光模块通过光芯片实现光电转换
1、光模块工作原理
光模块的核心作用是实现光信号与电信号的相互转换。发射端将设备传来的电信 号经编码调制后，驱动激光器转换为调制光信号送入光纤；光信号在光纤中低损 耗传输后，接收端通过光电二极管将其还原为电信号，再经放大、滤波处理后输 出给对端设备，从而实现数据传输。
2、光模块的光-电芯片协同架构
光模块主要分为传统光模块与硅光模块两类。1）传统光模块采用分立器件方案，由 TOSA、ROSA、电芯片及相关电路构成，光芯片集成于 TOSA 与 ROSA 内 部，完成光电转换功能；2）硅光模块取消传统分立的 TOSA/ROSA 组件，采用 外置 CW 光源配合高集成度硅光芯片，与电芯片协同实现光信号的收发与处理。
光芯片在光模块中承担光电转换的核心功能，按照集成方式可分为分立式光芯片 和集成式光芯片（如硅光芯片）两大类：
（1）在传统光模块中，光芯片以分立形式存在，可进一步分为有源光芯片与无 源光芯片：
有源光芯片可分为激光器（Laser Chip）和探测器（PD）：
激光器：是光发射核心，为 TOSA 的主体部件，直接决定光模块传输性能。主流型号包括 VCSEL、DFB、EML 等，核心功能是完成“电变光”转换；探测器：是光接收核心，为 ROSA 的主体部件，常见类型有 APD、PIN 等 光探测二极管，负责“光变电”逆转换。 无源光芯片还可以分为 PLC 芯片（光分路器）和 AWG 芯片（阵列波导光栅芯 片）： PLC 芯片：基于硅基或二氧化硅材料，通过光刻工艺在芯片表面形成波导结 构，实现光信号的分路、合路功能；AWG 芯片：利用多通道波导的干涉原理，对不同波长的光信号进行复用/ 解复用，实现波分复用（WDM）功能。
（2）在硅光模块中，硅光芯片可集成除激光器外的其他器件： 硅光芯片：以硅为核心材料，将调制器、滤波器、波导、耦合器等多种器件 集成于同一芯片。但由于硅材料发光效率低，难以实现激光输出，因此需依 赖 III-V 族材料提供 CW 外置光源。
电芯片在光模块中主要负责信号的传输、补偿、放大与处理，核心组件包括 DSP、Driver 与 TIA。1）DSP 实现信号补偿、时钟恢复、编码与均衡等功能，修正传 输过程中的失真与延迟；2）Driver 用于驱动激光器芯片及相关光发射器件，提 升信号驱动能力；3）TIA 将探测器输出的微弱电信号进行前置放大，并通过后 续处理抑制噪声、改善信号质量。
3、光模块可采用三类光源方案
激光器种类与调制方式决定光模块的性能。当前光模块主流方案可分为 VCSEL、EML、硅光三类，其中： VCSEL 方案主要适配短距离高速互联场景，普遍采用 GaAs 衬底，具备成本低、响应速度快的优势，据 LightCounting 统计，其在当前光模块方案中占比约 15%。EML 方案主要适配中长距离信号传输场景，普遍采用 InP 衬底，凭借性能稳定 的特点占据中长距方案的主流应用，据 LightCounting 统计，其在当前光模块方 案中占比 30%-40%。 硅光方案以CW光源为核心激光器，具备成本低、功耗小的优势，据LightCounting 统计，其在当前光模块方案中占比约 40%-50%；随着 800G 及更高速率光模块 对功耗与散热要求持续提升，硅光技术渗透率有望进一步提高。
（1）VCSEL 方案适用于短距离传输场景
VCSEL 采用直接调制，响应速度快，同时成本和功耗较低。VCSEL 采用直接调 制（DML）技术，通过直接改变注入电流实现光信号调制，无需外置调制器，兼具响应速度快、成本低廉、工艺成熟及良率较高的优点。 VCSEL 方案通常适配短距离传输（SR）场景。VCSEL 采用垂直出光结构，区 别于边发射激光器的侧面出光方式，具有输出光斑对称、发散角小的特点，与多 模光纤耦合效率极高。但受限于自身输出功率较低，长距离传输时信号损耗与横 模色散较为明显，因此 VCSEL 主要适用于短距离（SR）传输场景，常用于数据 中心内部、机柜间以及服务器与交换机之间的短距高速连接。
（2）EML 方案适用于高速长距离传输场景
目前 EML 已取代 DFB 成为高速长距离传输场景的首选方案。DFB 采用直接调 制方式，啁啾较高、对色散的容忍度较差，传输距离与速率均受到明显限制，在100G 及以上速率场景中无法满足要求，因此高速场景需采用 EML 方案。从结构 上看，EML 是将 DFB 与电吸收调制器（EAM）单片集成在同一 InP 衬底上，相 较于直接调制的 DFB，EML 通过增加 EAM 实现外调制，使出光与调制过程实现 物理分离，性能优势突出且技术壁垒较高： 低啁啾效应：EML 调制与出光功能实现物理分离，通过电场直接调控光吸 收边界，大幅减弱了直接调制引发的波长漂移问题； 调制速率高：EML 突破了直接调制激光器的驰豫振荡限制，采用 PAM4 调制格式时速率较高，可轻松适配 100G、200G 等高速传输需求； 传输距离长：EML 激光器输出的信号能显著抵抗光纤色散与衰减影响，无 中继传输距离远超直接调制激光器，可满足长距离链路的信号传输需求； 技术壁垒高：EML 通过多层外延生长集成 DFB 与 EAM，工艺复杂、良率低，且 EAM 对温度敏感，需搭配 TEC 高精度温控才能稳定工作。 目前，EML 方案广泛应用于 800G/1.6T ER/FR/LR、国家骨干网、远距离高速 传输等核心场景。
（3）硅光方案适用于高速率传输场景
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（报告来源：招商证券。本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
