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低成本高速激光器让光纤网络传输更快更好

2007-07-09 09:28
魏丁小陆
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          记者 张强 


    村村通电话、西部大开发、2008年奥运会以及2010年世博会的举行等国家级基础设施工程建设的全面铺开,都在一定程度上刺激了我国光通信市场的增长。

  光纤通信发展最明显的趋势是向高速率宽频带方向发展。随着计算机通信和多媒体通信的迅速发展,用户对数据速率容量的需求也在急剧增长。

  因此,光纤通信中核心技术的开发迫在眉睫。如何提高传输速率,如何降低光信号收发模块的成本,成为中国科学院半导体所研究员祝宁华研究的重点。

  开发低成本高速激光器是市场化的需要

  激光器模块是光通信产品的核心部件,它在通信领域的应用主要有长距离传输系统、光纤用户接入网(包括有线电视网)、局域网和程控交换机等电子信息设备。生产程控交换机和传输系统的厂家(如华为、中兴等),每年对光收发模块都有巨大的需求。除此之外,高速激光器还大量用于高速信号处理和光纤传感等领域。

  2006年,世界激光产业经历了惊人的强势增长,这在很大程度上要归功于半导体产业好于预期的表现以及光通信产业的持续反弹。放眼未来,全球对2007年半导体领域投资水平的关注,使激光行业的发展看起来相当乐观。

  美国光电子产业发展协会(OIDA)在2006年末发表的一份报告表明,光电子器件及相关产品的总销售额已经从2004年的3040亿美元增长到了2005年的3640亿美元,涨幅高达20%。在电信市场中,激光器的总体销量依然在稳固增长,从2005年的438.5万台增长到了2006年的481万台,涨幅高达10%。

  据有关资料预测,2007年,电信市场将继续稳定增长,大约有8%—12%的收入增长来自光学元件部分。这种增长表现在多个方面:长途传输网、城域网以及接入网。在经历了几年对已经安装的系统并不够充分的利用以后,密集波分复用系统(DWDM)也表现出了强劲的增长势头。由于网络可以重新配置,城域网的增长最引人注目。运营商们最终将依靠这些新型系统以使他们的网络更加灵活。此外,光纤到户系统(FTTH)的铺设也在快速增长。

  目前,我国的电信网络规模居世界第二,并以超常规速度向前发展。我国信息产业的高速发展必将给光通信产品制造业带来巨大的市场需求。但是,人们对网络带宽的要求也越来越高,如何提高光纤网络的传输速度成为人们所关注的重点问题之一。

  祝宁华介绍说,让光纤网络传输速度更快的努力方向不在光纤上,而在信号的收发装置上。“比如,假设光纤是铁路,火车在铁路上跑得很快,但是如果装货很慢,两天才装好一车皮,那么火车跑得再快也没有用。信号的收发装置装载和卸载数据的速度要快,这就是高速激光器的概念。”

  产品的市场取决于产品的社会需求和产品的价格。当光纤通信技术解决了主要的技术难题后,走向实用化应用阶段中最为关键的问题就是降低整个系统的成本。在光纤传输设备中,光发射和接收模块的成本占整个系统的20%左右,降低它们的成本将会大大降低光端机的价格,因而也就直接影响了整个系统的市场需求。

  所以,研究开发低成本的高速激光器无疑是十分重要的且有广阔市场前景的。

  研发,从落后到走在世界前沿

  据了解,“九五”期间,我国研发的高速激光器连2.5Gbit/s的传输速率都没有达到,而且价格又比较高。

  “我在德国西门子公司工作期间,参与了有关高速激光器模块的低成本封装的专利和研究报告的查询工作,并对几种已采用的和可能的设计方案进行了深入的分析和比较。因此,1998年回国后,我提出建议,要把高速的光纤网络连到每家每户,一定要降低成本。‘低成本TO激光器模块的规模化生产技术’项目得到了863计划的支持。”祝宁华回忆道。

  “刚开始条件比较差,没有设备。我们在所领导的支持下买了一台微波网络分析仪,并开始和其他课题组合作。他们负责芯片的制作,我们负责封装和测试方面的工作。项目于2001年顺利结题,并成功研制出了速率达到2.5Gbit/s的高速激光器,解决了高速光电子器件设计和封装中的关键技术问题,降低了封装成本,同时也有了少量的产品投放市场。”

