光纤,又称为光导纤维,是一种具有特殊结构和功能的传输介质,它能将光束传输到远方,成为现代通信和多种技术应用的核心组成部分。光纤由三个主要部分构成:芯层、包层和涂覆层,形成了一个多层同轴圆柱体的典型结构。这种结构不仅确保了光纤的功能性,也为其在通信传输中的广泛应用提供了基础。
芯层:位于光纤的中心部位,由高纯度的二氧化硅和少量的掺杂剂构成,其折射率高于包层,而损耗又低于包层。在光纤传输过程中,光能量主要在芯层内传输,这是确保光信号传输质量的关键。
包层:环绕在芯层周围,也是由高纯度二氧化硅组成,但包含了不同的掺杂剂,为光的传输提供反射面和光隔离,同时起到保护芯层,防止其受到机械损伤的作用。
涂覆层:作为光纤的最外层,主要由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙构成,其基本功能是减少水汽侵蚀和机械擦伤,确保光纤的完整性和传输效率。
光纤的分类主要是根据光在光纤中的传输模式,通常分为单模光纤和多模光纤两种类型。模式指的是光以一定的角速度进入光纤后的传输路径。
单模光纤:其芯层直径较小,只允许光以一种模式传输。由于其传输模式的单一性,单模光纤具有较低的传输损耗和较长的传输距离,非常适合于长距离的通信传输。
多模光纤:相比于单模光纤,多模光纤的芯层直径较大,允许光以多种模式传输。虽然多模光纤的传输距离较短,但它能提供更高的带宽和数据传输率,适用于短距离、高数据率的传输应用,如局域网络和数据中心。
光纤技术的慢慢的提升和优异性能使得它在现代通信网络、医疗设施、军事和空间应用中占据了举足轻重的地位。通过了解光纤的基本定义和分类,我们大家可以更好地理解其在现代社会中的及其重要的作用和广泛应用。
随着二十世纪后半叶科技的快速的提升,人类开始认识到,利用光波作为通信载波,可以极大地增加信息的传输量。然而,直到20世纪50年代,由于缺乏相干光源和适宜的传输媒质,这一理想还未能实现。幸运的是,随着1960年激光器的发明,解决了相干光源的问题,人们的视线逐渐转向如何利用激光器进行通信的可能途径。
1966年,英籍华人科学家高银博士提出了一个开创性的想法,他认为光纤可能是最佳的选择,因为它能像铜线传导电子那样导光。但是,主要的难题是光纤的高损耗问题,20世纪60年代,光纤损耗高达1000dB/km,使得光纤通信面临巨大的技术壁垒。幸运的是,在1970年,科学家们取得了重大突破,将光纤的损耗降低到约20dB/km。几乎在同时,室温下运行的GaAs半导体激光器也得以研制成功。小型光源和低损耗光纤的同时问世,全世界内掀起了发展光纤通信的高潮。
从此以后,光纤通信技术以几乎爆炸性的速度发展,平均每9个月性能翻一番、价格降低一半,其发展速度甚至超过了计算机芯片性能每18个月翻一番的摩尔定律。短短的30多年间,光纤通信技术已经历了五代的演变。
第一代(1973-1976年):以850nm波长的多模光纤通信系统为代表,奠定了光纤通信的基础。
第二代(70年代末、80年代初):多模和单模光纤通信系统的发展,进一步提升了通信质量和速度。
第三代(80年代中期):长波长单模光纤通信系统的出现,中继距离扩展至约50km,极大的提升了通信的距离。
第四代(90年代):同步数字体系光纤传输网络的应用,逐步优化了光纤通信的性能和稳定性。
第五代:基于光纤非线性压缩抵消光纤色散展宽的概念,通过光孤子实现光脉冲信号的保形传输,为未来光纤通信技术的发展打开了新的视野。
光纤行业的加快速度进行发展不仅是技术进步的体现,更是人类对无限可能的探索和追求。每一个技术的突破和创新,都为我们的生活带来了前所未有的便利和可能,也让我们更期待光纤通信技术未来的发展。
