特种光纤深度：始于通信，立足传感，赋能AI与低空经济

光纤通常被认为是通信材料中的“大宗材料”，而受供需周期影响。但实际上，光纤也是应用最广泛的“无源器件”，随着AI算力、卫星通信、低空经济的兴起，光纤中的子品类——特种光纤的需求逐步增加，形成新的投资机会。

光纤自被发明以来，已经深刻改变了通信行业。数十年来，光纤网络承载了人类社会的电话、电视和电信互联网，当下，AI拉动超算需求，其通信设备性能决定了整套系统的IO能力；电信领域的“光进铜退”已是大势所趋，光纤已经渗透到用户的桌面设备。微观来看，在这一过程中，普通光纤难以满足一些特殊用途，诸多特种光纤应运而生。由于特种光纤类别繁多，我们主要讨论重要的光纤传感、光纤放大器和CPO交换机几大场景。

光纤陀螺仪：惯导服务于低空经济与卫星通信。1976年，犹他大学的Vali和Shorthill提出使用单模光纤制成光纤环，高精度、低成本的光纤陀螺仪正式诞生，取代传统的机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。后人依据Vali的理念，发展了保偏光纤、宽带波长稳定光源等光学器件，逐步改善光纤陀螺仪的性能。当今，低空经济、机器人概念兴起，基于光纤陀螺仪或MEMS陀螺仪的惯性导航已作为卫星导航的补充，成为无人驾驶工具的核心控制设备。

掺铒光纤放大器：带动光波分复用大步迈进，光传输网进入多路传输时代。在模拟通信转向数字通信的时期，“电子瓶颈”凸显（最大速率被物理限制在40Gbps），而光纤可以同时传输多路波长不同的光信号，波分复用应运而生；而稀土掺杂光纤的发明使得掺铒光纤放大器诞生，其与密集波分复用技术相结合，组成大容量长距离的光传输网。

CPO：高集成度与热隔离之矛盾。CPO因其优秀的能耗管理，被博通、思科、英特尔等厂商广为推崇，但激光器发热从而影响交换芯片的问题暂时无法避免，因此，目前相关厂商的CPO产品多为外部激光源方案，这种方案需要外部光源发射信号时保持激光偏振态，因此需要保偏光纤连接光源和交换芯片。激光源发热短期难以解决，我们看好CPO内部保偏光纤的强需求。

空芯光纤：极大降低延迟、提升带宽，迎接AI超算挑战。今年2月，Lyntia、诺基亚、古河和Interxio联合实验空芯光纤，其相对单模光纤延迟降低30%以上，光传输速度提升近46%，且极大降低非线性效应，现场demo800Gbps和1.2Tbps，具有突破香农极限容量的潜力。若空芯光纤成功商用，可以进一步提升AI超算通信网络的带宽并降低延迟瓶颈，将资本开支倾斜至网络设备的性价比，有望进一步凸显。

投资建议：特种光纤属于量小价高的器件品种，与普通光纤的标准化程度高、易于批量制造不同，特种光纤厂商需掌握从原材料、工艺设计到生产制造的一条龙know-how，壁垒较高。我们建议重点关注经历过光纤光缆产业完整周期的龙头企业，如长飞光纤、亨通光电、中天科技、烽火通信等；同时关注业内专注于特种光纤应用的黑马企业，如太辰光、长盈通等。国外厂商，建议关注康宁、古河电工、藤仓等龙头企业。

风险提示：AI发展不及预期，低空经济发展不及预期，技术迭代风险。

1.  特种光纤——材料、工艺、应用场景

均不同的光纤

特种光纤可以定义为不符合单模和多模通信光纤标准的光纤。单模光纤广泛采用国际电信联盟（ITU）标准，也就是电信运营商集采时常出现的G.652型号；对于多模光纤，国际常用美国电信工业协会的光纤技术联盟（TIAFOTC）标准。这类标准化的单模/多模光纤用于传输特定波长的调制光信号，针对低损耗和模态特性进行了优化。而我们讲的特种光纤，要对信号传输以外的应用进行专门优化，例如，放大器、传感器、激光器、滤波器、环形谐振器等。为满足不同的应用场景，有数百种不同的特种光纤类型，在玻璃成分、纤芯等参数上有诸多针对性的定制、优化。具体来讲，特种光纤的“特种”主要体现在以下几个方面：

