光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

发表于 2018-05-22 09:28:25 收藏 已收藏
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光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

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  光通信器件是光通信系统的核心基础,是光传输系统的重要器件,其技术是光通信领域中具有前瞻性、先导性和探索性的战略必争高技术,该技术代表一个国家在光通信领域的水平能力。本文首先介绍了中国光通信器件的发展史以及中国光器件技术和行业的发展现状,其次阐述了中国光通信器件发展面临的挑战,最后介绍了光通信器件的发展趋势以及发展我国光通信器件的建议,具体的跟随小编一起来了解一下。

  光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

  中国光通信器件的发展史

  光器件分为有源器件和无源器件。光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件,是光传输系统的心脏,主要包括半导体发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、光电二极管(PIN)、雪崩光电二极管(APD)、掺铒光纤放大器(EDFA)、拉曼光放大器及调制器等。光无源器件是光通信系统中需要消耗一定能量、但没有光电或电光转换的器件,是光传输系统的关键节点,主要包括光纤连接器、耦合器、波分复用器、光开关、光衰减器和光隔离器等。

  1) 光有源器件发展史

  中国光有源器件的研究始于20世纪70 年代。当时西方国家根据所谓“巴统”规定,对中国进行高新技术的封锁和禁运,于是,中国科学院半导体研究所、武汉邮电科学研究院、中国电子科技集团第44研究所、第13研究所,自力更生,研制了波长为850 nm的短波长激光器。此后,这些单位又开发了波长为1310和1550 nm的长波长激光器,满足了中国光通信起步阶段的需要。

  1993 年之前,中国光通信所需的光有源器件,基本上由国内生产商提供,以致西方国家认识到在有源器件等方面再用“巴统”规定,对中国进行技术封锁和禁运,反而会失去中国的巨大市场,得不偿失,于是只得宣告“巴统”规定失效,国外的光有源器件开始大量涌入中国市场。

  随着光通信技术的迅速发展,对光有源器件的技术要求愈来愈高。虽然中国有关单位做出很大努力,跟踪世界潮流,取得了量子阱半导体材料与器件技术的突破,分布反馈(DFB)半导体激光器等先进器件的实验室水平也有很大提高,但由于投入的人力和物力远远不足,与国际先进水平的差距日显拉大。

  目前,中国只有少数几家单位能自主生产激光器和探测器管芯,而且仅限于10 Gbit/s以下速率的管芯。中国光通信设备和系统所需的高速率管芯、单元器件及掺铒光纤均需要进口,有源器件公司大都购买国外管芯做器件、购买国外的器件做模块、购买国外的掺铒光纤做放大器组装,光通信设备公司购买国外的模块做系统。

  2) 光无源器件的发展历史

  中国开展光无源器件的研究,是从20世纪70年代后期随着光纤技术的出现而开始的。当时光纤的连接是光纤通信必须解决的6大问题之一,此外还要解决分路、开关及波长复用等问题。于是,中国电子科技集团第23研究所、武汉邮电科学研究院固体器件研究所(现武汉光讯科技股份有限公司)和中国电子科技集团第34研究所等单位,白手起家,致力于全光纤结构和微光学分立元件组合型的研究,开发了多模光纤连接器、拼接型和熔融拉锥型的光耦合器和机械式光开关等产品,满足了当时短波长和长波长多模光纤通信研究的需求。

  此后,光通信进入单模长波长阶段并开始大量应用,对光无源器件不仅技术上的要求更高,而且在数量上也与日俱增,迫切要求产业化。在光连接器方面首先引进了光学定心切削加工的APT 连接器生产线,满足了国内单模光通信发展初期的需求。此后随着陶瓷套管大批量生产技术的成功,光连接器的质量有了进一步的提高,而且易于装配,于是出现众多组装散件生产连接器的公司。在光纤耦合器方面,引进了由微机控制的熔融拉锥设备,使耦合器的生产变得十分简单;更为可喜的是,通过理论研究和实践探索,同一台设备上可以生产出各种宽带耦合器和双波长的波分复用器,产品性能优良,于是形成了光耦合器的产业。当前,中国光通信系统中所用的光连接器和光耦合器绝大部分都是国产的。

