光通信有源器件的技术发展与突破

光通信有源器件的技术发展与突破2013-09-0400:02:00来源：光迅科技我要分享评论投稿订阅导读：目前，在有源光器件领域里，以高速光通信（40G/100G）、宽带接入FTTH、3G及LTE无线通信、高速光互联、智能光网络等为代表所应用的芯片、器件及模块的技术将成为竞相开发的热点，而以光集成、高速光信号调制技术、高速光器件封装技术等为代表的光器件平台技术也越来越被广大OC厂商所重视。我国光通信有源器件产业的重大发展1前言尽管全球金融风暴对整个光通信市场产生了较大的影响，但光通信技术一直在高速向前发展。2009年，高锟先生获得了当年的诺贝尔物理学奖，意味着光通信技术再次站到了物理学研究的最前沿，引起了全社会更高度的重视。同时，由于互联网的蓬勃发展，使网络流量出现了海量的增长，在此背景下，光通信技术由于能够提供理论上不受限制的网络带宽的独特优势，在高速率、大容量、集成化、热插拔等发展方向上必将取得飞速的进步。目前，在有源光器件领域里，以高速光通信（40G/100G）、宽带接入FTTH、3G及LTE无线通信、高速光互联、智能光网络等为代表所应用的芯片、器件及模块的技术将成为竞相开发的热点，而以光集成、高速光信号调制技术、高速光器件封装技术等为代表的光器件平台技术也越来越被广大OC厂商所重视。2光通信有源器件的技术发展与突破满足不断增长的带宽需求，同时不断降低资本和运维支出，将继续是推动光通信技术发展的两个主要动力。为了满足系统不断发展的需求，有源光通信技术的发展涉及到许许多多的技术，然而，近年来有几项技术值得我们特别关注：这包括40G/100G高速传输器件与模块技术、下一代光纤接入技术、光载射频ROF（RadioOverFiber）器件与模块技术、光集成技术、高速互连光电器件与模块等等。2.140G/100G技术势不可挡据有关专家总结，40G主要有以下四个方面的市场需求和驱动力：第一是TriplePlay，即数据、视频、VoIP等服务的融合；第二是数据通信以及海量存储网络；第三是高速电信网络，如OC768，STM256，G.709FEC；第四是其他新兴数据需求。数据显示，到2012年全球的IP流量将以2年翻一番的速度增长，年复合增长率高达46%；这其中，由于3G和LTE的推动，全球移动流量未来5年的年增长率大约为25%。目前，40G的价格是其获得爆发式增长的主要障碍，不过，40G甚至100G的发展已变得不可阻挡。40G/100G的CFPMSA多源协议已经发布，由此向CFP的器件/模块开放了大门。而在此技术方面，高速光信号的调制技术作为一个关键的技术平台尤为重要，其中以DPSK、RZ-DQPSK和DP-DQPSK等系列调制方式为代表。来自Ovum的调查显示，到2011年底，40G的光模块销售额将达到5.5亿美元，并且采用主流技术的产品（DQPSK和DP-QPSK调制技术）将以32％以上的年增长率迅速发展（如图一所示）。图一40G光模块技术的发展态势（Source:Ovum）来自Ovum的调查同样显示，采用RZ-DP-QPSK和相干技术的100G线路端光模块在2012年虽然只有约7千万美元的销售额，但在往后的5年里，其年增长率将保持在惊人的62%以上。2.210G速率的PON引领下一代接入技术在光接入技术上，国际上主要采用的是PON。在过去的几年里，PON主要以GEPON和GPON技术为主，主流的用户分配带宽达到10M～40Mb/s，而在未来的几年之后，由于用户带宽需求的进一步增长，则需要向下一代PON过渡。随着2009年9月IEEE802.3av国际标准的正式通过，10GEPON的有源器件的研究得到了飞速的发展，目前，10G-EPON成为了下一代PON的最大热门，预计最早在2012年左右可形成成熟产业。紧接着，2010年6月，10GGPON（XG-PON）标准在日内瓦ITU-TSG15全会上顺利通过，仅比10GEPON的标准的通过晚9个月，由于在光器件技术上的相似性，XG-PON的器件发展也非常迅速。