶颈，运营商骨干网线路最先采用光通信，并逐步延伸到城域网、接入网和基站。在线路完成光纤化之后，进一步提出了全光网概念，数据只是在进出网络时才进行电光和光电转换，而在网络中所有传输和交换的过程始终以光的形式存在，网络中的设备由电路交换升级到高可靠、大容量和高灵活度的光交叉连接数据交换。数据流量需求高增的驱动是本质，当前新一轮AI浪潮正在席卷全球，光通信网络是AI算力网络的重要基础和坚实底座。

光通信产品的具体场景和业务：

两个方面：一是电信网络，二是大型数据中心

行业历史演变：

全球光模块产业链分工明确，欧美日技术起步较早，专注于芯片和产品研发。中国在产业链中游优势明显:劳动力成本、市场规模以及电信设备商的扶持，我们经过多年发展已成为全球光模块制造基地，从OEM、ODM发展为多个全球市占率领先的光模块品牌。产业链分工有效利用了全球优势生产要素，并避免了重复研发，有利于全球产业链高效 运转但中国难以分享上游的巨大价值。由于低端产品价格透明，许多海外企业无法接受过低的毛利率进而剥离光模块业务专注于芯片或保留高端产品。如剑桥科技去年5月和今年3月分别收购Macom Japan和Oclaro Japan光模块资产;博创科技收购Kaiam PLC业务涉及相关部分资产。另一方面，光通信巨头也经历了一系列并购整合，以增强对整个产业链的垂直协同，增强规模优势，提高议价能力，如Lumentum 和II-VI分别宣布收购Oclaro和Finisar。

行业特点与壁垒：产品迭代周期短

光模块数通市场产平均每 3-4 年完成一轮产品迭代。毛利率在产品进入成熟期后迅速下降。从光模块产品生命周期来看，在产品推出早 期，客户对于公司前期发生的研发支出会通过较高的销售价格给予一定“补偿”，市场竞争者少，故毛利较高。进入批量生产初期后，开发阶段的补偿结束，而良率和工艺水平 尚待优化，产品的毛利率出现短暂下降趋势客户认证周期长，先发优势重要。每一款新品进入光模块客户供应商名单往往需要 半年到一年的认证周期，而一旦进入，除非出现严重质量问题，后期份额出现重大变动的可能性不大。其次，每一款新品推出往往不同供应商会给出不同解决方案，产品推出较早的供应商被客户采纳为主流方案的可能性更大。高速率产品门槛提高，考验研发能力。从产品设计上来说，光模块实现更高的速率只有提高光源速率、提高通道数以及高阶调制三种解决方案。提高光源速率面临着III-V族半导体激光器性能瓶颈，目前 Oclaro、AAOI 推出的 50G 光源解决方案均为外调制的 EML。提高并行通道数面临着体积、功耗、散热等设计封装难点，并且增加了客户的光 纤资源成本。高阶调制主要有PAM4或相干调制两种，PAM4 是目前传统方案下 400G 光模块最常用提高单通道速率的方法，较 NRZ 调制速率提高 2 倍，但相应增加了 DSP 和 CDR 芯片成本。专注特定市场能取得先发优势。首先，光模块产品型号和技术路线的复杂性导致多产品线的厂商要在测试仪器、贴片设备、封装产线等重复投入，专注于特定市场可以集中研发实力，有助于领先竞争对手推出新品。其次，光模块客户集中度较高，专注于特定市场有助于和客户建立长期稳定的供货关系，并可以参与新品联合研发从而最早进入 客户的供应商体系并增强绑定。规模优势可以有效提升光模块毛利率:(1)大批量采购对供应商具有更强的议价能力；（2）分摊固定成本，共享工艺经验通过整合芯片，光模块厂商可以显著降低成本、减少供应链管理成本并保证极端情况下的供应链安全。如光迅科技收购法国 Almae、昂纳科技收购法国 3SP、中际旭创设立光电芯片产业基金、 亨通光电参股英国 Rockley硅光集成方案成为未来超 400G 光模块和相干光模块降低成本的有力选择。首先，硅光方案采用间接调制，解决了传统方案多通道带来的功耗、温飘等性能瓶颈并降低了 激光器成本。其次，硅光集成方案 BOM 清单器件数量较传统方案减半，减少了生产线 环节，降低了封装和供应链管理成本。再次，硅光更容易实现标准化大规模生产。当前，由于良率和损耗问题，硅光方案优势尚不明显，但在超 400G 短距场景、相干光场景， 硅光可能会成为主流。