  当时,初看起来光无源器件的产业似乎比光有源器件发展快,但是在这辉煌的背后,还存在一些问题。如光纤连接器用陶瓷套管的毛坯还需要进口,光纤连接器技术的自主知识产权几乎为零。到了20世纪末、21世纪初,随着光纤接入网、密集波分复用系统和全光通信网的发展,现有的能进行大批量生产的光无源器件已不能完全满足需要。例如,高光纤密度的配线架要求小型化光纤连接器、熔融拉锥设备无法生产密集型波分复用器、传统小端口数的光开关不能级联形成大端口数的矩阵光开关等。这些问题迫使人们不能停留在低端产品的生产和竞争上,必须研制高端的光无源器件产品,以满足光纤通信发展的需求。针对这些问题,一些单位经过努力,如引进小型光连接器的组装夹具、采用微光器件的结构研制了可以复用几路、甚至十几路的密集波分复用器。但要解决几十路以上的波分复用和大端口数的矩阵光开关问题,只能采用光子集成器件。目前,中国无源器件的水平与国外的差距不大,甚至达到国际领先水平。

  光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

  中国光器件技术和行业的发展现状

  中国十分重视光通信器件的研发,通过国家高新技术发展计划安排专题,组织技术攻关,跟踪国际先进技术等措施的实施,极大地推动了光通信器件的研究开发和产业化工作。从国家到省市各级政府充分调动各种资源,积极营造了良好的发展环境和条件,在技术开发和产品开发领域,中国的企业已经掌握了大批关键技术,某些项目的研发能力已接近国际先进水平,具有自主知识产权的高端光通信器件技术与产品已在光网络中得到广泛应用,光器件产业逐渐向中国转移,中国已成为全球光器件的重要生产销售基地。但在产业链结构和产业整体水平上与国际先进水平还有很大差距。中国在光器件领域远远落后于欧、美、日等国家,居前10位的光器件供应商中,只有武汉光迅科技股份有限公司排在全球第5位,仅占全球市场份额的5%(图5),其他中国厂商的市场份额均非常小,绝大多数不到1%。面对拥有全球最大光通信市场、最完整产业链、优质光系统设备厂商的中国市场,这样的市场份额显然是不相匹配的。

  光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

  图5 2015 年全球光电子器件企业排名

  在通信光电子器件的基础理论研究方面,中国与国外先进水平相比差距不大。但关键工艺技术的好坏和装备条件平台的薄弱是制约中国通信光电子器件研究开发和可持续发展的“瓶颈”,在相关器件的关键技术方面的突破与掌握能力、器件工艺的研究和创新能力、工艺技术研究的关键装备条件水平等方面与国际先进水平存在一定差距。

  虽然中国关于通信光电子材料、芯片与集成技术的基础理论研究和基础工艺在高等院校和一些专门的研究院所开展得较为充分,但同样由于工艺技术和装备条件水平的限制,一些基础理论与工艺的研究与实际应用严重脱节,缺乏足够的针对性和实际指导意义,导致国内前沿研究成果多、而成果转化和推广应用少的矛盾十分突出,中国通信光电子器件的“空芯化”问题非常严重。而且与国外先进水平相比,近年来有差距越来越大的危险趋势。

  光通信市场需求高涨也带来了对上游芯片产品的需求。中国市场的光通信芯片主要依赖其他国家供应商。目前,在芯片领域已经有少数中国企业取得了突破,武汉光迅科技股份有限公司和河南仕佳光子科技有限公司能提供商用无源AWG及Splitter芯片;武汉光迅科技股份有限公司、海信集团有限公司、华工正源光子技术有限公司能生产10 Gbit/s 以下速率的有源芯片,但25 Gbit/s有源芯片,包括VCSEL、DFB、EML、PIN、APD,全部依靠进口。华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司等设备厂商及一些领先的光器件企业也在进行芯片研制。中国在芯片领域取得了一定的突破,但是还没有形成规模,以中低端芯片为主。由于在光通信芯片方面主要依赖进口,因此中国光器件企业在市场需求高涨的同时利润空间并不大,芯片成为下游企业竞争力的一个制约因素。中国光通信芯片产业未来发展可能会是来自下游的光器件和系统企业向上游延伸发展,垂直整合,研制芯片。在上游的芯片和下游的系统设备领域均比较集中的情况下,光器件厂商有较强的动力向上游拓展,一些实力较强的光器件厂商将会在上游取得突破。