在近年来中国大规模的通信建设需求推动下,光纤光缆产业得到了飞速的发展,目前已形成了从光纤预制棒、光纤、光缆到光网络产品的完整产业链。中国不仅成为全世界主要的光纤光缆市场,而且慢慢的变成了全球最大的光纤光缆制造国。光纤光缆行业的发展壮大成为我国FT-TH、FTTA系统、三网融合以及大规模4G、5G建设的重要支撑。
至2021年上半年,我国的光纤接入(FTTH/O)端口总数已达9.2亿个,占所有宽带接入端口的93.5%。支持千兆光网接入的10G-PON及以上端口规模超过360万个,具备覆盖1.6亿户家庭的能力,覆盖范围约占全国家庭总数的三分之一。这显示了我国光纤接入能力的强劲,且正在向千兆以上速率升级。
光纤预制棒是制造光纤的关键原料。由于国家反倾销政策的支持以及通信基础设施建设的不断推进,我国光纤预制棒产业得到了持续发展。从2016年至2020年,光纤预制棒的产量翻了一番,从6019吨增至12000吨。
网络提速步伐加快,千兆宽带服务的推广不断推进。至2020年底,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数达4.84亿户,到2021年5月,用户总数进一步增至5.05亿户。工信部于2021年3月发布的《“双千兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年)》指出,到2021年底,千兆光纤网络将具备覆盖2亿户家庭的能力,万兆无源光网络(10G-PON)及以上端口规模将超过500万个,千兆宽带用户将突破1000万户。
图 2016-2021.1-5中国三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数
随着“宽带中国”和“互联网+”等战略的实施,尤其是光纤到户和5G的持续建设,我国光纤光缆市场在过去几年中得到了蓬勃发展,市场规模进一步扩大。2020年,中国塑料光纤的产量约为94万公里,较2019年增长了6.82%,产能利用率约为90.38%。
虽然过去几年,由于投资力度较大,光纤行业曾面临产能过剩的问题,但随着产能的去改革,光纤光缆行业逐渐走向健康发展。2018年,随着三大运营商4G建设基本进入尾声期,光纤用户渗透率达到93%,但国内光纤光缆需求大幅下滑,产业出现了严重的产能过剩问题。然而,根据工信部数据显示,2020年我国光缆产量为28877.7万芯千米,相比2018年增长了8.9%,显示出行业的逐步回暖和向好趋势。
中国光纤行业的产业链具备完整性和多元化特点,从上游的原材料提炼与制备,中游的光纤光缆制造,到下游的多方面应用,构建了一个高度协同的产值体系。
上游环节:光纤行业的上游主要包括四氯化硅、四氯化烙和光纤预制棒的制备,以及光纤光缆设备的研发与制造。在所有上游环节中,光纤预制棒的质量尤为重要,其材质主要为高纯度石英玻璃,其纯度、质量和技术工艺精密度直接影响到光纤的传输质量,如抗拉强度、有效折射率和衰减等指标。
中游环节:中游是光纤光缆的加工和制造环节。经过精密的工艺流程,光纤预制棒被拉伸成光纤,再通过一系列的加工工艺被制成光缆。光缆的质量和性能直接影响到光纤通信的稳定性和传输效率,是整个产业链中的重要一环。
下游环节:下游主要包括5G通信、智慧交通、海底光缆及其他多方面的应用。其中,5G通信是近年来最重要的市场驱动力。随着4G通信建设的基本完成和5G通信的推进,运营商对光纤光缆的需求持续增加,直接拉动了上游光纤光缆产业的繁荣。光纤光缆也在海底通信、军工国防等领域找到了广泛应用,展现了其强大的市场潜力。
利润分配情况:从光棒、光纤到光缆的利润分配大致为7:2:1,显示出光棒环节是产业链上最为核心和盈利的部分。
市场招标与采购:以中国移动的光缆集采为例,近三年来,采购规模不断上升,显示出市场对光纤光缆的强烈需求。同时,中标厂商的成交价格也呈现上升趋势,反映了市场对高质量光纤光缆的认可和需求增加。
