祥茂光电AAOI——号称高速光模块“苹果”

祥茂光电(公司全名:Applied Optoelectronics,简称AAOI)成立于1997年2月,2013年9月在纳斯达克上市。公司总部位于美国德克萨斯州硅谷的非核心区域,是一家设计、研发和制造光通信垂直一体化光器件供应商,主要是光模块制造,而非光芯片生产。目前公司拥有2776名员工,其中美国有287人、中国台湾1218人以及中国大陆地区1271人。 20170811-HIL-1 目前,AAOI在美国的德克萨斯、中国的宁波和中国台湾台北市建有工厂:美国工厂主要生产激光芯片(利用公司的MBE和MOCVD工艺)、光学组件、元器件等。公司激光设计团队位于美国,公司的激光芯片仅在美国生产。台湾工厂主要用于生产光学器件(例如蝴蝶激光器)以及用于数据中心等场景的光模块。位于中国宁波的工厂主要利用人力成本优势生产劳动密集型的光学产品例如光学组件(OSA)、用于CATV市场的发射器和室外设备等。 20170811-HIL-5 创始人林志祥是一位美籍华人,出生自台湾台南,出国后在美国教书,随后创立了AOI公司。早期客户主要是美国的广电运营商,收入主要来自于为广电运营商的光节点设备(Cisco和Arris提供)提供低速光模块。这种情况一直持续到2013年,相当于公司成立后的16年里,都在陪着广电运营商苦苦度日,2013年收入才达到7840万美元,影响力全球排名前十开外,股价一度跌至8美元。

据悉,AAOI公司有自己的垂直供应链体系。从光学激光芯片、光学组件、子系统设备到模块封装公司都可以自给自足,仅有原材料和小部分器件需要外部采购,在这种模式下公司产品开发周期缩短,对客户的响应速度也得到提升,同时生产成本也得到有效降低。 20170811-HIL-7 此外,其工厂还具备特殊的半导体激光器生产工艺。在激光制造过程中融合了MBE和MOCVD两种工艺,其中公司在MBE工艺上拥有专利权。MBE相比MOCVD在更低的温度下,用固相材料替代气态材料工艺用于晶圆生长,其效果可以提高激光器的使用寿命、提升效率并降低了工作时温度。AAOI认为,这项生产工艺相比竞争对手是独有的,且竞争对手很难在短时间复制模仿。

而从2016年底到8月初,AAOI抓住了数据中心光网络换代升级的历史机遇。短短12个月时间,如今,AAOI飞奔到排名全球前五,股价最高到达100美元,股价增长超过10倍。主要是受益于网络通信需求大爆炸,40G产品提前1季,100G产品提前1年,订单需求快速成长,订单塞满整个工厂,云端及数据中心占营收55%,最大客户有微软(Microsoft)、亚马逊(AWS),2016年两家公司收入比重分别为54.6%、18.3%。AAOI有望在未来3年时间内成为全球数据中心市场光收发模块第一大供应商,成为光通讯产业的“苹果”。

数据中心新建和改造,高速光模块急缺

数据中心的增长对光通信模块提出了更高的要求:首先得高速,从10G到现在的40G、100G,甚至以后的400G;其次,耗电要低,成本不能高,因为数据中心的最大成本来自电力使用,而各机架之间、同一机架上的不同机器,都需要密集部署光通信模块,采购量相较于传统基站来说是成指数倍增长,并且几年后都需要重新更换,客户复购率高。 20170811-HIL-6 再加上人工智能云出现,GPU被大规模用于并行计算,相对应服务器之间的传输量和对光通讯模块的需求也同步增长。

根据Synergy Research Group数据,截至2016年12月,全球超大规模数据中心数量达到300家,分别由24家互联网巨头运营。根据思科发布的GlobalCloudIndex报告,至2020年全球超大规模数据中心数量将达到485家,且届时全球超大规模数据中心所运行的服务器将占到全球数据中心的47%,所处理数据流量将占到全球数据中心的53%。

根据LightCounting公司预计Amazon、Facebook、Google、Microsoft四家公司以太网光模块采购金额将从2016年的5亿美元增长到2017年的10亿美元,其中100G光模块的采购量将在17年快速提升,供不应求将持续到2018年;200G和400G模块的采购也将分别从2019年、2021年开始体现,2021年开始实现规模发货。 20170811-HIL-2 目前,AAOI正在台湾投资建设新制造基地,公司已开发出SFP系列5G光模块、SFP+系列10G光模块、QSFP+系列40G和QSFP28系列100G光模块等多款针对不同应用场景的光模块产品。大型数据中心运营商近年来持续加大数据中心通信网络的改造力度,AAOI的数据中心收入主要来自于40Gbps和100Gbps的高速光模块销售,不过最近AWS对AAOI的100G产品报价表现不满。

同时,AAOI也积极研发下一代200G/400G光模块产品。在今年的美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC)上,AAOI也展示多款200G和100G产品:200G SR8 Active Optical Cables;200G On-Board Optics;200G CWDM Optics (2x100G CWDM4);100G µQSFP Active Optical Cables,部分200G产品已收到初始订单。

