一、测试环节从模块向芯片前端延伸
光通信测试过去主要针对封装好的光模块进行整体检测。目前,测试正在向更早期的环节延伸,包括光芯片的载体(CoC)、裸芯片(KGD)和晶圆。这是因为光芯片在制造过程中会产生一些微观缺陷,这些缺陷在高温、高湿环境下会加速老化。如果在组装成昂贵的1.6T光模块之后才发现芯片有问题,报废成本非常高。因此,在芯片封装前就进行老化测试和性能筛选,是保证光模块长期可靠运行的必要手段。
目前光通信测试设备分为三大类:通信测试仪器(如采样示波器、误码分析仪)、光电子器件测试设备(如CoC老化系统、KGD分选机、硅光晶圆测试系统),以及电性能测试仪器(如精密源表)。
在光模块的生产线上,测试分为发射端和接收端两部分。发射端测试使用采样示波器、时钟恢复单元和波长计,测量光信号的眼图质量,包括噪声、抖动、消光比等。接收端测试使用误码分析仪,通过对比发送和接收的数据来判断信号有没有出错。当光模块速率提高到800G甚至1.6T时,系统设计几乎没有冗余,一点点信号失真或时序偏差都可能导致误码率飙升,所以对测试设备的精度和速度要求非常高。
二、采样示波器和时钟恢复单元的作用
采样示波器是高速信号测试中最常用的仪器。它的原理是:对周期性的高速信号进行多次重复采样,然后把这些采样点拼成一个完整的波形,这个波形叠加起来就像一只眼睛,所以叫眼图。工程师通过看眼图的张开程度,就能判断信号质量好坏。采样示波器的关键指标是通道带宽。带宽越高,能测量的信号速率就越高。在800G和1.6T光模块测试中,至少需要65GHz带宽的示波器。联讯仪器已经推出了65GHz采样示波器,能满足1.6T测试需求。
采样示波器通常要搭配时钟恢复单元一起用。时钟恢复单元的作用是从杂乱的数据信号中提取出干净的时钟信号,给示波器提供一个稳定的触发基准。它的核心指标是最高恢复速率,也就是能处理多高频率的信号。联讯仪器的时钟恢复单元支持120GBaud,与是德科技的最高水平持平。
三、误码分析仪和快速波长计的用途
误码分析仪是用来测试光模块接收端性能的。它按照特定协议标准产生测试信号,发送给光模块,然后接收光模块返回的信号,逐位比对,统计有多少个比特传错了。这就是误码率。误码分析仪的核心指标是单通道最高传输速率。联讯仪器的产品支持113.44GBaud,是德科技的是120GBaud,差距不大。
在光纤到户(PON)网络中,用户端设备不是一直发数据,而是只在需要的时候发一段,这叫突发模式。测试这种模式下的信号质量,要用专门的突发误码分析仪。联讯仪器的突发误码分析仪支持51.56GBaud,安立的产品支持64GBaud。
快速波长计用来测量激光器发出的光波长是多少纳米。在光模块生产和校准中,需要精确知道波长,否则不同波长的光信号会互相干扰。快速波长计的核心指标是测量精度,精度越高越好。联讯仪器的FWM8612覆盖1250nm到1650nm,精度0.5pm(皮米)。德国HighFinesse的产品精度更高,约0.064pm,但联讯仪器的精度对于绝大多数光模块测试已经足够用了。
四、芯片级测试:CoC老化、KGD分选和精密源表
CoC是指把裸芯片直接贴装在一个小型基板上,做成一个可以测试的单元。CoC老化测试系统就是把这些单元放在高温环境下,通上电流,加速芯片老化,提前把那些会早期失效的芯片筛选出来。联讯仪器的CoC老化系统可以同时测试4224颗芯片,温度均匀性控制在±2℃以内,和行业最好水平相当。
KGD分选测试是在晶圆切割成裸芯片之后、封装之前,对每一颗裸芯片进行光电性能测试。因为光芯片是侧面发光,排列又很密,很难在晶圆上直接测试,所以要在切割后一颗一颗测。联讯仪器的KGD分选系统集成了上料、搬运、对准、测试、分拣等功能,激光器裸芯片每小时能测650颗,功率裸芯片每小时能测4000颗。针痕不良率低于0.02%,掉料率低于0.03%。
精密源表是一种既能输出电压电流,又能同时测量电压电流的仪器。它的难点在于要能输出和测量非常微弱的信号。精密源表的核心指标是最小电流分辨率,数值越小,精度越高。联讯仪器的精密源表最小电流分辨率0.1fA(飞安),泰克的产品是10aA(阿安),1aA等于0.01fA。为了抑制测试回路中的漏电流,还会用到低漏电开关矩阵,这在半导体晶圆测试中很重要。
