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光器件行业需求加速放量,国产化替代的机遇

发布时间:2021-12-13

  引言:当前,光器件产品正开始向 2B 侧非通信市场(例如医疗检测等领域)渗透,并加速向 2C 侧消费电子和激光雷达等领域延伸,较之 2B 市场,2C 市场需求更大,产品更新迭代更快,我们预计光器件行业即将迎来发展拐点。未来随着这些新兴领域的需求加速放量,将充分打开光器件行业的成长空间。 
  与竞争激烈的光模块领域相比,上游光器件头部厂商通常基于自身优势聚焦不同的高端细分领域,竞争格局稳定良好,对下游具有相当的议价能力,毛利率可观。近年来,行业内的并购加速行业整合,但当前集中度仍不高。未来,在光通信产业链持续向国内转移、国内光器件实力显著提升的大背景下,国内头部厂商有望充分受益于国产化替代机遇。 
  1、光器件位于光通信产业链上游,细分领域众多
  1.1 光器件位于光通信产业链上游,细分领域众多 
  光器件指的是应用在光通信领域,利用光电转换效应制成的具备各种功能的光电子器件,细分领域众多。按照工作时是否发生光电转换分类,可分为光有源器件和光无源器件两大类,前者需要电源驱动,后者无需电源驱动。而若按照功能分类,可具体分为发送接收器件、波分复用器件、增益放大器件、开关交换器件和系统管理器件等大类,其下进一步细分为多个小类。
  整体而言,光器件细分领域繁多,不同类型的光器件实现了光信号的产生、调制、探测、连接、波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等功能,是光通信的基础保障。
  在细分领域众多的同时,光器件产品定制化程度高,呈劳动密集型特点,并且种类繁多,下游客户更倾向于选择整体解决方案来一站式满足自身需求。光器件产品标准化程度低,主要根据客户需求进行定制化设计,因而导致产品种类/参数繁多,难以实现完全的自动化生产,整体而言规模效应并不显著。
部分环节(如封装等)对人力要求较高,因而劳动密集型特征相对显著。相对海外巨头,国内光器件企业在人力成本方面相对具有优势,这在很大程度上加速了光器件产业整体东移的趋势。
  从下游客户的角度,由于光器件单价不高且种类型号繁多,因而倾向于选择头部光器件企业的一揽子整体解决方案来一站式满足自身需求,这种情况下能够避免不同厂商光器件间兼容性等问题保证性能的稳定性,并且便于客户自身的供应链管理。 
  除此之外,光器件行业近年来呈现出的另一大显著特点是材料变化升级的趋势明显,有望给部分行业的竞争格局带来根本性的改变。 
  以光电调制器为例,根据芯片材料不同,当前主流有三大技术方案,即硅基方案、磷化铟方案和体材料铌酸锂方案。比较来看,体材料铌酸锂方案具有高带宽、低插损、高可靠性、较高消光比、工艺成熟等优点,是高速器件中佼佼者,能够充分满足传输距离长(100 公里以上)、容量大(100G 以上)的需求,当前其在 100G/400G 相干光通讯网络中已有非常广泛的应用。而受材料性质所限,例如,硅基方案主要应用在短距离,磷化铟方案主要是通过牺牲一定的参数从而在中短距离传输中替代铌酸锂。
  虽然相对硅基方案及磷化铟方案有优势,但体材料铌酸锂仍存在关键性能参数提升遇瓶颈、尺寸较大难集成、价格较高等问题。在这样的背景下,新型薄膜铌酸锂调制器成为了业内的聚焦点,较之体材料铌酸锂调制器,其不仅充分继承了体材料铌酸锂的优势,同时还在性能、成本、体积等维度有显著改善。未来,若薄膜铌酸锂启动规模量产进程,将给细分行业带来显著变革。
  同样地,在光模块领域,硅光模块发展迅速。就传统光模块来看,其主要采用 III-V 族半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等分立式器件封装而成,本质上属于“电互联”。但是,随着未来器件加工尺寸的逐渐缩小,电互联将逐渐面临传输瓶颈,硅光技术应运而生。
  其本质是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合至一个独立的微芯片中,使用激光束代替电子信号传输数据,较之传统光模块具有高集成、高功率及低功耗等优势。根据 Yole 的预测,硅光模块的市场规模将从 2018 年的 4.5 亿美元增长至 2024 年的 41.4 亿美元,2018 年~2024 年间的年复合增速将达 44.5%。