·  纤芯掺杂其它元素，如掺铒光纤放大器；

·  双折射特殊结构，如保偏光纤；

·  多包层，如光纤激光器、功率放大器；

·  耐辐射性，如太空通信激光系统；

·  特殊的折射率以控制波导特性，如激光功率传输系统。

详解光纤结构来看，单模/多模/保偏光纤的横截面最为特殊。通俗来讲，单模意味着光纤能够一次传播一种光的模长。而多模意味着光纤可以同时传播多种光模长。单模光纤的典型纤芯直径为9微米，而多模光纤通常为50或62.5微米，大纤径意味着更高的“聚光”能力，但相应地，由于光波会在多模光纤内由于折射而途径更长距离的介质，因此多模光纤的衰减比大于单模光纤，造成传输距离较短。多模光纤典型的工作波长为850nm和1310nm，单模光纤的典型波长为1310nm和1550nm。

保偏光纤是一种特种光纤，用于维持光传输的偏振态。常规光纤在生产过程中，会受到外力作用等原因，使光纤粗细不均匀或弯曲等，就会使其产生双折射现象。当光纤受到任何外部干扰，例如波长、弯曲度、温度等的影响因素时，光的偏振态在常规光纤中传输时就会变得杂乱无章，在最坏的情况下，光探测器将无法区分数字“1和0”或模拟波形。保偏光纤的应用则是可以解决这一偏振态变化的问题，通过特殊设计纤芯的结构，产生更强烈的双折射，来消除应力对入射光偏振态的影响。

保偏光纤结构较为特殊，在制造时，通过内置不同热膨胀系数的“应力部件”（Stress-applying parts，SAP），在光纤拉制时，SAP收缩率较高，就会产生永久的应力区域，如下图1、2、3黑影部分所示。椭圆芯光纤应用了形状双折射原理，而非掺杂SAP。熊猫和领结型目前使用最为广泛。

特种光纤属于精品市场，量小价高，市场规模不容小觑。以2020年为例，全球通信光纤安装量超过4.5亿公里，其中90%以上是G.652.D标准单模光纤，其余是多模光纤、抗弯曲光纤、低色散光纤。Fiber Optic Center预计，全球特种光纤的总需求量约每年100万芯公里，不到通信光纤需求的0.5%，其中又以保偏光纤为主。但从价格来看，如前文所言，特种光纤工艺复杂，G.652.D每公里10美元左右，而稀土掺杂光纤价格可达到每公里5万美元。因此，从产值规模看，特种光纤难以忽视。从供应端角度，掌握特种光纤制备工艺的企业少之又少，以海外企业为主，因此，我国头部光纤厂商的国产替代市场相当广阔。我们引用Statista的数据，2025年全球特种光纤市场规模预计达到421亿美元，8年CAGR达到17.9%。

2. 特种光纤：一种特殊的光学“无源器件”

2.1 特种光纤的首次亮相——光纤陀螺仪

特种光纤的首次亮相，可以追溯到冷战时期的军工领域。1976年，犹他大学的Vali和Shorthill提出使用单模光纤制成光纤环，高精度、低成本的光纤陀螺仪正式诞生，取代传统的机械陀螺仪和环形激光陀螺仪。后人依据Vali的理念，进一步发展了保偏光纤、宽带波长稳定光源等光学器件，逐步改善光纤陀螺仪的性能。

光纤陀螺仪本身在测量旋转和加速度变量方面具有性能优势，军工领域中，采用光纤陀螺构成的陀螺组件既可以测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角，引导导弹飞向目标，也可以测量飞行器的方位角速度和俯仰角速度，提供制导武器所需的初始数据。因此，光纤陀螺在制导武器以及与制导武器有密切关系的机载惯性导航系统中获得了广泛的应用。

