光模块（Optical Modules）作为光纤通信中的重要组成部分，是实现光信号传输过程中光电转换和电光转换功能的光电子器件。随着数据中心和高性能计算（HPC）系统在AI智能设备中的广泛应用，光模块的作用愈加重要，需求暴涨，也带动了应用其中的先进陶瓷的发展。

一、AI驱动光模块需求大涨

光模块是一种用于高速数据传输的光器件，其作用是实现光信号和电信号之间的相互转换，从而实现数据在通信网络中的传输。光模块的应用场景主要分为两大领域：4G/5G 无线网络、固定宽带 FTTX、传输与数通网络等为代表的电信领域；承载 AR/VR、人工智能、元宇宙等应用的数据中心领域。光模块根据传输速率可分为1Gbps、10Gbps、25Gbps、40Gbps、100Gbps、400Gbps、800Gbps、1.6Tbps等。

图 光模块工作原理图，来源：华为

AI大模型的训练和推理应用需要海量并行数据计算，对 AI 数据中心的网络带宽提出更大的需求，光模块主要用于数据中心和高性能计算系统，提供高速、大容量的数据传输服务，AI 数据中心的发展加速高速光模块的发展和应用，光模块加速从800G向1.6T演进。人工智能AI技术的发展和算力需求的增加，全球数据中心建设带动对光模块需求的持续稳定增长。根据Lightcounting预测，光模块的全球市场规模在2022-2027年将以11%的复合年均增长率保持增长，到2027年有望突破200亿美元。

市场调研公司Cignal AI发布的最新报告显示，超大规模网络运营商的需求将400GbE、800GbE数据通信光模块和400ZR电信光模块的购买量推高至创纪录水平。2024第一季度，高速数据通信光模块的出货量超过300万只，以支持AI集群互连和传统计算应用。在人工智能技术的推动下， 数据通信光器件的支出同比增长超过90%，特别是400G和800G光模块的需求被推向了新的高度。所有SR/DR/FR/LR规格的400G和800G数据通信模块的总出货量每季度增长25%。

二、先进陶瓷应用于光模块

光模块主要由光发射器件（TOSA，含激光器）、光接收器件（ROSA，含光探测器）、功能电路和光（电）接口等部分组成。先进陶瓷在光模块中应用广泛。

图 光模块结构示意图（SFP+封装）IMT-2020(5G)推进组《5G承载光模块白皮书》

1、陶瓷封装

①陶瓷封装管壳

光器件（TOSA、ROSA）的封装工艺有Box、COB、TO-can、蝶形封装。To-Can同轴封装成本低廉、生产制造简单，但体积较小导致散热不佳使其不适用于长距离传输，主要应用于基站、PON等单通道的传输距离和传输速率要求低一点的市场。蝶形封装通常为长方体，结构复杂，具有可实现多种功能、散热好等优点，适用于长距离多种速率传输；BOX封装属于蝶形封装，用于多通道并行封装，适用于40G及以上速率的高速光模块。COB封装是板上芯片封装、有线印制板封装，是直接在印制电路板上安装裸芯片，用金线或铜线将芯片引脚与印制电路板的接触点连接起来的封装工艺，不需要封装外壳或支架等附加配件，具有尺寸小、重量轻、可靠性高、成本低等优点。

AI时代，液冷技术以其卓越的冷却效能，成为解决高性能计算热问题的关键技术，在液冷数据中心中宜使用蝶形封装BOX和同轴封装TO-CAN两种气密性封装光组件。光通讯陶瓷管壳采用多层共烧陶瓷绝缘结构，为器件提供电信号传输通道和光耦合接口，提供机械支撑和气密保护，解决芯片与外部电路互连。陶瓷封装管壳供应商包括：京瓷、日本特殊陶业、中瓷电子、合肥圣达、中电科55所、优科华瓷、江苏淮瓷、博为光电、三环集团、瓷金科技、中航天成、伊丰电子、武汉优信、江苏固家等。

②陶瓷封装基座

在光模块中，数字信号也会被光信号替换，并且光信号的频率可通过电信号控制，晶振在光模块中起到了精确控制数字信号频率的作用。晶振在光模块中的应用不仅体现在数字信号频率的控制上，还可以保持光信号的时钟同步，提高信号稳定性和抗干扰性，是光模块中不可替代的重要元器件。知名分析师郭明錤指出，因AI伺服器需求显著提升，带动光模块需求强劲增长。AI伺服器光模块需搭配高阶的差动式输出振荡器，单价较一般伺服器/消费电子的振荡器高约10-20倍，毛利率为50-60%以上。