案例:苏州旭创、光迅科技、美国Acacia专注细分打造龙头。(1)苏州旭创以SDH电信光模块起家，2012 年战略重点转移数据中心市场，2016年，公司发布100G产品，其100GCWDM4迅速成为北美市场“爆款”。2018 年，公司推出400G QSFP-DD和400G OSFP，在全球数通光模块领域出货量第一。(2)光迅科技自成立之初专注于电信市场，推出了 OTN、FTTH、PON 各场景的光模块产品组合，成为华为、中兴等电信设备商的主要供应商，2018年公司电信光器件和光模块销售额稳居国内第一位，全球第四位。(3)Acacia 成立于 2009年，是全球相干光模块的领军企业，通过硅光子解决方案和专有DSP芯片的研发，Acacia 不断巩固在相干市场的领先地位。

产业链体系：

最上游的是元器件供应商，包括PCB、光芯片、光有源器件、光无源器件等。中游为具备完整独立功能的光电子器件，包括光收发模块、光放大器、光传输子系统等，光电子器件组装集成后形成通信设备环节最终交付网络运营方使用

光芯片:

定义：光芯片是实现光电信号转换的基础元件，可以进一步组装加工成光电子器件，再集成到光通信设备的收发模块实现广泛应用，其性能直接决定了光通信系统的传输效率。分类：光芯片按功能可以分为激光器芯片和探测器芯片。激光器芯片主要用于发射信号，将电信号转化为光信号，探测器芯片主要用于接收信号，将光信号转化为电信号。按发光类型，分为面发射与边发射:面发射 类型主要为 VCSEL(垂直腔面发射激光器)，适用于短距多模场景;边发射类型主要为 FP(法布里-珀罗激光器)、DFB(分布式反馈激光器)以及 EML(电吸收调制激光器)， FP 适用于 10G 以下中短距场景，DFB 及 EML 适用于中长距高速率场景。EML 通过在 DFB 的基础上增加电吸收片(EAM)作为外调制器，目前是实现 50G 及以上单通道速 率的主要光源。探测器芯片主要有 PIN(PN 二极管探测器)和 APD(雪崩二极管探测 器)两种类型，前者灵敏度相对较低，应用于中短距，后者灵敏度高，应用于中长距。光模块芯片具有极高的技术壁垒和复杂的工艺流程，因而是光模块 BOM成本结构中占比最大的部分。光芯片的成本占比通常在40%-60%，电芯片的成本占比通常在10%-30%之间，越高速、高端的光模块电芯片成本占比越高，但规模优势可以增加采购的议价能力