与传统机械陀螺相比，光纤陀螺仪无运动部件和磨损部件，有体积小、重量轻、灵敏度和分辨率极高（可达10-7°/s)、可靠性高、寿命长、功耗低等优点。光纤陀螺仪应用了萨格纳克（Sagnac）效应来测试物体是否旋转及旋转速度，萨格纳克效应，就是利用闭路中的光的特性来估计方向的变化，两束光在光纤线圈中以相反的方向发送，当物体旋转时，逆着旋转行进的光束会经历比其他光束稍短的路径延迟，计算两个光束之间的相移差异，就可以计算物体的旋转速度。

按原理和发明先后时间来区分，光纤陀螺仪可分为干涉型光纤陀螺仪（IFOG）、谐振型光纤陀螺仪（RFOG）和布里渊型光纤陀螺仪（BFOG）。

IFOG的原理是，利用干涉测量技术把相位调制光转变为振幅调制光，把光相位的直接测量转化成光强度测量，这样就能比较简单地测出萨格纳克相位变化。IFOG的光纤环通常由单模光纤或者保偏光纤制作，由后者制作的光纤环可以提升光纤陀螺仪的性能，同时，提升光纤长度就可以增加陀螺仪的灵敏度。IFOG又分为开环式和闭环式，前者主要用作角速度传感器，线性度和动态范围都比较差，后者精密且复杂，主要用于中等精度的惯性导航系统。目前世界各国已经应用的产品大部分都是IFOG。

RFOG中，从激光器发出的光通过光纤耦合器C4和C1分作两路进入光纤谐振器，并形成传播方向相反的两路谐振光。当谐振器旋转时，两束谐振光将出现频率差，通过测算频率差即可得出旋转角速度。RFOG对光源的要求比较苛刻，但可以提供更高精度，且使用的光纤比较短（10m左右），成本也比较低。

BFOG用光纤环替代了传统的环形激光陀螺仪的激光谐振腔，用泵浦激光器耦合进人光纤线圈中，并产生增幅的布里渊散射，在光纤线圈中产生光学谐振，且结构简单、体积小、生产成本低，且具有更大的动态范围，不过BFOG尚处于实验室阶段。

光纤陀螺仪的诸多优势，使其成功“军转民”，现已在诸多领域得到广泛应用，并有逐步取代机电陀螺和激光陀螺仪的趋势，包括地质、石油勘探、汽车和机器人等领域。当今，低空经济、智能驾驶、机器人概念兴起，基于光纤陀螺仪或MEMS陀螺仪的惯性导航有望作为卫星导航的补充，成为无人驾驶工具控制系统的核心设备。在这一发展过程中，光纤陀螺仪和MEMS陀螺仪的竞争由来已久，有观点认为MEMS陀螺仪将逐步取代光纤陀螺仪。我们认为，MEMS陀螺仪胜在成本较低，且作为半导体，与其它半导体元器件更容易耦合，例如，当下的智能手机已经普遍使用MEMS陀螺仪。但是在航空、智能驾驶等领域，出于稳定性和精度考虑，光纤陀螺仪仍有相当可观的用武之地，有研究认为，在自动驾驶、农业机械导航领域，在卫星导航可以使用的情况下，高性能MEMS陀螺仪可以取代一些低端光纤陀螺仪，若卫星信号不良，MEMS的性能有可能较光纤陀螺仪低20-30%；MEMS的抗电磁干扰能力也较弱，不适用于复杂电磁环境下使用。总结来说，二者基本不存在完全替代的关系，MEMS和光纤陀螺仪有各自擅长的应用领域。