近年来,随着科技的进步,光纤技术在中国得到了迅速的普及和应用。其商业模式的多元化和创新,使得光纤行业在中国的市场前景广泛。
(1)光纤网络与智慧家庭的融合伴随家庭信息化的发展,如家庭组网、家庭控制和智能安防等应用逐渐兴起。中国的三大运营商已经开始深度布局以融合经营为基础的智慧家庭固网业务。光纤技术满足了这种信息化升级的需求,为客户提供了从传统固网通信到智慧生活的转变。数据显示,随着智慧家庭宽带用户数的增加,用户对于宽带速度的需求也在持续增长。这为光纤行业提供了巨大的市场潜力和扩展空间。
(2)光纤到户(FTTH)光纤到户技术使得光纤直接通至用户家中,其优势在于频带宽、传输量大、损耗小、误码率低及强抗干扰能力。与传统的有线网络相比,FTTH提供了更为高效、稳定和高速的网络体验。尤其是其一纤三波长的通道处理方式,为用户提供了语音、数据以及有线电视的综合服务,而这一切都基于光纤的传输介质。
(3)三网融合在家庭有线电视的应用中,光纤技术为电力和电视业务的融合提供了可能性。通过与有线电视的合作,电力客户可以更为直观、快捷地查询电量电费、缴纳电费以及进行客户档案管理。而光纤到户的技术使得电力业务系统可以安全、高效地与有线电视平台进行整合,为家庭用户提供更为便捷的服务。
随着1958年亚瑟肖洛与查尔斯汤斯揭示激光器工作原理之后,1960年第一台红宝石激光器研制成功。接着,1970年第一个能在室温下连续工作的AlGaAs半导体激光器研制成功,并在1977年实现半导体激光器在实用环境中可连续工作几万小时以上。至此,激光器已具备应用于商用光纤通信的前提。
诺贝尔物理学奖获得者高锟博士提出的用于通信的光纤满足了激光通信技术对波导的需求。他提出,玻璃光纤的瑞利散射损耗可以非常低(低于20 dB/km),而光纤中的功率损耗主要来源于玻璃材料中的杂质对光的吸收,因此材料提纯是减小光纤损耗的关键,此外还指出单模传输对保持好的通信性能很重要。
1970年,康宁玻璃公司根据高锟博士的提纯建议研制出了损耗约为20 dB/km的石英系多模光纤,使光纤作为通信的传输媒介成为现实。之后经过不断研发,石英系光纤的损耗在1974年达到了1 dB/km,在1979年进一步达到了0.2 dB/km,逼近了石英系光纤的理论损耗极限。至此,光纤通信的条件已完全满足。
早期的光纤通信系统均采用直接检测的接收方式。这是一种较简单的光纤通信方式,PD是一种平方律的检波器,只有光信号的强度可以被探测到。
这种直接检测的接收方式从20世纪70年代的第一代光纤通信技术一直延续到了20世纪90年代初期,而对应具体的技术指标也由工作在0.8 m的GaAs半导体激光器发射45 Mbit/s 信号无中继传输 10 km,提升至工作在1.5 m的半导体激光器发射2.5 Gbit/s信号无中继传输100 km。
进入20世纪90年代以来,光纤通信技术中的相干检测技术逐渐成为研究热点。初期的相干检测,这也是第一代的相干检测系统。通过使用相干检测,可实现最优探测灵敏度(受限于散弹噪声极限),另外,这也可以通过使用一个大功率的本振来实现。
通过引入相干检测技术,接收机的灵敏度得到了极大提升。在早期的相干检测中主要采用外差(Heterodyne)探测和零差(Homodyne)探测,其中外差检测指信号载波与本地载波的频率差值为中频,而零差探测指信号载波与本地载波频率完全相同、相位差固定。
目前,上述技术产品在商业领域中的应用现状为中国电信集团有限公司和华为技术有限公司已实现了50 G波道间隔、单路200 Gbit/s的偏振复用16 QAM信号,通过概率星座图整形和奈奎斯特整形实现了1142 km传输(实验室可实现1920 km传输),单纤总容量为16 Tbit/s。
