光模塊（Optical Modules）作為光纖通信中的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)傳輸過(guò)程中光電轉(zhuǎn)換和電光轉(zhuǎn)換功能的光電子器件。隨著數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算（HPC）系統(tǒng)在AI智能設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，光模塊的作用愈加重要，需求暴漲，也帶動(dòng)了應(yīng)用其中的先進(jìn)陶瓷的發(fā)展。

一、AI驅(qū)動(dòng)光模塊需求大漲

光模塊是一種用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馄骷渥饔檬菍?shí)現(xiàn)光信號(hào)和電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。光模塊的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為兩大領(lǐng)域：4G/5G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、固定寬帶 FTTX、傳輸與數(shù)通網(wǎng)絡(luò)等為代表的電信領(lǐng)域；承載 AR/VR、人工智能、元宇宙等應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。光模塊根據(jù)傳輸速率可分為1Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps、400Gbps、800Gbps、1.6Tbps等。

圖 光模塊工作原理圖，來(lái)源：華為

AI大模型的訓(xùn)練和推理應(yīng)用需要海量并行數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì) AI 數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬提出更大的需求，光模塊主要用于數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算系統(tǒng)，提供高速、大容量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，AI 數(shù)據(jù)中心的發(fā)展加速高速光模塊的發(fā)展和應(yīng)用，光模塊加速?gòu)?00G向1.6T演進(jìn)。人工智能AI技術(shù)的發(fā)展和算力需求的增加，全球數(shù)據(jù)中心建設(shè)帶動(dòng)對(duì)光模塊需求的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。根據(jù)Lightcounting預(yù)測(cè)，光模塊的全球市場(chǎng)規(guī)模在2022-2027年將以11%的復(fù)合年均增長(zhǎng)率保持增長(zhǎng)，到2027年有望突破200億美元。

市場(chǎng)調(diào)研公司Cignal AI發(fā)布的最新報(bào)告顯示，超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的需求將400GbE、800GbE數(shù)據(jù)通信光模塊和400ZR電信光模塊的購(gòu)買量推高至創(chuàng)紀(jì)錄水平。2024第一季度，高速數(shù)據(jù)通信光模塊的出貨量超過(guò)300萬(wàn)只，以支持AI集群互連和傳統(tǒng)計(jì)算應(yīng)用。在人工智能技術(shù)的推動(dòng)下， 數(shù)據(jù)通信光器件的支出同比增長(zhǎng)超過(guò)90%，特別是400G和800G光模塊的需求被推向了新的高度。所有SR/DR/FR/LR規(guī)格的400G和800G數(shù)據(jù)通信模塊的總出貨量每季度增長(zhǎng)25%。

二、先進(jìn)陶瓷應(yīng)用于光模塊

光模塊主要由光發(fā)射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探測(cè)器）、功能電路和光（電）接口等部分組成。先進(jìn)陶瓷在光模塊中應(yīng)用廣泛。

圖 光模塊結(jié)構(gòu)示意圖（SFP+封裝）IMT-2020(5G)推進(jìn)組《5G承載光模塊白皮書》

1、陶瓷封裝

①陶瓷封裝管殼

光器件（TOSA、ROSA）的封裝工藝有Box、COB、TO-can、蝶形封裝。To-Can同軸封裝成本低廉、生產(chǎn)制造簡(jiǎn)單，但體積較小導(dǎo)致散熱不佳使其不適用于長(zhǎng)距離傳輸，主要應(yīng)用于基站、PON等單通道的傳輸距離和傳輸速率要求低一點(diǎn)的市場(chǎng)。蝶形封裝通常為長(zhǎng)方體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有可實(shí)現(xiàn)多種功能、散熱好等優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)距離多種速率傳輸；BOX封裝屬于蝶形封裝，用于多通道并行封裝，適用于40G及以上速率的高速光模塊。COB封裝是板上芯片封裝、有線印制板封裝，是直接在印制電路板上安裝裸芯片，用金線或銅線將芯片引腳與印制電路板的接觸點(diǎn)連接起來(lái)的封裝工藝，不需要封裝外殼或支架等附加配件，具有尺寸小、重量輕、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