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  从产业链来看,光器件位于光通信产业链上游。光通信产业链整体可分为“光芯片/电芯片、光组件、光器件、光模块、光通信设备、最终客户”这样几部分。整体来看,上游光芯片及电芯片多为国外公司垄断,其中,光芯片近年来中低端产品逐渐国产化,高端光芯片仍被国外厂商掌握。光组件及光器件领域,相对分散,竞争相对并不激烈。中游光模块领域参与厂商众多竞争激烈,技术更迭周期短。
  另一方面,国内光模块厂商实力提升迅速,产业东移大趋势明显,当前多家国内厂商已跻身全球前十大光模块厂商之列。产业链下游是光通信设备商,最终客户方面,传统客户包括了 2B 侧电信市场的大型运营商和数通市场的云计算巨头,另一方面,近年来光器件厂商开始逐渐向 2B 侧的非通信领域(如医疗检测等)和 2C 侧消费级应用场景(如 AR,激光雷达等)延伸,以寻求更大的发展空间。 
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  1.2 中小企业居多,多领域布局拓展成长空间 
  光器件行业单个细分领域的市场空间有限,业内公司规模相对不大。从国内厂商的当前市值来看,除了天孚通信,其他国内光器件厂商市值基本在 100 亿人民币以下。类似地,海外巨头同样市值有限,行业龙头 II-VI 和 Lumentum 市值分别仅约为 68 亿美元和 66 亿美元。整体而言,行业空间和行业特性决定了行业内超大型企业较少,中小企业居多。 
  从当前光器件厂商的成长路径来看,主要以多领域布局的方式线性拓展成长空间,未来随着光器件从 B 向 C 拓展,有望迎来高速增长期。光器件厂商一般以某细分领域起步,当公司发展到一定阶段,受限于市场规模,通常会通过内生或外延并购方式拓展业务布局打开成长空间,一种途径是横向拓展光器件的业务品类完善产品矩阵,另一种途径是纵向垂直整合,向上游光芯片或下游光模块延伸。
  站在当下的时点,我们认为光器件厂商的生命周期仍很长。传统意义上,光器件厂商的下游集中于 2B 领域的运营商和云计算巨头,未来随着以汽车电子和消费电子为代表的 C 端需求加速放量,光器件厂商将迎来真正的高速增长期。 
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  2、应用领域从B 向C 扩展,行业迎来发展拐点
  2.1. 2B 侧传统通信领域:电信和数通市场双轮驱动,夯实基本盘 
  传统而言,光器件下游最终端的客户是电信市场的运营商和数通市场的云计算巨头,因而受其资本支出影响。
  1)电信市场:运营商的通信代际更迭时间较长(例如 5~7 年),资本开支周期性显著,通常呈规律性波动,初期上升明显,后期逐年回落,进入 5G 时代,运营商资本支出则相对更为平稳;
  2)数通市场:当前需求逐渐超越电信市场,数通市场的云计算巨头技术更新需求更快,通常每 3~4 年即面临一次升级换代的压力,资本支出整体呈震荡上行的趋势。两相叠加,上游光器件行业成长性显著同时兼具周期性。根据 Ovum 的统计数据, 2016~2019 年全球光器件市场规模整体稳步增长,历年增速在 10%以内,2019 年市场规模为117.05 亿美元,较之 2018 年增加 8.0%。 
  预计 2025 年 5G 基站数净增约 300 万站,平均每年净增 60 万站。未来,随这 5G 基站建设的稳步推进,以及 5G 承载网扩容升级,未来将持续拉动前传、中回传光模块需求,并同时利好光器件领域。 
  流量高速增长:诸多因素共同推动流量高速增长,当前,公有云的快速发展,数字化转型加速企业上云,高清视频、直播等大流量场景为流量的高速增长提供了确定性。我们认为,未来 5G 时代推动流量增长的“杀手级应用”将是元宇宙。数据流量的高速增长将显著提振上游光器件产品的需求量。
  产品代际更迭:较之电信市场,数据中心产品代际更迭速度更快,以下游的高速光模块来看,2020 年以亚马逊和谷歌为代表的云计算巨头开始大规模进入 400G 时期,当前各光模块厂商的 800G 产品也有望在明后年开启大规模量产。总体而言,下游光模块代际更迭带来的需求增量将拉动上游光器件产品的需求量。