  中国的光电子器件企业拥有自主知识产权的高端核心技术不多,对国外芯片和特种材料的依赖性较大,具有核心竞争能力的产品较少,企业整体实力仍然偏弱,产品结构不够合理,同质化严重,所提供的产品也多集中在中低端,产品附加值不高,国际市场竞争能力和盈利能力还有待提高。虽然有些器件制造企业具有一定的生产规模,但是产业持续发展的技术和工艺基础较为薄弱,不少企业不得不依靠在中低端产品方面的恶性价格竞争和低廉的劳动力成本来艰难地维持生存,并逐渐沦为缺乏核心技术、没有自主品牌、给其他国家公司打工的OEM工厂。在技术含量和附加值较高的如10 Gbit/s以上速率的有源光器件、100 Gbit/s光模块等高速产品方面,核心技术缺失,商用化进程缓慢,真正具备材料外延生长、管芯制作等全套工艺线及从芯片到器件、到模块垂直集成能力的企业屈指可数。上游材料和芯片的薄弱导致相应的光器件、组件及模块发展受到制约,采购渠道受日、美等国家控制。此外,一些国际知名光器件及芯片企业为了降低成本和把握中国快速增长的市场需求,纷纷将研发、生产、封装测试及销售环节向中国转移,进一步挤压了中国企业的市场空间[6]。

  对于高端光器件技术,基本上都掌握在国外厂商手中,中国的光通信厂商虽然也在加强这方面的研发投入,但是与国际主流器件商的差距依然很大。100 G高端器件几乎全部依赖进口,包括集成可调谐激光器组件ITLA(integrable tunable laser assembly)、集成相干发射机ICT(integrated coherent transmitter)、集成相干接收机ICR(integrated coherent receiver)及100 G客户侧器件;智能光网络用无色、无向、无阻塞的可重构光分插复用器CDC ROADM (colorless/directionless/contentionless reconfigurable optical add/dropmultiplexer)、波长选择开关WSS(wavelength selective switch)、光交叉连接设备OXC(opticalcross connect)也主要依赖进口。中国高端技术和产品的缺乏还直接导致了中国光纤通信设备制造厂家(如华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司、烽火等),不得不依靠大量进口高端器件来构建系统设备,严重制约了这些设备企业在相关领域的国际竞争力,影响其在国际市场战略地位的进一步提升和快速发展。

  总之,中国光通信设备商所需的高端核心器件,几乎完全依赖从美国、日本、欧洲进口;高端光电子器件所需的高速光电芯片也几乎完全依赖进口,受制于其他国家芯片供应商。作为光通信产业的核心一环,基础芯片和器件供应商的壮大,关系到中国光通信产业的整体竞争力,已成为制约中国光通信长足发展的关键瓶颈。

  光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

  中国光通信器件发展面临的挑战

  1、关键工艺技术能力和工艺平台水平与国外相比存在较大的差距

  在通信光电子器件的基础理论研究方面,我国与国外先进水平相比差距不大。但关键工艺技术的好坏和装备条件平台的薄弱是制约我国通信光电子器件研究开发和可持续发展的“瓶颈”,我们在相关器件的关键技术方面的突破与掌握能力、器件工艺的研究和创新能力、工艺技术研究的关键装备条件水平等方面与国外存在较大差距。虽然我国关于通信光电子材料、芯片与集成技术的基础理论研究和基础工艺在大学和一些专门的研究院所开展得较为充分,但同样由于工艺技术和装备条件水平的限制,一些基础理论与工艺的研究与实际应用严重脱节,缺乏足够的针对性和实际指导意义。导致国内前沿研究成果多、而成果转化和推广应用少的矛盾十分突出,中国通信光电子器件的“空心化”问题非常严重。而且与国外先进水平相比,近年来有差距有越来越大的危险趋势。

