光模塊（Optical Modules）作為光纖通信中的重要組成部分，是實現光信號傳輸過程中光電轉換和電光轉換功能的光電子器件。隨著數據中心和高性能計算（HPC）系統在AI智能設備中的廣泛應用，光模塊的作用愈加重要，需求暴漲，也帶動了應用其中的先進陶瓷的發展。

一、AI驅動光模塊需求大漲

光模塊是一種用于高速數據傳輸的光器件，其作用是實現光信號和電信號之間的相互轉換，從而實現數據在通信網絡中的傳輸。光模塊的應用場景主要分為兩大領域：4G/5G 無線網絡、固定寬帶 FTTX、傳輸與數通網絡等為代表的電信領域；承載 AR/VR、人工智能、元宇宙等應用的數據中心領域。光模塊根據傳輸速率可分為1Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps、400Gbps、800Gbps、1.6Tbps等。

圖 光模塊工作原理圖，來源：華為

AI大模型的訓練和推理應用需要海量并行數據計算，對 AI 數據中心的網絡帶寬提出更大的需求，光模塊主要用于數據中心和高性能計算系統，提供高速、大容量的數據傳輸服務，AI 數據中心的發展加速高速光模塊的發展和應用，光模塊加速從800G向1.6T演進。人工智能AI技術的發展和算力需求的增加，全球數據中心建設帶動對光模塊需求的持續穩定增長。根據Lightcounting預測，光模塊的全球市場規模在2022-2027年將以11%的復合年均增長率保持增長，到2027年有望突破200億美元。

市場調研公司Cignal AI發布的最新報告顯示，超大規模網絡運營商的需求將400GbE、800GbE數據通信光模塊和400ZR電信光模塊的購買量推高至創紀錄水平。2024第一季度，高速數據通信光模塊的出貨量超過300萬只，以支持AI集群互連和傳統計算應用。在人工智能技術的推動下， 數據通信光器件的支出同比增長超過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規格的400G和800G數據通信模塊的總出貨量每季度增長25%。

二、先進陶瓷應用于光模塊

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

圖 光模塊結構示意圖（SFP+封裝）IMT-2020(5G)推進組《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、生產制造簡單，但體積較小導致散熱不佳使其不適用于長距離傳輸，主要應用于基站、PON等單通道的傳輸距離和傳輸速率要求低一點的市場。蝶形封裝通常為長方體，結構復雜，具有可實現多種功能、散熱好等優點，適用于長距離多種速率傳輸；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連接起來的封裝工藝，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、成本低等優點。

AI時代，液冷技術以其卓越的冷卻效能，成為解決高性能計算熱問題的關鍵技術，在液冷數據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構，為器件提供電信號傳輸通道和光耦合接口，提供機械支撐和氣密保護，解決芯片與外部電路互連。陶瓷封裝管殼供應商包括：京瓷、日本特殊陶業、中瓷電子、合肥圣達、中電科55所、優科華瓷、江蘇淮瓷、博為光電、三環集團、瓷金科技、中航天成、伊豐電子、武漢優信、江蘇固家等。

②陶瓷封裝基座

在光模塊中，數字信號也會被光信號替換，并且光信號的頻率可通過電信號控制，晶振在光模塊中起到了精確控制數字信號頻率的作用。晶振在光模塊中的應用不僅體現在數字信號頻率的控制上，還可以保持光信號的時鐘同步，提高信號穩定性和抗干擾性，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，帶動光模塊需求強勁增長。AI伺服器光模塊需搭配高階的差動式輸出振蕩器，單價較一般伺服器/消費電子的振蕩器高約10-20倍，毛利率為50-60%以上。

圖 ?晶振結構示意圖，來源網絡

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電圖形和沖制有電導通孔的陶瓷生片，按一定次序相互疊合并經過氣氛保護燒結工藝加工后而形成的一種三維互連結構。其中，主體成份是氧化鋁瓷材料，內部導體材料是精細金屬鎢(W)。

圖 陶瓷封裝基座，來源：瓷金科技官網

其封裝作用包括：一是為芯片提供安裝平臺，使之免受外來機械損傷并防止環境濕氣、酸性氣體對制作在芯片上的電極的腐蝕損害，滿足氣密性封裝的要求；二是實現封裝外殼的小型化、薄型化和可表面貼裝化；三是通過基座上的金屬焊區把芯片上的電極與電路板上的電極連接起來，實現內外電路的導通。

陶瓷封裝基座供應商有京瓷、日本特殊陶業、合肥圣達、瓷金科技、三環集團等。

2、陶瓷熱沉

在許多應用中，溫度穩定性能夠提高光纖系統中至關重要的關鍵光電元件性能和壽命。光模塊可以通過熱沉將工作時產生的熱量傳導出去，降低工作溫度。隨著AI技術以及5G通信的發展，對于大功率光模塊的需求越來越多，且單個光模塊的功率也越來越大，這就對光模塊的熱沉部件的導熱性能提出了更高的要求。

熱沉的材質包括陶瓷或金屬，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。

熱沉相關廠商有合肥圣達、鼎華芯泰、深圳晶瓷、芯瓷半導體、湃泊科技、池州昀海、炬光科技、國瓷賽創、深圳宏鋼、廣州天極、覺芯電子、六方鈺成、丸和、京瓷、日本JFC等。

3、TEC

為了解決光模塊散熱問題，除了采用熱沉散熱的被動散熱方式外，同時也可以加配帶溫度控制的TEC溫控模塊，進行主動散熱。TEC(Thermo Electric Cooler)是半導體制冷器 (也稱熱電制冷器) 的簡稱。它是一種基于熱電材料的帕爾貼效應實現的固態制冷技術，可以通過改變電流方向實現的TEC器件表面的溫度控制。

半導體制冷器是光通訊器件/模塊實現精確溫度控制的關鍵核心部件，TEC主要用于控制TOSA內的LD半導體芯片的工作溫度，使其長期工作在恒定溫度下。TEC一般封裝在TO-CAN或BOX的腔內與LD之間進行熱傳導控制。

圖 TEC應用于光模塊，來源：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、數據中心、激光發射器、光接收器等光器件的精確溫度控制，起到穩定激光器波長、保障光功率輸出的作用，是當前實現穩定光通訊信號的極佳解決方案。

圖 半導體致冷器結構示意圖，來源：新賽爾

半導體制冷器主要由半導體晶粒（一般由p型和n型兩種碲化鉍Bi2Te3材料組成）、導熱絕緣材質基板如DBC覆銅陶瓷基板、導線、焊料等組成。半導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，來源：萬士達

TEC相關供應商有大和熱磁、富信科技、見炬科技、中電科18所、浙江萬谷、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華、浙江精瓷、萬士達、中江新材、合肥圣達、國瓷賽創、浙江德匯等。

4、陶瓷插芯及套筒

陶瓷插芯又稱為“陶瓷插針”，由氧化鋯燒制并經精密加工而成的陶瓷圓柱小管，主要用于光纖對接時的精確定位，是光纖連接器的核心部件，是光纖通信網絡中最常用、數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用于光纖連接器跳線、光模塊和光收發器。

圖 光模塊組件非標插芯，來源：三環集團

陶瓷插芯相關企業有三環集團、太辰光通信、寧波韻升、Orbray、京瓷、精工技研、平湖大平洋藍登等。

原文始發于微信公眾號（艾邦陶瓷展）：AI驅動光模塊需求大漲，先進陶瓷迎發展