的成长空间 
  3.3.1 汽车领域 
  从汽车领域来看,激光雷达中大量用到光学元件及器件,未来随着激光雷达走向成熟迎来大规模放量,上游光学元件及器件厂商将迎来重要发展机遇。 
  激光雷达(Lidar,Light Detection and Ranging)顾名思义,即激光探测与测距,通常用于车辆在快速移动时的距离和速度感知,工作原理与雷达非常相近。其以激光作为信号源,由激光器发射出的脉冲激光,打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上,引起散射,一部分光波会反射到激光雷达的接收器上。
  通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离,通过水平旋转扫描来测角度,并根据这两个参数建立二维的极坐标系,再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息,由此可以构建精确的三维立体图像。其下游应用领域广泛,包括了 L4 及以上高等级自动驾驶、ADAS 系统、智慧城市(车路协同)、专业服务机器人及测绘等领域。 
  激光雷达本质是一个由多种部件构成的光机电系统,为了实现以上功能,常用的激光雷达主要有四部分组成,即激光发射、激光接收、扫描和信息处理,其中,光学元器件在前三部分中都有大量使用,是激光雷达的重要组成部分。 
  激光发射部分:包含激光器和发射光学系统,激光器是光源,通常采用半导体激光器,但半导体激光器具有光斑形状不规则,发散角度大的问题,因此需要配套的发射光学系统对输出光束进行准直整形,改善光束质量。发射光学系统主要包含的光学元器件为准直镜、分束器、扩散片等。
  激光接收部分:包含光电探测器和接收光学系统,其中,接收光学系统由透镜、分束器、窄带滤光片等光学元器件组成,其作用是尽可能收集经目标反射后的光能量。
  扫描系统部分:传统的构成部分是旋转电机和扫描镜。
  信息处理部分:主要包含放大器、数模转换器以及软件算法,工作时,光信号由探测器转换为电信号,电信号经过放大器放大,降低噪声和干扰,然后经数模转换器进行数模转换,用于处理和计算。
  从成本构成来看,光学器件在激光雷达中占有相当比例。分立收、发模组的成本占比达到约 60%,而发射光学系统和接收光学系统是其重要组成部分,因而光学元器件在激光雷达的成本侧占有相当比例。 
  当前在自动驾驶应用领域,激光雷达与摄像头存在技术路线竞争。众所周知,自动驾驶系统分为感知层、决策层和执行层,其中感知层负责收集环境信息并做预处理。感知功能通过感知传感器实现,有摄像头、毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达四大类,横向比较各具优劣势,因此通常多种传感器融合使用,实现一定程度上的优势互补。
  发展至今,自动驾驶领域环境感知融合方案主要发展演化为两种,一种是以摄像头为主导,搭配毫米波雷达的融合方案,即“纯视觉计算方案”,另一种是激光雷达主导,搭配摄像头和毫米波雷达的融合方案。
  前者虽然具有较低的成本,但由于摄像头可能存在失真,因此需要进行大量数据积累并进行神经网络训练弥补。后者具有更高的精确性,但当前成本相对更高。我们认为,未来随着激光雷达逐渐走向成熟迎来成本下降,激光雷达主导的融合方案其渗透率将会有显著提升。 
  就激光雷达自身的技术发展趋势来看,从机械式向固态式发展的大趋势明显。根据激光雷达扫描方式分类,可分为三大类,即机械式、混合固态式(半固态式)和纯固态式。机械式发展最为成熟,其优势在于扫描速度快,可 360 度全方位检测,但在电机尺寸较大较难集成,且在性能提升、使用寿命提升、降成本等方面愈发困难。较之机械式方案,混合固态式方案能够有效降低尺寸,且成本较低,但劣势在于探测角度有限,探测距离短,相对来说,半固态方案中的 MEMS 方案是最为成熟的半固态方案。
  固态式方案当前主要包括 FLASH 和 OPA 两大类,扫描速度快,体积小的优势明显,虽然当前技术成熟度仍相对不足,但随着未来技术突破,固态技术路线大概率是激光雷达长期发展的大方向。从下游激光雷达厂商的布局来看,差异化明显,各有侧重优势不一,部分厂商多技术方案布局。