五、硅光晶圆测试系统
硅光芯片是在硅材料上集成激光器、调制器、探测器等光学器件,用和制造普通芯片类似的工艺来生产光器件。这样做的好处是成本低、能耗低。但是硅光芯片的测试必须在晶圆阶段就完成,因为一旦切割封装后,很多内部节点就接触不到了。硅光晶圆测试系统需要把光信号精确地耦合到芯片上,测量电光转换效率、调制质量、接收灵敏度等参数。联讯仪器的sCT900X系列采用模块化设计,由测试主机、耦合模组、探针台、自动上下料机组成。光耦合速度小于1.5秒,行业领先水平小于1秒。
六、市场规模和国产化现状
数据中心已经是光模块最大的应用市场,占比超过60%。以前光模块大约3到4年更新一代,2023年以后在AI推动下,缩短到2年左右。目前800G光模块是数据中心主流,1.6T已经进入商业化阶段。Lightcounting预测,2026年全球数通光模块市场规模228亿美元,2030年达到414亿美元。其中800G和1.6T光模块2026年合计146亿美元,占64%。
受光模块需求拉动,光通信测试仪器市场规模也在同步扩大。Frost&Sullivan数据显示,2024年全球光通信测试仪器市场9.5亿美元,2029年预计20.2亿美元,年增长约16.3%。中国2024年33亿元,2029年预计65.9亿元,年增长约14.8%。在光模块生产线上,测试设备投入占总设备投入的40%到50%,而且速率越高占比越大。
竞争格局方面,中国光通信测试仪器市场仍然被海外公司主导。2024年国产化率约36.5%,本土企业市场份额约16%。联讯仪器是前五名中唯一一家中国公司,份额约9.9%。是德科技、安立等海外企业占了84%,在高速测试、芯片级测试、硅光测试等高端领域优势明显。联讯仪器已经能批量供货400G、800G、1.6T光模块的核心测试仪器,包括65GHz采样示波器、120GBaud时钟恢复单元、1.6Tbps误码分析仪。客户包括中际旭创、新易盛、光迅科技、华工正源以及Lumentum、Broadcom等国内外主流光通信企业。
七、产业链机会和思路
AI算力投资持续增长,光模块向更高速率迭代,测试设备需求将同步增加。测试环节从模块向芯片和晶圆前移,对设备厂商的技术要求越来越高。具备高速测试仪器量产能力的本土企业,有望在这一轮升级中获得成长机会。
国内光模块龙头如中际旭创、新易盛、华工科技在全球市场占有重要份额,它们的扩产计划会直接拉动上游测试设备的采购。同时,硅光技术和CPO(共封装光学)的推进,会增加对晶圆级测试和芯片级测试的需求。
综合来看,光通信测试设备行业正面临技术升级和国产替代的双重机遇。在高速采样示波器、误码分析仪、硅光晶圆测试系统等高端领域,本土企业与国际龙头的性能差距在缩小,部分产品已实现量产供货。随着下游需求增长和国产化率提升,该领域有望出现具备国际竞争力的本土企业。
八、相关公司汇总
1. 光测试设备:联讯仪器、罗博特科、博众精工、安达智能。
2. AI处理器:海光信息、寒武纪、壁仞科技、沐曦股份、天数智芯、芯原股份、龙芯中科、中国长城(飞腾信息)。
3. 超节点OEM:浪潮信息、工业富联、中科曙光、华勤技术、紫光股份、联想集团、软通动力、烽火通信、中国软件国际。
4. 服务器组件:
散热:曙光数创、英维克、飞荣达、申菱环境、高澜股份、同方股份。
存储:兆易创新、佰维存储、东芯股份、江波龙、德明利、朗科科技。
网络:中际旭创、新易盛、天孚通信、华工科技、中兴通讯、锐捷网络、盛科通信。
电源:麦格米特、欧陆通、中国长城。
连接:澜起科技、华丰科技、鼎通科技、沃尔核材。
PCB:沪电股份、胜宏科技。
5. 算力租赁或云计算:协创数据、宏景科技、利通电子、网宿科技、金山云、智微智能、首都在线、优刻得。
6. 数据中心:云赛智联、世纪互联、大位科技、润泽科技、光环新网、奥飞数据、数据港。
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