2.2 掺铒光纤：彻底改变地面和太空光传输网

稍晚于光纤陀螺仪，在光传输网中，特种光纤也在发挥价值。光纤传输网已经承载了人类的电话、电视和电信互联网服务，光纤毫无疑问是现代通信业极为重要的工业品。光纤的本质是为光的传输提供一个合适的传输介质，也正因此，由于光纤内部并非真空，所以光纤传输的距离受到光损耗的限制，在上世纪的光传输网中，大约每隔100公里，就需要一个“中继站”来接收光信号，并转换为电信号对其进行波形整形和重定时，然后再转换为光信号进行传输。同时，随着光纤通信系统传输容量的增大，需要速率极高的电子器件，同样是很难解决的问题。因此，这种“光-电-光”的信号放大模式，不可避免地存在功耗、成本问题。

掺铒光纤放大器（Erbium-dopedOpticalFiberAmplifer, EDFA）的问世引起光通信技术的一场革命，在以光纤为传输媒体的邮电通信、有线电视以及计算机网络的系统发挥着重要的作用。

简单来说，掺饵光纤放大器是利用在光纤中掺杂了稀土元素铒来实现光放大的。当用高能量的泵浦激光器激励掺铒光纤时，饵离子会发出频谱很宽的荧光带，这时光信号通过掺铒光纤时，荧光带的能量会转移到信号光上，使信号光得到增强和放大。

由于EDFA能同时放大多个波长或信号，而与信号的比特率无关，同时还具有高增益、高输出功率、低噪声、宽带宽、与偏振无关等优点，因此，EDFA在后来的波分复用（WDM）光传输网的推广中立下了汗马功劳。

将光通信带入卫星一直是全球产业链发展的重要方向。与传统的微波或者无线电通信相比，激光通信具有需要功率小，通信速率高，保密性好等特点，尤其是在卫星通信频谱资源日益拥挤的时代，无需专用频谱的卫星激光通信有望加速发展，但与之相对的是，星地之间的气象条件复杂，星地之间瞄准与捕获机制复杂等等痛点，一直制约了星地激光通信的发展。从目前来看，虽然全球各国都积极进行了相关实验卫星或实验项目的尝试，星地激光通信要成为主流仍然有较长的路要走。

当下，最有望实现规模化星座间激光通信系统的是Starlink的V1.5卫星，最早的三颗V1.5卫星于2021年6月发射，凭借星间激光通信，星链得以向诸如南极洲等信关站难以部署的地区提供稳定的卫星互联网服务。

EDFA助攻卫星间激光通信。与传统的地面光通信类似，卫星激光通信所用的设备也由光学部分和电学（通信）部分组成，与地面不同的是，卫星上由于两颗卫星之间相对位置高速变化，对于接受系统也提出了更高的要求。最早将EDFA搬上卫星的是日本下一代卫星通信系统NeLS，该系统率先引入WDM的思想，并进行了4波段WDM实验，初步展示了EDFA在星间激光通信中的应用前景。

下图是典型的卫星激光通信载荷架构。光学分系统由光学天线、中继光路及各收发光学支路构成，各部分紧密衔接，共同实现激光信号的高质量收发。跟瞄分系统由粗跟踪单元、精跟踪单元、提前量单元等构成，主要完成空间光信号的瞄准、捕获、跟踪，利用具备方位和俯仰功能的跟瞄转台，加上控制信号的计算与处理，实现需要通信的两颗卫星激光通信光学天线的精确对准，并保证双方互发的激光信号能通过光学分系统进入对方的通信分系统。通信分系统由激光载波单元、电光调制单元、光放大单元、光解调单元等构成，主要完成卫星激光通信系统光信号的调制/解调、光放大及信号处理等功能。

我国的光通信行业经过多年发展，在激光器、EDFA等组件上已经形成了较为成熟的产业链，卫星通信上的光学部分与通信部分与地面光通信有着较高的相似度，我国有望凭借在传统光通信行业上的深厚积累，快速追赶欧美先进水平，除了国产星座搭载激光通信载荷外，随着全球星间激光链路放量，国内光器件厂商也有望切入全球市场。