图  晶振结构示意图，来源网络

陶瓷封装基座广泛用于石英晶体振荡器和石英晶体谐振器。陶瓷封装基座是由印刷有导电图形和冲制有电导通孔的陶瓷生片，按一定次序相互叠合并经过气氛保护烧结工艺加工后而形成的一种三维互连结构。其中，主体成份是氧化铝瓷材料，内部导体材料是精细金属钨(W)。

图 陶瓷封装基座，来源：瓷金科技官网

其封装作用包括：一是为芯片提供安装平台，使之免受外来机械损伤并防止环境湿气、酸性气体对制作在芯片上的电极的腐蚀损害，满足气密性封装的要求；二是实现封装外壳的小型化、薄型化和可表面贴装化；三是通过基座上的金属焊区把芯片上的电极与电路板上的电极连接起来，实现内外电路的导通。

陶瓷封装基座供应商有京瓷、日本特殊陶业、合肥圣达、瓷金科技、三环集团等。

2、陶瓷热沉

在许多应用中，温度稳定性能够提高光纤系统中至关重要的关键光电元件性能和寿命。光模块可以通过热沉将工作时产生的热量传导出去，降低工作温度。随着AI技术以及5G通信的发展，对于大功率光模块的需求越来越多，且单个光模块的功率也越来越大，这就对光模块的热沉部件的导热性能提出了更高的要求。

热沉的材质包括陶瓷或金属，常用的热沉材料有氮化铝陶瓷、氧化铍陶瓷、碳化硅陶瓷、钨铜合金、碳化硅晶片、金刚石薄膜片等。

热沉相关厂商有合肥圣达、鼎华芯泰、深圳晶瓷、芯瓷半导体、湃泊科技、池州昀海、炬光科技、国瓷赛创、深圳宏钢、广州天极、觉芯电子、六方钰成、丸和、京瓷、日本JFC等。

3、TEC

为了解决光模块散热问题，除了采用热沉散热的被动散热方式外，同时也可以加配带温度控制的TEC温控模块，进行主动散热。TEC(Thermo Electric Cooler)是半导体制冷器 (也称热电制冷器) 的简称。它是一种基于热电材料的帕尔贴效应实现的固态制冷技术，可以通过改变电流方向实现的TEC器件表面的温度控制。

半导体制冷器是光通讯器件/模块实现精确温度控制的关键核心部件，TEC主要用于控制TOSA内的LD半导体芯片的工作温度，使其长期工作在恒定温度下。TEC一般封装在TO-CAN或BOX的腔内与LD之间进行热传导控制。

图 TEC应用于光模块，来源：Laird

超微型制冷器件又称Micro TEC，目前Micro TEC主要是面向光通讯，如光模块、数据中心、激光发射器、光接收器等光器件的精确温度控制，起到稳定激光器波长、保障光功率输出的作用，是当前实现稳定光通讯信号的极佳解决方案。

图 半导体致冷器结构示意图，来源：新赛尔

半导体制冷器主要由半导体晶粒（一般由p型和n型两种碲化铋Bi2Te3材料组成）、导热绝缘材质基板如DBC覆铜陶瓷基板、导线、焊料等组成。半导体晶粒紧凑地排列和固定在绝缘的两块金属化陶瓷基板之间。采用的陶瓷材料有Al2O3（氧化铝）、BeO（氧化铍）、AlN（氮化铝）等。

图 DBC陶瓷覆铜板，来源：万士达

TEC相关供应商有大和热磁、富信科技、见炬科技、中电科18所、浙江万谷、辽宁冷芯、赛格瑞、新赛尔、莱尔德、Phononic、II-VI等。TEC用陶瓷基板厂商有富乐华、浙江精瓷、万士达、中江新材、合肥圣达、国瓷赛创、浙江德汇等。

4、陶瓷插芯及套筒

陶瓷插芯又称为“陶瓷插针”，由氧化锆烧制并经精密加工而成的陶瓷圆柱小管，主要用于光纤对接时的精确定位，是光纤连接器的核心部件，是光纤通信网络中最常用、数量最多的精密定位件。陶瓷套筒主要与陶瓷插芯配套使用。陶瓷插芯及套筒主要应用于光纤连接器跳线、光模块和光收发器。

图 光模块组件非标插芯，来源：三环集团

陶瓷插芯相关企业有三环集团、太辰光通信、宁波韵升、Orbray、京瓷、精工技研、平湖大平洋蓝登等。

原文始发于微信公众号（艾邦陶瓷展）：AI驱动光模块需求大涨，先进陶瓷迎发展