光芯片在光通信系统中应用位置：

我国光芯片企业已基本掌握2.5G和10G光芯片的核心技术，但仍有部分型号产品性能要求高、难度大，实现批量供货的国内厂商数量较少，产业链国产替代空间广阔。

高速芯片国产率亟待提升，芯片产业链薄弱环节需逐步解决。光芯片方面，我国在10G及以下光芯片具备替代的能力，但仍有很大市场空间。商业级25G的DFB、EML、APD、PIN 部分厂商已在客户验证阶段，成本降低和良率提升仍有很长的路要走。50GEML、窄线宽波长可调激光器芯片、100G及以上相干集成光收发芯片等面向5G的关键芯片几乎全部由国外厂商提供，海思、光迅等研发走在前列的企业目标基本是实现自给。电芯片方面，我国25G/100G多模光模块配套 IC 基本实现替代能力，但产能远远不足。25G/100G单模和更高速率自给率估计仅有3%，高速TIA、CDR、DSP 等基本和国外存在 1-2 代的技术差距。光芯片国内 Foundry 能力严重不足制约流片进度。光芯片产业链环节包括芯片设计、基板制造、泵晶生长、晶粒制造等多重步骤，工艺流程较为复杂。(1)芯片设计是上游核心环节，也是Fabless模式芯片企业能够独立把控的部分。当前我国多数光芯片 企业为Fabless模式，如华为海思、飞昂光电。(2)基板制造是光芯片上游衬底基板的 规模制造环节，能实现高纯度单晶体衬底批量生产的全球仅有少数几家企业，如住友、 AXT。(3)磊晶生长利用基板和有机金属气体在 MOCVD/MBE 设备里长晶，制成外延片(wafer)。专门从事外延片生长的厂商又叫 Foundry，集中于台湾、新加坡、日本、美国等地。(4)在晶粒制造环节，对外延片进行光刻等系列处理，最后封装成拥有完整光 电性能的光芯片。台湾是全球光芯片封测产业集中地区。一枚光芯片的诞生需要经过设计、流片、定型、量产等多道环节，完整流程在一年半到两年之间，由于我国 Foundry 产能严重不足或工艺落后，我国大量芯片企业流片进度严重受制于国外。光模块电芯片属专用芯片市场，市场相对较小，需要光模块厂商的长期配套扶持。

光器件

在中端光模块中，光器件成本占比达73%，电路芯片达18%。竞争程度：无源光器件市场和有源光器件的中低端领域处于完全竞争阶段，高端有源光器件领域处于相对完全竞争状态。定制化程度：国内光器件厂商多，竞争格局整体较为分散，受限于单个细分市场规模小，多数光器件厂商收入规模小。主要因为光器件定制化程度高，生产需要较多人工，较难形成规模效应，大部分厂商聚焦于个别品类，厂商营收超过10亿元企业较少。此外，不同光器件的生产制造需要不同的设备，技术研发也需重新布局，故多数公司都重点聚焦于几个细分领域。工艺壁垒高的特性决定了企业要想短期内做大，收购兼并是比较快捷的办法。近年来光器件领域收购事件频发。光库科技收购Lumentum铌酸锂高速调制器产品线；Cisco收购Acacia；Marvell并购Inphi；诺基亚收购硅光初创公司Elenion；中际旭创收购储翰科技；天孚通信收购北极光电。该环节代表厂商主要包括天孚通信、光迅科技、仕佳光子、博创科技、太辰光、剑桥科技、光库科技和华工科技等

光模块

功能：光模块位于产业链中游，在整个光通信产业链中利润率较高。其承担信号转换任务，可实现光信号的产生、信号调制、探测、光路转换、光电转换等功能。市场：根据Yole数据，我国光模块厂商全球市占率超过40%，其中上市公司中以中际旭创（数通收入占80%）、光迅科技（电信为主）及新易盛（电信+数通市场）份额居前列。中际旭创400G系列相干产品已逐步在国内主流设备商和互联网云厂商中得到了应用，将有效助力我国5G和“东数西算”建设。光迅科技是行业内产品覆盖最全面的光器件企业之一，生产的高端光模块包括400G、800G系列数通模块，400G相干光模块等。新易盛为云数据中心客户提供100G、200G、400G和800G产品；为电信设备商客户提供5G前传、中传和回传光模块、以及应用于城域网、骨干网和核心网传输的光模块；为智能电网和安防监控网络服务商提供光模块解决方案。

光纤光缆

光纤光缆位于产业链下游，受益于运营商集采与5G高需求迎来量价齐升。光纤光缆上游光棒生产厂家对原材料进行芯棒制作和外包制作成光棒，下游光纤光缆制造商通过拉丝等工艺将光棒制作成为光纤，再根据需求生产出一芯或多芯光缆。根据中国工程院院士赵梓森，光纤预制棒由于生产技术壁垒较高，占据了产业链70%的利润，而光棒拉纤及光纤成缆环节由于技术、资金壁垒相对较低，市场竞争充分，分别占据产业链利润的20%和10%。据CRU报告，全球仅有20家左右厂商掌握光纤预制棒制备工艺，国内光棒产能主要集中在长飞光纤、中天科技、亨通光电、富通信息、烽火通信、永鼎股份、通鼎互联等几家龙头厂商。

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