  2、高端光电子器件方面的差距日益明显

  中国的通信光电子器件企业拥有自主知识产权的高端核心技术不多、对国外芯片和特种材料的依赖性较大,具有核心竞争能力的产品较少,所提供的产品也多集中在中低端,产品附加值不高,国际市场竞争能力和盈利能力还有待提高;虽然有些器件制造企业具有一定的生产规模,但是产业持续发展的技术和工艺基础较为薄弱,不少企业不得不依靠在中低端产品方面的恶性价格竞争和低廉的劳动力成本来艰难地维持生存,并逐渐沦为缺乏核心技术、没有自主品牌、给国外公司打工的OEM工厂。随着JDSU、Oplink等资金雄厚的国外器件公司纷纷在中国安营扎寨,人才的争夺也日趋激烈,国内相关企业面临优秀技术人才不断流失的严峻挑战。而国内高端技术和产品的缺乏还直接导致了诸多在国际上颇有影响和地位的国内光纤通信设备制造厂家(比如华为、烽火、中兴等),不得不依靠大量进口高端器件来构建系统设备,严重制约了这些设备企业在相关领域的国际竞争能力,影响到他们在国际市场战略地位的进一步提升和快速发展。

  光通信器件的发展趋势

  光集成技术(PIC)是未来光器件的主流发展方向,近年来一直是业内关注和研究的焦点。光子集成技术相对于目前广泛采用的分立元器件,在尺寸、功耗、成本、可靠性等方面优势明显,是未来光器件的主流发展方向。

  近年来,随着技术的逐步积累以及产业需求的升温,PIC进入较快发展时期,中小规模PIC已经成熟并取得广泛商用,大规模PIC集成度已达到数百个元器件。PIC 技术和产业的参与企业涵盖系统设备商、光器件芯片制造商、综合服务提供商、半导体芯片生产加工厂商Foundry等多个领域,面向电信和数据两大应用市场。

  光集成技术包括基于III-V簇化合物半导体材料的光集成技术、基于铌酸锂电解质材料的光集成技术、基于SiO2绝缘体材料的PIC技术、硅基材料的光集成技术、基于聚合物材料的光集成技术以及基于氮化硅材料的光集成技术。III-V簇化合物半导体材料的光集成技术,如GaAs、InP技术,特别适合光源、探测器等有源器件的集成;铌酸锂材料的光集成技术,这类材料特别适合研制高速光调制器、光开关等,技术成熟,且市场份额较大;SiO2绝缘体材料的PIC 技术,适合阵列波导光栅AWG(arrayed waveguide grating)、分路器(splitter )、热光器件等多种无源光波导器件;硅基材料的集成光集成技术,采用的结构与电子学的集成电路类似,是未来光集成、甚至光电集成的重要方向;聚合物材料、氮化硅材料在光集成及光子器件领域同样占有一席之地。这些集成材料各有所长,都有各自不同的应用市场。不同器件、不同功能、不同材料的混合集成将是光器件技术的短期发展方向。

  PIC是光器件必然的演进方向,也必然造就新一代基于光器件的应用系统,而最终的光器件发展将更加集成化。III-V族材料和硅基材料更为业界普遍看作未来光集成技术的两大阵营,在材料方面,III-V族材料偏向应用于有源器件,硅基材料偏向于应用无源器件。III-V族材料在有源器件中广泛采用,磷化铟是目前唯一能够实现通信波长大规模单片集成的材料,未来仍具有一定发展潜力,代表性产品是Infinera公司的高速光发射、接收芯片。然而,磷化铟属于稀有材料,外延片尺寸较小,在低成本和大规模生产能力方面受到一定限制。另外,硅光子可将CMOS集成电路上的投资和技术经验应用到PIC 领域,有效降低成本,提高生产效率,已成为未来PIC 重要技术方向之一。硅光子的代表性技术产品如Luxtera公司的AOC芯片、Cisco公司的CPAK 光模块、Acacia 公司的相干CFP光模块,以及Intel 公司致力研发的混合集成激光器和芯片级光互联技术等,中国也有少数企业涉足,但规模有限。