AI時(shí)代，液冷技術(shù)以其卓越的冷卻效能，成為解決高性能計(jì)算熱問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，在液冷數(shù)據(jù)中心中宜使用蝶形封裝BOX和同軸封裝TO-CAN兩種氣密性封裝光組件。光通訊陶瓷管殼采用多層共燒陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，為器件提供電信號(hào)傳輸通道和光耦合接口，提供機(jī)械支撐和氣密保護(hù)，解決芯片與外部電路互連。陶瓷封裝管殼供應(yīng)商包括：京瓷、日本特殊陶業(yè)、中瓷電子、合肥圣達(dá)、中電科55所、優(yōu)科華瓷、江蘇淮瓷、博為光電、三環(huán)集團(tuán)、瓷金科技、中航天成、伊豐電子、武漢優(yōu)信、江蘇固家等。

②陶瓷封裝基座

在光模塊中，數(shù)字信號(hào)也會(huì)被光信號(hào)替換，并且光信號(hào)的頻率可通過(guò)電信號(hào)控制，晶振在光模塊中起到了精確控制數(shù)字信號(hào)頻率的作用。晶振在光模塊中的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)頻率的控制上，還可以保持光信號(hào)的時(shí)鐘同步，提高信號(hào)穩(wěn)定性和抗干擾性，是光模塊中不可替代的重要元器件。知名分析師郭明錤指出，因AI伺服器需求顯著提升，帶動(dòng)光模塊需求強(qiáng)勁增長(zhǎng)。AI伺服器光模塊需搭配高階的差動(dòng)式輸出振蕩器，單價(jià)較一般伺服器/消費(fèi)電子的振蕩器高約10-20倍，毛利率為50-60%以上。

圖 ?晶振結(jié)構(gòu)示意圖，來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

陶瓷封裝基座廣泛用于石英晶體振蕩器和石英晶體諧振器。陶瓷封裝基座是由印刷有導(dǎo)電圖形和沖制有電導(dǎo)通孔的陶瓷生片，按一定次序相互疊合并經(jīng)過(guò)氣氛保護(hù)燒結(jié)工藝加工后而形成的一種三維互連結(jié)構(gòu)。其中，主體成份是氧化鋁瓷材料，內(nèi)部導(dǎo)體材料是精細(xì)金屬鎢(W)。

圖 陶瓷封裝基座，來(lái)源：瓷金科技官網(wǎng)

其封裝作用包括：一是為芯片提供安裝平臺(tái)，使之免受外來(lái)機(jī)械損傷并防止環(huán)境濕氣、酸性氣體對(duì)制作在芯片上的電極的腐蝕損害，滿足氣密性封裝的要求；二是實(shí)現(xiàn)封裝外殼的小型化、薄型化和可表面貼裝化；三是通過(guò)基座上的金屬焊區(qū)把芯片上的電極與電路板上的電極連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外電路的導(dǎo)通。

陶瓷封裝基座供應(yīng)商有京瓷、日本特殊陶業(yè)、合肥圣達(dá)、瓷金科技、三環(huán)集團(tuán)等。

2、陶瓷熱沉

在許多應(yīng)用中，溫度穩(wěn)定性能夠提高光纖系統(tǒng)中至關(guān)重要的關(guān)鍵光電元件性能和壽命。光模塊可以通過(guò)熱沉將工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，降低工作溫度。隨著AI技術(shù)以及5G通信的發(fā)展，對(duì)于大功率光模塊的需求越來(lái)越多，且單個(gè)光模塊的功率也越來(lái)越大，這就對(duì)光模塊的熱沉部件的導(dǎo)熱性能提出了更高的要求。