2.3 保偏光纤——CPO不可或缺的器件

CPO是一种全新的交换机架构，可以节省交换机功耗、扩展带宽，CPO与传统交换机的根本区别是，前者在靠近交换机ASIC的位置（通常是围绕一周）进行光电转换。CPO具有独特的封装结构，其中，硅光光模块与交换机ASIC安装在同一基板上。交换机ASIC工作时会产生大量热量，因此会影响到硅光光模块的工作环境温度。当下的化合物半导体激光器，很难在如此高的温度下保持可靠性。IBM&II-VI、Ranovus、英特尔等厂商尝试过激光器与交换机ASIC的共封装，更多厂商则是引入外部激光源（External laser source，ELS），将其放置在环境温度较低的交换机前面板。ELS的功率通常较大，可以达到100mW以上。

对于硅光激光器和接收器来说，若使用常规的单模光纤，通道滤波器的性能会随着单模光纤输入光的偏振而变化。使用保偏光纤，可以维持的偏振状态，工程上叫做维持偏振消光比（Polarization extinction ratio，PER）。

同时，由于CPO内部空间宝贵，因此有必要提升单个光缆的光纤芯数，光纤阵列单元（Fiber array unit，FAU）也是极为重要的光连接组件，FAU通过将波导与正确的光纤对齐来跨接口传输光。CPO内部对公差控制要求极高，即使是几分之一微米的横向错位也会导致明显的光功率损失。要实现极低的耦合损耗，需要严格的位置公差和具有良好居中纤芯的光纤。

2.4 空芯光纤——超高速光传输黑马

传统的玻芯光纤，玻璃作为光纤纤芯材质，光信号在玻璃材质光纤中传输可能会变形、减弱或者变慢，这就限制了传输性能（如距离、时延）的进一步提升。而空芯光纤则是以空气为传输介质，替代玻芯。空芯光纤的包层基于微结构设计，通常是由一系列微小空气孔构成，这些空气孔沿着光纤轴向排列，形成特定的周期性结构。

传统光纤基于光的全反射原理实现光在玻芯中传输，而空芯光纤的芯是空气，由于空气的折射率小于包层介质的折射率，不满足全反射的条件，所以要在空芯中传输光就需要采用特殊设计的包层结构。以空心光子晶体光纤为例，它的包层由一系列微小的空气孔构成，具有精确设定的孔径大小、孔间距和周期，纤芯则为空气。当光入射到纤芯和包层界面上时，会受到包层中周期排列的空气孔的强烈散射。这种多重散射产生相干，使得满足特定波长和入射角的光波能够回到芯层中继续传播。

今年2月，Lyntia、诺基亚、古河和Interxio联合实验空芯光纤，其相对单模光纤延迟降低30%以上，光传输速度提升近46%，且极大降低非线性效应，现场demo800G和1.2T，具有突破香农极限容量的潜力。若空芯光纤成功商用，可以进一步提升AI超算通信网络的带宽并降低延迟瓶颈，将资本开支倾斜至网络设备的性价比，有望进一步凸显。

3.特种光纤供需格局与制备工艺

我国特种光纤产业起步较晚，目前在个别细分领域接近国际先进水平，但整体距离全球先进水平还有一定差距。特种光纤作为上游，会影响下游光纤放大器、激光器、光纤传感器等多个环节，进而影响通信、军工等多个领域的发展。因此，率先实现技术突破的本土特种光纤厂商，能够在我国特种光纤行业获得更多话语权。

需求格局方面，2021年后，特种光纤市场迎来高速增长，在航天、轨道交通、能源、医疗等行业领域需求的持续推动下，2025年全球特种光纤市场规模预计达到421亿美元，8年CAGR达到17.9%。在细分市场中，有源光纤占比约30%-35%，传能光纤占比约25%-30%，保偏光纤占比约20%-25%。