  Velodyne、Ouster、速腾聚创、禾赛科技等厂商重点聚焦机械式激光雷达,Luminar、Aeva、Livox、Innoviz、华为等在半固态激光雷达均有布局,固态激光雷达的典型厂商有 Ibeo、Ouster、Quanergy 等。 
  从市场情况来看,汽车领域的激光雷达产品整体仍处于导入期,大部分车型尚未使用激光雷达,未来随着其走向成熟迎来价格下降,渗透率有望加速提升,市场空间广阔。根据沙利文研究,2019 年全球激光雷达市场为 6.8 亿美元,预测 2025 年将增至 135.4 亿美元, 2019 年~2025 年年复合增速 64.5%。国内方面,2019 年市场规模为 2.3 亿美元,预测 2025 年将增至 43.1 亿美元,2019 年~2025 年年复合增速 63.1%。 
  腾景科技:公司在激光雷达领域的产品所运用的工艺和技术与公司在光通信、光纤激光领域的产品具有一定的共通性,公司依托已有的核心技术及技术储备,有能力满足国内外客户的优质产品供应。根据公司公告,在资质方面,公司已通过IATF16949:2016 汽车行业质量管理体系认证,并取得认证证书,将持续对接大客户及车厂,开展车用光学元器件技术交流与送样工作。产品方面,主要为激光雷达客户提供配套精密光学元件。由于激光雷达不同的技术线路还在发展中,公司将持续配合客户的需求。 
  天孚通信:根据公告,相关产品包含了基本光学器件和集成封装器件两大类,公司在激光雷达领域成立了专门的销售团队和项目组持续跟进激光雷达市场开发。
  光库科技:根据官网,公司多项产品可应用于自动驾驶领域,包括了 PBS/PBC、合束器、带通滤波器、光耦合器、光纤跳线、光准直器、光学子模块封装、保偏分路器、环形器和 EDFA。
  4、光器件行业竞争格局良好,国产化替代提供发展机遇 
  4.1 光器件细分领域众多竞争格局良好,头部厂商竞争优势明显 
  产业链上游光器件行业的整体竞争格局良好。虽然光器件产品品类繁多,部分低端产品的入门门槛不高,但是头部厂商往往基于自身优势聚焦于不同的高端细分领域,这些领域的市场规模不大、竞争对手不多、竞争并不激烈,因而整体格局良好,毛利率水平通常能够维持在高位。
  以光库科技为例,公司在光纤激光器件领域重点聚焦高功率、高壁垒赛道,高功率隔离器及高功率光纤光栅的全球市占率均超 50%,光纤激光器件业务的毛利率维持在 40%~50%的范围内。天孚通信方面,该公司是业界领先的光器件一站式解决方案提供商,光无源器件产品从基础的三大件起家(陶瓷套筒、光纤适配器和光收发组件),上市后通过内生和外延并购的方式不断拓展高端产品品类,其光无源器件业务的毛利率水平能够持续维持在 50%以上。
   相对于下游的光模块厂商,头部的光器件厂商具备相当的议价能力。下游光模块领域参与者众多,行业处于充分竞争的状态,从毛利率水平来看,下游以封装为主的光模块厂商整体毛利率水平不高。与竞争激烈的下游相比,上游光器件厂商聚焦各自的细分领域,参与者较小,同时技术更迭的速度没有光模块行业快,因而整体来说竞争格局稳定良好,对下游具有相当的议价能力。 
  我们认为,上游光器件领域竞争格局相对较好,除了单个细分市场规模不大参与者有限外,还有其他多方面因素: 
  具有一定的认证/资质壁垒:光器件对通讯设备运行及信号传输质量影响较大,竞争关键是产品品质稳定可靠,客户要求严格,相关产品的认证周期较长。反观产品方面,由于光器件产品在下游客户成本构成中的占比较小,因而客户对价格的敏感程度相对一般。
  头部企业的产品优势:相对于新进入者,业务涵盖细分领域众多,头部企业产品矩阵丰富,能够为客户提供一揽子整体解决方案来一站式满足客户要求,这种情况下能够避免不同厂商光器件间兼容性等问题,提升产品的整体良率。
  头部企业的服务及供应链优势:客户对需求和服务的响应速度、供应链保障方面要求较高,愿意付出一定的溢价与供应商建立长期合作关系以构建稳定的供应链体系,对于更换供应商相对较为谨慎。
  头部企业的良率及成本优势:相对于新进入者,行业内的头部企业,其随着生产规模的提升会获得更好的产品良率,因而具备一定的成本优势。
  4.2 并购加速行业整合强化头部厂商实力,但光器件行业整体集中度仍不高 