英特尔100G硅光模块出货,挑战传统厂商

数据中心事业部现在是英特尔最好的一块业务,不仅在3D NAND产品生产和开发3D XPoint产品方面投入了大量资金,而且随着市场对高速光模块的需求快速放大,英特尔早已垂涎不已,其硅光子技术也终于有了用武之地。

公开资料显示,硅光子技术已经问世超过十年,并非英特尔独有,基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等),利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术,结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势,是应对摩尔定律失效的颠覆性技术。这种组合得力于半导体晶圆制造的可扩展性,因而能够降低成本。 20170811-HIL-4 硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成,使用该技术的芯片中,电流从计算核心流出,到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤,到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光子(SiP)实现廉价且规模生产的光连接,从根本上改变光器件和模块行业。未来三五年内,这种情况还不会发生,但硅光子技术可能在下个十年证明它是破坏性。基于硅光子的光连接与电子ASIC、光开关,或者(可能)新的量子计算设备的集成,将打开一个广阔的创新前沿。

但是在支持者眼中,硅光子几乎是光通信走向集成的唯一选择。一方面是因为在硅光子领域已经走得很远,尤其是美国,英特尔在2016年最后一届IDF上推出的100G硅光子收发器令业界震撼,此次100G硅光子收发器被誉为硅光子史上的革命突破。硅光模块备受互联网巨头看好,并且已经开始积极推动,AWS不惜投入巨资自研光模块,未来将会是大势所趋。

目前,美国和日本走在硅光子技术的商用化和研发前列。日本在高密度集成技术和调制器等的小型化方面世界领先,在CMOS兼容发光技术和光子结晶的开发方面的成果也震撼全球,也就是说硅光模块制造(Optical Coupling光路耦合)设备必须到日本购买。 20170811-HIL-11 现阶段,硅光子市场不算太大,2015年的销售额不到4千万美元,实际上只有几家公司在开放市场上出货产品,其中包括Mellanox、思科(Cisco)、Luxtera、英特尔(Intel)、意法半导体(STMicroelectronics)、Acacia与Molex等,都是这一市场的主导业者。预计到2022年,硅光子光收发器市场将超20亿美元,在全球光收发器市场中占比超20%。

据悉,英特尔100G硅光子收发器已经开始量产,不过远远达不到传统光模块厂商的90%良率。受设备、良率等问题制约,硅光模块短期内很难和传统光模块竞争。

高速光模块,中国力量正在崛起

光模块由光电子器件、功能电路和光接口等组成,光电子器件包括发射和接收两部分。发射部分是:输入一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后驱动半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)发射出相应速率的调制光信号,其内部带有光功率自动控制电路,使输出的光信号功率保持稳定。接收部分是:一定码率的光信号输入模块后由光探测二极管转换为电信号,经前置放大器后输出相应码率的电信号。

受益于全球网络通讯和数据通信需求增加以及IDC市场的持续增长,IDC的高增速带动国内光模块市场发展速度略快于国外市场。中国厂商在100G光模块领域已有产品问世,有望借此望弯道超车。

早期的国内市场,电信行业客户一家独大,虽然有光通信模块公司,但大部分都在低端制造上竞争。在2008年4月,刘圣在苏州工业园区创办苏州旭创科技有限公司,总投资700万美金,公司主要以海归光电专家博士来领队,致力于打造中国领先的高端光通讯模块(10G/40G/100G)设计制造企业。 20170811-HIL-3 之前,刘圣从清华大学、中科院自动化研究所和美国乔治亚理工大学先后攻读完本科、硕士和博士后,曾担任过美国Pine Photonics公司中国研发中心负责人,以及美国Opnext公司产品研发部高级经理,带领团队研发出了世界上最早的10GLRM X2产品并最先获得一流系统公司Cisco的认证,已具备多年高速光通讯模块的研发和管理经验。

在2014年9月30日,Google Capital在中国市场上进行的第一次投资就给到了旭创科技,同时,旭创科技也是谷歌数据中心的光模块供应商。其核心技术包括Chip on Board (COB)光电子器件设计与封装技术、单模并行光学设计与精密制造技术、多模并行光学设计与耦合技术、高速电子器件设计、仿真、测试技术以及自主开发,全自动,高效的测试平台。

和AAOI一样,苏州旭创同样是亚马逊(AWS)的供应商,国内有华为、中兴以及阿里云等客户,100G以上产品主要对手有Finisar、JDSU、Oclaro、Oplink、索尔思等国际光通信巨头。除了40G产品外,公司100G产品品类达到17种,做到100%自产,自有工厂,公司规模在千人级别。目前,正在大力扩产,预计今年100G产品产能达到12万只/月,明年大约20万只/月,后年大约30万只/月。

光通信产业正在从美国、日本向中国转移,产业链整合进程中,中国光模块厂家不断向上游芯片突破,如:光迅科技收购法国III-V Lab,昂纳科技收购法国3SP。掌握了核心芯片技术的中国厂家将更具成本竞争力,也将更能满足互联网ISP数据中心全光化建设需求,从而获得更高市场份额。

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