当前,新一轮科技革命和产业变革在全球深入发展,特别是新冠肺炎疫情发生后,在线教育、远程医疗、远程办公等应用快速发展,各领域对网络的依赖不断增强,夯实网络基础设施成为各国共识。以5G、千兆光网为代表的“双千兆”网络是制造强国和网络强国建设不可或缺的“两翼”和“双轮”,是新型基础设施的重要组成和承载底座,在拉动有效投资、促进信息消费和助力制造业数字化转型等方面发挥着重要的作用。
党中央、国务院高度重视5G和千兆光网建设发展。十九届五中全会提出,“系统布局新型基础设施,加快第五代移动通信、工业互联网、大数据中心等建设”。2021年《政府工作报告》明确要求,“加大5G网络和千兆光网建设力度,丰富应用场景”。
在2021年3月25日,工信部发布了《“双千兆”协同发展行动计划(2021-2023年)》指出到未来三年是5G和千兆光网发展的关键期。作为信息通信最为关键的环节,光纤光缆的重要程度毋庸置疑。经过多年的高速增长,我国已经成为光纤光缆业的世界工厂,是世界光纤光缆产品的制造大国和出口大国。光纤光缆作为“宽带中国”的重要的基石,相关光纤光缆企业将从万亿投资中获益。我国光纤行业将迎来新一轮发展契机。
随着信息技术的日益发展和社会对于高速、高效通信的不断需求,中国光纤行业迎来了前所未有的发展机遇。
5G建设的推动:5G技术的推广应用为光纤行业的发展提供了强劲的驱动力。与前代通信技术相比,5G具有更高的带宽和更低的时延,需求对光纤光缆的需求呈现爆发式增长。5G的前传网络架构将大量应用网络虚拟化、无线云化以及移动边缘计算等先进技术,以满足日益增长的传输需求,这无疑为光纤光缆市场带来了巨大的增量空间。
光纤到户(FTTx)的推动:光纤到户是固网宽带的重要基础,也是推动光纤行业发展的重要因素。虽然中国的FTTx建设已取得显著进展,但在老旧城区和一些地区,FTTx的铺设和开通仍有较大的空间。中国移动等运营商将继续加大FTTx的投入,以填补固网建设的短板,进一步推动光纤光缆的需求增长。
数据中心建设的推动:随着移动互联网和大数据的飞速发展,数据中心建设成为了亟需解决的问题。数据中心对网络传输速度和带宽有着极高的要求,这也直接推动了对光通信设备和光纤光缆的需求。众多企业和云服务提供商正加速推进新一轮的数据中心建设,为光纤行业带来了新的增长点。
智慧城市建设的推动:智慧城市的构建离不开高速、高效的通信网络,而光纤网络则是实现这一目标的重要基础。当前,全国范围内的“雪亮工程”及数字孪生城市等项目的推进,已明显带动了光纤光缆的需求。在未来,随着更多城市向智慧城市的目标迈进,光纤网络的建设和升级将持续推动光纤行业的发展。
随着全球信息通信技术的快速发展,光纤行业成为现代社会不可或缺的基础设施之一。中国作为世界上最大的光纤生产和消费国,其光纤行业的发展受到了多方面的风险影响。
技术风险:光纤行业是一个技术密集型行业。随着技术的不断更新,企业需要持续投入大量资金进行技术研发,以保持在行业内的竞争力。如果企业无法跟上技术的更新速度,可能会面临市场份额的丧失和企业声誉的损害。
市场竞争风险:中国光纤行业的市场竞争激烈,众多企业在市场中争夺优势。过度的市场竞争可能导致产品价格的下降,从而影响企业的利润空间和长期发展。
原材料价格波动风险:光纤生产的原材料价格波动可能会对企业的成本控制造成困难,导致企业利润的不稳定。企业需要通过多元化采购、签订长期供货合同等方式,以降低原材料价格波动的影响。
政策风险:光纤行业的发展受到政府政策的影响较大。政府对通信基础设施建设的支持程度、对外贸易政策的调整等,都可能会对光纤行业的发展产生重要影响。
国际贸易风险:中国的光纤产品大量出口至海外市场,因此国际贸易环境的变化可能会对光纤企业的出口业务造成影响。例如,贸易壁垒的设置、汇率波动等,都可能会影响中国光纤企业的国际市场竞争力。
投资过热风险:光纤行业近年来得到了广泛的关注和投资,但过度的投资可能会导致产能过剩和资源的浪费。企业和投资者需要对市场的发展前景有清晰的认识,避免盲目投资和产能过剩的风险。