  在2014 中国光网络研讨会上,中国电信集团科技委主任韦乐平指出,光器件是光通信发展的瓶颈,光通信成为所有网络构成技术中降价最慢的领域,其中光器件成本是瓶颈中的瓶颈。硅光子技术将成为重要突破方向,它是利用现有CMOS 集成电路上的投资、设施、经验以及技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路,在集成度、可制造性和扩展性方面达到CMOS的水平,从而在成本、功耗、尺寸上取得突破。通信是硅光子技术的早期应用领域,正如历史上的晶体管、集成电路、激光器等一样,通信由于其高技术属性往往成为新技术的早期应用领域。然后随着技术和工艺的成熟再扩展至大众消费领域,形成更大的规模,进一步降低成本,再促进其在通信领域的普及,形成技术的良性循环。

  硅光子技术在光源方面尚无可行的技术路线,目前以混合集成和短距离应用为主,正不断发展成熟,未来将承担重要角色。总之,无论是磷化铟,还是硅光子学,都预示着光通信行业即将迎来深度变革,都将显著改变光器件的设计和未来。

  光通信器件的发展趋势(发展史、发展现状、面临挑战、发展建议)

  发展我国光通信器件产业的建议

  1、应继续完善科技创新与成果推广应用

  完善产业政策。根据国家鼓励发展的研究与产业化目录,结合企业实际情况,政府通过政策引导投资方向与重点,对鼓励项目的重要进口设备、材料,在国内没有替代产品的情况下,继续保持现有税收优惠政策,积极支持民族光器件企业的创新投入与产业化;

  2、发挥财政资金的引导作用,创造良好投融资环境

  充分发挥创新基金、工程中心补助、技术改造专项资金、电子发展基金等各类财政资金的引导和带动作用促进产业发展推动建立政府导向的产业投资基金,发挥财政资金带动作用,引导社会资源支持产业发展积极促进企业与资本市场的结合,创造有利于产业发展的投融资环境。

  3、提升产业创新能力,推动产业升级

  应持续完善光器件行业的创新体系。依托核心企业,建立、完善创新平台,为企业创新提供支持:继续推进技术改造。鼓励企业增加技术投入,强化企业的创新基础。进一步促进行业基础研究成果与工程化、产业化的衔接,提升产业核心竞争力。通过组建产业联盟或技术协作联盟等形式,推进产业链上下游合作,开展联合攻关,提高产品技术水平,促进推广应用。积极引导企业转型升级。向精细化、节能环保型发展。

  4、加强行业管理,促进产业健康发展

  制定行业发展约束机制,防止不良竞争。加强国内企业的团结合作,抱团抵制外来企业的冲击加强质量监管,防止伪劣产品流入市场扰乱正常市场秩序。

  5、加强高端人才培养,积极参与国际交流合作

  围绕光器件所需高端专业技术人才的需求,引进国际上的顶尖人才,带动我国光器件产业高端技术的创新。特别是核心芯片、lC集成电路方面的人才,以实现高速芯片与lC的自主创新,摆脱核心部分受制于人的状况。充分发挥行业协会、高等院校、科研院所及各类相关社会机构的作用,为行业的持续发展培养各级各类专业人才。加强国际交往与合作,积极参与国际标准工作,增强在国际标准领域的话语权。

  6、加强核心关键技术与产品创新

  重点技术领域应加强核心关键技术与产品创新,加大对波长可调制光源、半导体材料InP和Ploymer工艺研究、高速芯片、高速集成电路lC及光电集成技术等重点技术领域的研发投入;在40G、100G和400G光器件及核心芯片下一代PON用光器件及模块等领域加快重点研发技术/产品的进程。在10GPON、40G光器件及模块产品产业化应用、低成本直调了16×2.5Gb/s WDM光纤接入芯片及传输模块产业化、100G、400G器件与模块产业化等项目上大研发力度。

  7、完善产业链配套措施

  大力发展具有原创型的核心技术、其产品/技术拥有自主知识产权、有创新活力的中小民营企业的发展。包括国家及省出台的相关政策、科技人员创业、科技成果转化、产业链主导产品的政府优先采购等产业配套政策的落实由改府牵头,协调企业运营相关政府部门,制定相关政策,为企业提供亮效、快捷服务具体为工商、税务、质检、安全、环保等方面,同时制定相关减免税政策,减轻企业负担。对重点企业,选择重要项目跟踪支持,从研发到成果转化及产业化,全程服务,帮助企业做大做强。

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