这两个国际标准为下一代接入技术定下了发展的基调。WDM-PON，由于拥有潜在的技术先进性，无疑也会在未来的PON接入网中占据一席之地。由于各种PON技术的蓬勃发展，一种更大的可能是在未来的技术领域内，各种PON技术会逐步走向相互渗透和融合。沿着EPON和GPON的发展道路，下一代PON技术将形成三大趋势：EPON向10GEPON演进；GPON向XG-PON演进；未来形成各种技术融合的PON。2.3无线与光的技术融合带来光通信的新机遇随着3G时代的来临，光通信产业可谓又风生水起，迎来了前所未有的机遇。光纤接入是迄今各种类型的宽带接入方案中，最具发展生命力的一种，我国90%以上的信息量是通过光纤传输，特别是随着3G牌照的发放，我国迎来3G时代，光通信及相关光电产业正在成为带动整个信息产业的新的增长点。据估计，3G的启动可以带来达到1000亿以上规模的光通信市场。虽然我们在技术上已经做好迎接3G的准备，光通信行业所面临的机遇毋庸置疑，但同时也要看到它所面临的挑战。从目前的情况来看，未来的无线通信向LTE发展的方向已经相当明确。在此领域的光器件、光模块技术中，光载射频ROF光器件/模块值得关注。当前,对高速多媒体移动通信的需求不断增加,无线通信系统对宽带传输能力的要求也越来越高,同时伴随着无线通信系统容量的快速增长,小区半径越来越小,微小区、微微小区数目迅速增加。另一方面,多种无线标准的存在又要求接入系统具备多业务操作的能力。中国已经开始了“无所不在的网络中国(U-China)”计划,如何解决建筑物内的无线高速数据传输和无线接入覆盖问题就成为迫切需要解决的技术关键。ROF无线接入技术成为解决上面问题的一项最有希望的技术之一。在ROF系统中，由于光载波上承载的是模拟的微波信号，与传统的数字光纤传输链路相比，其系统对光器件的性能以及链路自身的色散、非线性效应等都有了更为苛刻的要求。尽管ROF技术距离大规模的商用还有很长的路要走，也有很多关键技术要攻克，但是，科学研究始终是走在技术产业化的前面。同时，光无线融合的大趋势是无法阻挡的，无论在现在还是将来，ROF都将是研究人员和运营商最为关注的一项技术之一。而对于ROF技术的研究，人们的目光也会由理论研究转向实际的应用，向更低成本，更高集成化努力。2.4光集成技术值得期待光集成器件由于其综合成本低、体积小巧、易于大规模化地装配生产、工作速率高、性能稳定等等优点，早在20世纪70年代就引起了世人的关注和研究。在随后的三十多年里，随着光波导制作技术以及各种精细加工技术的迅速发展，光集成器件正在大量地进入商用，尤其是基于PLC（PlanarLightwaveCircuit）平面光回路的一些光无源器件，如光分路器（Splitter）、阵列波导光栅（AWG）等等，目前已成为光通信市场上的热门产品。在光有源器件的领域中，有源的集成产品还远远未达到大规模的商用，但随着一些该领域中的先进技术如色散光桥光栅（DispersionBridgeGrating）的成功开发，基于PLC的有源器件在近来取得了长足的进步。光集成的技术发展方向主要可分为两类：单片集成和混合集成。单片集成是指在半导体或光学晶体衬底上，只经过制作工艺，把所有元件集成在一起，如：PIC和OEIC技术；而混合集成是指用不同的制作工艺，制作一部分元件后，再组装在半导体或光学晶体衬底上。以前，Si基的混合集成的实际制作工艺一直是相当复杂的，但近来，一些研究机构针对传统倒装为基础的混合集成工艺作了改善，取得了较大进展。其中，最能引人瞩目的成果有两项：第一项是加州大学SantaBarbara分校与Intel公司合作研究的基于晶片（Wafer）级结合的混合集成器件；第二项是比利时根特(Ghent)大学的基于芯片(Chip)和晶片（Wafer）结合的混合集成器件。近年来光集成的技术发展，使得其迅速成为光通信领域中非常值得期待的一项平台技术，可望得到极其广泛的应用。