供应格局方面，在光纤陀螺仪用保偏光纤方面，因国际禁运（美国2006年出台《对中华人民共和国出口和再出口管制政策的修改和澄清及新的授权合格最终用户制度》明确规定对含特种光纤在内的20类对华高科技产品的出口管制）和国内产品性能提升，国内市场已被国内厂商占据，通信器件用保偏光纤已实现小部分国产化，但大部分市场由国外厂商占据；抗辐射、耐高温、抗旋转、弯曲不敏感光纤等小品类，国产产品已占据了一定的市场份额，超高温领域国外厂商仍居于主导地位。长飞光纤于2003年左右启动了保偏光纤的项目，承担了国产自主保偏光纤的研发工作，2006年前后开发出保偏光纤，至2008年部分型号保偏光纤通过下游产品验证定型。

特种光纤制备工艺较常规光纤更加复杂，材料、工艺环节期待国内厂商登台表演。特种光纤生产所需关键生产设备和原材料，比如预制棒制备所需衬管、套管、涂料，以及光纤封装胶、固定胶等还有很大部分需要进口。国内企业在突破关键设备和原材料方面，依旧需要绕开国外大企业专利布局，进行自主研发。以国内龙头长飞光纤为例，其保偏光纤产品选用专有涂料保证了光纤的机械可靠性与全温范围内的串音稳定性，掺镱光纤产品的涂层与玻璃包层的结合紧密，长期工作具有可靠性；部分光纤产品已经在国家航空航天领域得到了应用。

对于所有光纤，最为关键的技术均是光纤预制棒的制备技术，而光纤预制棒的制备技术中，以光纤芯棒制备技术最为核心。目前主要有四种技术制备光纤芯棒，即MCVD工艺（modified chemical vapor deposition，改进的化学气相沉积法）、PCVD工艺（plasma chemical vapor deposition，等离子体化学气相沉积法）、OVD工艺（outside vapor deposition，外部气相沉积法）以及VAD工艺（vapor axial deposition，轴向气相沉积法）。四种工艺的基本情况如下表所示。四种工艺各有长短，从沉积速率、反应效率和是否适合制备复杂剖面等角度，可以将各工艺进行比较。

特种光纤主要采用PCVD技术或MCVD技术制造光纤预制棒以实现特殊掺杂和复杂精细波导。利用不同预制棒制备技术实现特殊掺杂和复杂波导结构，结合应用环境的差异化需求选用不同特殊功能涂料，对通信光纤拉丝工艺平台进行升级改造，即可以实现系列化的特种光纤。对于PCVD、MCVD两种工艺，长飞光纤等国内企业已经较为成熟地掌握。

4. 投资建议

特种光纤属于量小价高的器件品种，与普通光纤标准化程度高、易于批量制造不同，特种光纤厂商需掌握从原材料、工艺设计到生产制造的一条龙know-how，壁垒较高。近期随着AI算力、卫星通信、低空经济的兴起，产业链对此类特种光纤的需求正逐步提升。同时，虽国内普通光纤产能充沛，但由于特种光纤生产工艺的特殊性，目前仍以海外进口为主。我们预计，随着国内光纤光缆产业链的升级，特种光纤将成为新的方向，建议重点关注经历过光纤光缆产业完整产业链的龙头企业，如长飞光纤、亨通光电、中天科技、烽火通信等；同时关注业内专注于特种光纤应用的黑马企业，如太辰光、长盈通等。国外厂商，建议关注康宁、古河电工、藤仓等龙头企业。

5. 风险提示

AI发展不及预期。

通信用保偏光纤的成长空间集中于AI相关的CPO交换机，若AI发展不及预期，通信用保偏光纤下游需求疲软，相关企业利润和估值可能不及预期。

低空经济发展不及预期。

传感用保偏光纤的成长空间集中于低空经济带来的无人机惯性导航需求增量，若低空经济发展不及预期，传感用保偏光纤下游需求疲软，相关企业利润和估值可能不及预期。

技术迭代风险。

光通信行业技术迭代较快，若国内厂商无法及时跟进最前沿技术发展，或导致国产替代失败风险。