环境风险:光纤生产过程中可能会产生一定的环境污染,企业需要投入资金进行环保设施的建设和维护,以确保符合环保要求,避免因环保问题而导致的生产中断和罚款风险。
中国光纤光缆企业主要分为三个梯队;第一梯队是注册资本在30亿元以上的企业,主要中天科技;第二梯队是注册资本在10-30亿元之间的企业,主要为亨通光电、烽火通信、富通集团。第三梯队是注册资本在10亿元以下的企业,主要为长飞光纤、汉信光电、特发信息。从企业分布来看,湖北、江苏、浙江和广东四省为我国主要的光纤光缆企业集聚地。
在2020年12月16日,中国通信学会光通信委员会公布了《2020年全球/中国光通信最具竞争力企业10强》;我国有4家进入了榜单,分别是长飞光纤、亨通光电、富通集团和烽火通信,市场份额分别达到了9%、8%、7%、6%。
随着信息通信技术的不断进步,光纤行业成为连接现代社会的重要纽带。中国作为全球最大的光纤市场,其光纤行业的竞争格局异常激烈。本文试图通过波特五力模型,分析中国光纤行业的竞争环境。
行业竞争者的竞争关系:中国光纤行业的竞争者众多,包括长飞光纤、亨通光电、富通集团等多家知名企业。这些企业之间的竞争关系激烈,主要体现在价格竞争、技术创新和市场份额争夺等方面。由于市场进入门槛较高,现有的企业需要不断地进行技术创新和品质提升以保持竞争优势。
供应商的议价能力:光纤行业的主要原材料如石英玻璃、塑料和金属,供应商较为集中,但由于原材料种类较为通用,所以供应商的议价能力相对较弱。企业通过多渠道、多供应商的采购策略,能够有效降低采购成本。
买方的议价能力:中国光纤行业的主要买方包括电信运营商、政府和大型企业。由于买方规模大、采购量大,买方具有一定的议价能力。同时,买方对光纤产品的质量和性能要求较高,对企业形成一定的压力。
潜在的进入壁垒:光纤行业的进入壁垒较高,主要表现在技术门槛、资金投入和市场认知等方面。新进入者需要投入大量资金进行设备购买、技术研发和市场推广,而且需要一定时间获得市场和客户的认可。
替代品的威胁:光纤作为高速、大容量的通信传输介质,目前还没有能够完全替代其功能的产品。尽管无线通信技术不断发展,但由于其传输速率和稳定性等方面的限制,还不能完全替代光纤的应用。
中国光纤行业的竞争环境受多方面因素影响,企业需要不断地进行技术创新、提高产品质量和服务水平以应对来自行业竞争者、供应商、买方、潜在进入者和替代品的竞争压力。同时,政府的政策支持和市场的发展趋势,也会对光纤行业的竞争环境产生重要影响。在全球信息通信技术飞速发展的背景下,中国光纤行业的企业需要把握机遇、应对挑战,以保持和提升其在全球光纤市场的竞争力。
长飞光纤:长飞光纤是国际知名的光纤预制棒、光纤及光缆供货商,其产品及解决方案广泛应用于全球的通信行业及其他领域,包括公用事业、运输、石油化工及医疗等。公司不仅在国内获得了多项授权专利,还在国际上得到了认可,成为了光纤光缆制备技术国家重点实验室的依托单位以及国际电联ITU-T和国际电工IEC标准制定的重要成员。
亨通光电:亨通光电是一家业务涵盖光纤光网、智能电网、大数据物联网、新能源新材料等领域的国家创新型企业。公司在光纤通信、超高压海缆、硅光子及新能源材料等领域实现了自主可控,打破了国外的技术垄断,成为了国家技术创新示范企业和国家两化融合示范企业。
富通集团:富通集团是一家综合性的通信信息产业领军企业,主要产品包括光纤预制棒、光纤、光缆、金属线缆等。富通集团是国内唯一掌握全合成光纤预制棒技术并实现规模化生产的企业,其光纤预制棒产业化新技术项目被列入国家“863”计划。
中兴通讯:中兴通讯是全球领先的综合通信信息解决方案提供商,为全球电信运营商、政企客户和消费者提供创新的技术与产品解决方案。中兴通讯在5G无线、核心网、承载、接入、芯片等核心领域保持持续的研发投入,成为全世界5G技术研究和标准制定的主要参与者和贡献者。