2.5高速光电互连技术超乎想象高速光电互连技术通过并行光模块和带状光缆或电缆来实现.并行光模块是基于VCSEL阵列和PIN阵列,波长850nm,适合多模光纤50/125um和62.5/125um。封装上其电接口采用标准的MegArray连接器,光接口采用标准的MTP/MPO带状光缆。目前比较通用的并行光模块有4路收发和12路收发模块。在当前的市场上，较为常见的高速并行光模块有：4×3.125Gbps(12.5Gbps)并行光纤模块,应用在如高端计算机系统如刀片式服务器的短距离互连；12×2.725Gbps(32.7Gbps)并行光纤模块,应用在如高端交换设备中以及背板联接中。并行光模块的应用正在逐渐走向成熟。当前，超级计算机、云计算、短距离高速数据通信等应用的兴起，直接推动高速光电互连技术的迅猛发展，其市场应用规模及技术发展将会超乎人们的想象。3我国光通信有源器件的产业发展我国从70年代开始从事光电子器件的研究开发和产业化，培养了大批有经验的工程师和技术工人，有源器件方面以WTD等为代表的一批民族企业茁壮成长，与此同时也为外企在国内建立生产基地创造了条件。从2000年以来，外企通过一些方式进入中国，如：一、直接投资，招聘人员，如Oclaro，JDSU等；二、购并国内企业，如Neophotonics购并Photon，MRV购并Fiberxon等；三、通过CM、OEM或ODM等方式建立生产基地。至今可以说，中国已成为国际上最大的光电子器件生产基地，为世界光器件产业的发展做出了巨大的贡献。就产业规模而言，按生产制造地划分，2008年中国生产制造的光器件已占全球25%的市场份额，其中大陆本土企业的销售约占全球光电元器件市场17%的市场份额；而到2009年，仅大陆本土光器件企业的市场份额就已经增长到全球的26％，市场规模达到约75亿人民币，其中有源部分约51亿，占据了相当大的部分。在全球的中低端光收发模块中，国内企业占据了相对大的比例，根据数据，全球中低端光器件市场上光迅科技与WTD的市场份额已超过三分之一，充分展现了中国品牌的世界影响力。3.110G以上高速器件随着光传输网向更高速率、更大容量、更长距离的发展，10G产品的产业化以及40G、100G产品的批量投放，新的高速率调制格式、相干探测等已经成为了我国有源器件发展的重点。目前，就10G及10G以下的有源器件而言，除了TIA、LDD、LA等系列的集成芯片外，其余部件包括LD芯片、PD芯片、金属陶瓷件、WDM滤光片等，均有国产化能力。近几年来10G产品市场需求大幅增强，这刺激了10G模块的销售大增长，来自WTD的数据表明，10G产品年销售的同比增长自2008年以来均达到了100%以上，成为了产品结构转型的重点方向。就40G/100G系统而言，在2009年，40G的系统应用只出现在骨干网中，但根据目前的趋势分析，在2011年之后，40G甚至100G的系统将会逐步应用在骨干网、城域网中，只是在接入网方面维持在10G及以下速率。同时来自Lightcounting的数据分析表明，在40G今后几年的增长中，来自线路端和客户端的需求几乎是保持在同一水平上。由于缺乏高端器件的相关核心资源和技术积累，国内光器件厂家在40G/100G器件与模块的开发上显然收到了种种局限，尤其体现在以DP-QPSK调整方式为代表的产品上，因为引入了发射端的偏振模复用以及接收端的平衡相干探测等复杂的技术。但即便如此，国内还是不缺少数厂家能够自主研发出40G的器件和Transponder收发合一模块，并且已将目光投向了更高端的100G光电模块。图二展示的是来自光迅科技在40G系列产品上的垂直集成资源的情况，表明了其从有源芯片、到发射接收器件、到收发一体模块的垂直整合能力。图二40G系列垂直集成资源示意图3.2PON器件目前，全球每年新增光纤接入宽带用户有几千万户，我国的FTTx已经处在大量应用前期阶段，xPON的产品市场日趋火爆，同时市场对PON产品的低成本、大规模的可制造性、高可靠度、