熱沉的材質(zhì)包括陶瓷或金屬，常用的熱沉材料有氮化鋁陶瓷、氧化鈹陶瓷、碳化硅陶瓷、鎢銅合金、碳化硅晶片、金剛石薄膜片等。

熱沉相關(guān)廠商有合肥圣達(dá)、鼎華芯泰、深圳晶瓷、芯瓷半導(dǎo)體、湃泊科技、池州昀海、炬光科技、國(guó)瓷賽創(chuàng)、深圳宏鋼、廣州天極、覺(jué)芯電子、六方鈺成、丸和、京瓷、日本JFC等。

3、TEC

為了解決光模塊散熱問(wèn)題，除了采用熱沉散熱的被動(dòng)散熱方式外，同時(shí)也可以加配帶溫度控制的TEC溫控模塊，進(jìn)行主動(dòng)散熱。TEC(Thermo Electric Cooler)是半導(dǎo)體制冷器 (也稱熱電制冷器) 的簡(jiǎn)稱。它是一種基于熱電材料的帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的固態(tài)制冷技術(shù)，可以通過(guò)改變電流方向?qū)崿F(xiàn)的TEC器件表面的溫度控制。

半導(dǎo)體制冷器是光通訊器件/模塊實(shí)現(xiàn)精確溫度控制的關(guān)鍵核心部件，TEC主要用于控制TOSA內(nèi)的LD半導(dǎo)體芯片的工作溫度，使其長(zhǎng)期工作在恒定溫度下。TEC一般封裝在TO-CAN或BOX的腔內(nèi)與LD之間進(jìn)行熱傳導(dǎo)控制。

圖 TEC應(yīng)用于光模塊，來(lái)源：Laird

超微型制冷器件又稱Micro TEC，目前Micro TEC主要是面向光通訊，如光模塊、數(shù)據(jù)中心、激光發(fā)射器、光接收器等光器件的精確溫度控制，起到穩(wěn)定激光器波長(zhǎng)、保障光功率輸出的作用，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光通訊信號(hào)的極佳解決方案。

圖 半導(dǎo)體致冷器結(jié)構(gòu)示意圖，來(lái)源：新賽爾

半導(dǎo)體制冷器主要由半導(dǎo)體晶粒（一般由p型和n型兩種碲化鉍Bi2Te3材料組成）、導(dǎo)熱絕緣材質(zhì)基板如DBC覆銅陶瓷基板、導(dǎo)線、焊料等組成。半導(dǎo)體晶粒緊湊地排列和固定在絕緣的兩塊金屬化陶瓷基板之間。采用的陶瓷材料有Al2O3（氧化鋁）、BeO（氧化鈹）、AlN（氮化鋁）等。

圖 DBC陶瓷覆銅板，來(lái)源：萬(wàn)士達(dá)

TEC相關(guān)供應(yīng)商有大和熱磁、富信科技、見(jiàn)炬科技、中電科18所、浙江萬(wàn)谷、遼寧冷芯、賽格瑞、新賽爾、萊爾德、Phononic、II-VI等。TEC用陶瓷基板廠商有富樂(lè)華、浙江精瓷、萬(wàn)士達(dá)、中江新材、合肥圣達(dá)、國(guó)瓷賽創(chuàng)、浙江德匯等。

4、陶瓷插芯及套筒

陶瓷插芯又稱為“陶瓷插針”，由氧化鋯燒制并經(jīng)精密加工而成的陶瓷圓柱小管，主要用于光纖對(duì)接時(shí)的精確定位，是光纖連接器的核心部件，是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中最常用、數(shù)量最多的精密定位件。陶瓷套筒主要與陶瓷插芯配套使用。陶瓷插芯及套筒主要應(yīng)用于光纖連接器跳線、光模塊和光收發(fā)器。

圖 光模塊組件非標(biāo)插芯，來(lái)源：三環(huán)集團(tuán)

陶瓷插芯相關(guān)企業(yè)有三環(huán)集團(tuán)、太辰光通信、寧波韻升、Orbray、京瓷、精工技研、平湖大平洋藍(lán)登等。

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