  行业内的并购整合加速推进。光器件厂商发展到一定阶段,受限于市场规模,通常会通过内生或外延并购方式在横向和纵向拓展业务布局以此构筑未来的成长空间。近年来,行业内并购层出不穷,海外巨头方面,2018 年底,无源器件市场和有源器件市场的头部企业 II-VI 和Finisar 达成收购协议,通过合并实现强强联合,交易金额达 32 亿美元。
  另一大巨头 Lumentum则是在 2018 和 2021 年分别收购了 Oclaro 和 NeoPhotonics,交易金额分别为 18 亿美元和 9.18亿美元。国内方面,以光库科技、天孚通信、博创科技等为代表的国内厂商在收购领域同样动作颇多,持续加速自身业务拓展。 
  4.3 产业链向国内转移、国内厂商实力提升,光器件行业将受益于国产化替代机遇 
  从光器件下游的光模块领域来看,国内光模块厂市场份额提升显著,光通信产业链整体向中国转移的大趋势日趋明显。
  我们国内光通信行业发展迅猛,根据 LightCounting 统计的过去十年前十大光模块厂商排名,2010 年未有国内企业进入前十,而经过 10 年发展到了 2020年,以中际旭创、华为、海信为代表的国内企业已经跻身全球光模块前三甲,光迅科技、新易盛、华工正源也占据前十行列,光通信产业链向国内转移的大趋势日益显著,对整个产业链上下游有积极影响。
  从光器件行业本身来看,国内企业正加速崛起。近年来,国内光器件企业的光通信业务的同比增速整体高于海外头部企业,作为劳动密集型行业,国内企业在成本端的优势日益显著,海外头部厂商更多聚焦高端品类。 
  从技术角度,国内厂商实力同样提升显著,在部分高端领域有明显突破。以产业链上游的芯片为例,芯片是部分光器件的重要组成部分,在成本中占比大头。国内光器件厂商近年来加速向产业链上游布局,在光芯片领域的实力持续提升。光无源芯片方面,以博创科技、光迅科技为代表的国内厂商能够实现 PLC 芯片的国产化。
  光电调制芯片方面,光库科技通过收购Lumentum 的铌酸锂产线相关资产获得铌酸锂芯片的制备能力,当前行业内主要竞争对手仅有日本的住友和富士通两家,同时在传统铌酸锂芯片的基础上,公司积极布局前沿的薄膜铌酸锂芯片领域,产业化推进进度靠前。光有源芯片方面,虽然高端芯片能力仍不足,但低端产品的国产化程度可观,以光迅科技为例,其已实现 10G VCSEL/DFB/EML/AP/Pin 全系列芯片商用, 25G Vcsel/DFB/EML 芯片也能实现部分自给。
  整体而言,在光通信产业链持续向国内转移的大背景下,国内光通信企业发展势头迅猛,技术角度在部分高端领域持续取得突破,未来有望进一步替代国外厂商的份额,享受光通信领域的国产化替代机遇。 
  4.4 天孚通信:平台型的光器件一站式解决方案提供商,聚焦研发持续开拓业务布局 
  业界领先的光器件一站式解决方案提供商,平台属性显著。公司成立于 2005 年,2015 年在创业板挂牌上市。上市前,精耕于三大基础光无源器件(陶瓷套筒、光纤适配器和光收发组件),上市后公司内生外延并举,在横向和纵向持续发展,成长路径清晰。
  横向上,积极拓展高端光器件品类,不断提升公司产品在光模块中的价值占比,并促进产品版图内的协同效应。纵向上,将光无源器件与有源封装业务有机耦合,实现纵向产业链协同,公司由此成为国内稀缺的能提供光模块产业链上游一站式解决方案的平台型供应商。当前,公司共布局了十三大产品线,八大方案(高端无源器件整体解决方案和高速光器件封装 OEM 方案)。 
  聚焦研发,前瞻性布局开拓未来成长空间。高速光引擎是集成化产品,其在高速发射芯片和接收芯片封装基础上集成了精密微光学组件,精密机械组件,隔离器,光波导器件等。2020年,公司启动定增项目聚焦打造光引擎封装平台,部分产品已转入批量生产。
除此之外,公司在研项目包括了 5G 用 MWDM 用 TOSA 器件开发,50GBIDI 光器件研发、保偏光器件研发、 800G 光器件研发等二十余个研发方向。随着前瞻性布局的持续推进,当前公司产品的应用领域已从传统的数通和电信领域进一步扩展到了下游汽车电子领域的激光雷达和医疗检测领域,未来将为公司打开更大的成长空间。

来源:国泰君安证券、智车行家
关键词: 光学器件国产化
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