传音控股:传音控股致力于成为新兴市场消费者最喜爱的智能终端产品和移动互联服务提供商。虽然主要以手机为核心,但传音控股的多品牌智能终端为用户更好的提供了丰富的移动互联网服务,是科技企业出海的代表和“一带一路”倡议的坚定践行者。
亿联网络:亿联网络是一家面向全球的企业通信上市公司,提供国际品质、技术领先、体验友好的云+端视频会议、IP语音通信及协作解决方案。亿联网络坚持自主创新,拥有多项音视频核心技术专利,其自主品牌Yealink的产品畅销全球多个国家和地区。
这些企业代表了中国光纤行业的创新能力和市场实力,为国内外的通信网络建设和发展提供了重要的技术和产品支持,展现了中国光纤行业在全球通信领域的重要地位。
思科(Cisco Systems, Inc.):思科是全球网络技术的领导者,自1984年成立以来,一直致力于推动互联网技术的发展。思科的网络技术成为商业、教育、政府和家庭通信的基础。通过创新的网络解决方案,思科为全球的光纤通信网络提供了强有力的支持。
高通(Qualcomm Incorporated):自1985年创立以来,高通致力于移动通信技术的研发,通过其“发明-分享-协作”的商业模式为移动通信产业开创了新可能。高通的技术创新和投资,对推动3G、4G及5G等无线通信技术的发展作出了重要贡献,也对光纤通信技术的进步产生了积极的影响。
爱立信(Ericsson):爱立信是全球最大的移动通讯设备商之一,其业务遍布全球180多个国家和地区。爱立信提供从2G到5G的全面无线通信网络解决方案,同时也为全球光纤通信网络的建设和发展提供了技术和设备支持。
诺基亚(Nokia Corporation):诺基亚从最初的伐木、造纸业务发展成为全球知名的通信设备制造商。虽然诺基亚在智能手机市场的地位受挑战,但其在通信基础设施和网络技术方面仍具有强大的竞争力。诺基亚的网络解决方案和技术创新对全球光纤通信网络的发展也贡献颇多。
这些企业通过不断的技术创新、市场拓展和战略合作,共同推动了全球光纤行业的进步,为社会和经济的发展提供了重要的基础设施支持。在未来,随着数字化和5G通信技术的不断发展,全球光纤行业的重要参与企业将继续在技术创新和市场合作方面发挥积极的作用。
中国光纤行业的未来发展充满了潜力和期待。以下几方面将成为推动该行业发展的关键因素:
全面部署千兆光纤网络,持续推进骨干网演进:为满足日渐增长的数据传输需求,中国将继续扩大千兆光纤网络覆盖范围,特别是在城市和重点乡镇地区。预计到2025年,10G-PON及以上端口数量将从2020年的320万个增至1200万个。此外,随着千兆宽带应用试点示范的推进,新业务如云化虚拟现实(Cloud VR)和超高清视频将得到发展,促使用户向千兆速率宽带升级。同时,骨干网络的承载能力也将得到提升,通过部署200G/400G超大容量光传输系统,以提高网络传输能力,满足高速率光传输系统的需求。
光纤性能的不断完善:石英光纤已经接近其理论发展极限,现在的研究开始探索使用新材料如卤化物玻璃纤维、氟化物和重金属氧化物来制作光纤。这些新材料的应用可能会为网际通信带来重要的价值,为光纤通信技术的进一步发展提供新的方向。
扩大光纤通信的容量:随技术的不断进步,未来的光纤通信技术将能够在同一光纤上同时传输多个波长不同的光信号,从而有效增加光纤的传输容量和使用效率。
新的光纤接入及技术的研究:随着IP和通信业务的不断增长,用户对多媒体业务的需求也在不断增加。通过研究新的光纤接入技术,可以为未来互联网如何实现多种业务的高效接入提供解决方案。
以上展望基于千际投行对中国光纤行业的发展的新趋势和技术进步的理解,预示着一个技术创新和市场需求不断增长的未来,同时也展现了中国在全球光纤通信领域的竞争力和影响力。
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