  当时,我国的核心网光传输已主要采用2.5Gbit/s以上速率的光同步数字通信(SDH)系统,为进一步满足未来发展的需要,10Gbit/s及以上的光电器件的需求已提上议事日程,而我国10Gbit/s的光器件研究开发才刚起步。

  因此,“‘十五’期间,我们又申请了一个863项目———‘光通信用10Gbit/s激光器模块及关键技术’。最终结果表明,我们所研制的高速激光器的速率从2.5Gbit/s提高到了10Gbit/s。而且,高速激光器模块传输距离也达到了50km以上”。

  在完成研究课题的过程中,祝宁华的课题组还建立了光电子器件的小信号和大信号测试系统,小信号测试系统的测试带宽达到40GHz,大信号测试系统的测试速率达到12.5Gbit/s。同时,他们还发展了光电子器件和芯片的测试技术,能够准确地测量光电子器件的高频特性参数,可以完成很多测试任务,比如,数字、模拟以及宽带技术,很多项目和公司都在他们这里做测试。

  祝宁华说:“2004年863项目结束后,该项目又得到了863计划的滚动支持。通过进一步研究,我们主要研究了光纤色散补偿技术,将传输距离提高了两倍多。同时,我们还实现了可热插拔的10Gbit/s小型化光模块。可以说,我们承担的这三个863项目都是一个课题的不同阶段。”

  在这三个863项目中,他们主要取得了两个创新技术。“一是人们普遍认为器件封装后性能指标会下降,但是我们采用了一些补偿技术,经过合理的设计,封装以后器件的某些指标不但不下降,反而还有所改善;二是我们在封装过程中,发展了一种可以分析光电子器件本征参数的技术,可以得出器件的潜在的性能。同时,我们也发展了评估封装技术的分析方法。”

  祝宁华所领导的课题组优化器件的封装设计,解决了高速光电子器件封装的一系列关键技术问题,提出的创新性的分析设计思路对其它光电子器件和电子学器件的优化设计都具有重要的指导意义。他们的高速激光器研制起点高,研制成果填补了国内空白,进入了世界前沿。

  低成本高速激光器的市场化道路刚刚开始

  当时,国外的蝶形高速激光器模块价格非常高,并且产品数量有限,定货周期很长,供货没有保障,而国内也没有相应的产品。对于10Gbit/s的高速激光器国外也只有少数几个大公司(如Lucent,Infineon,Nortel等)发布了他们的产品信息,但还没有样品上市,有些甚至连产品的技术指标都没有给出来。

  然而,从技术发展的角度来看,随着通信技术的发展,10Gbit/s的激光器模块和光收发机将在DWDM上获得大量应用。从世界范围来看,光电器件及相关的集成电路生产厂家都普遍看好10Gbit/s光电模块广阔的应用前景。

  随着高速激光器等高速光电子器件的用途越来越广泛,激光驱动器芯片的使用量也随之增大,10Gbit/s激光器的研制成功,必然会在该领域占领一定的市场。从近几年光网络的发展来看,今后高速光电子器件将发挥越来越重要的作用。

  实际上,在第一个863项目完成并基本解决了低成本的封装技术问题后,祝宁华就开始积极推进2.5Gbit/s低成本高速激光器的产业化。

  2002年,祝宁华创办了深圳西弥光电技术有限公司,并得到了香港方面的投资。然而刚开始,市场化道路走得并不顺利。“当时企业对这种高速低成本的技术还不感兴趣。因为,市场需求量最大的是2.5Gbit/s以下的激光器,我们的研究成果稍微超前了一些。”

  “但是,我们的研究工作是以提高激光器的综合性能为目的的,使器件能够真正成为实用化的产品。相信我们一定能为我国光通信技术的发展做出应有的贡献。”祝宁华充满信心地说。

  ■项目备忘

  高速光通信是目前和未来通信技术的发展方向和趋势,也是极具前景的产业之一,国内外很多著名公司都加入这一领域。

  我国在“九五”期间就开始支持高速光电子器件和模块的研发。中科院半导体研究所祝宁华课题组在“九五”、“十五”期间承担和参加了多项863项目,其中承担863项目3项,参加合作863项目5项,在国家863和其他项目的支持下建成了10Gbit/s光电子和微电子器件测试平台,可以对光电子器件和模块的高频特性以及光谱、频谱特性进行测量,其中小信号测量可达40GHz,大信号测量达到12.5Gbit/s。利用现在已经建立的12.5Gbit/s大信号测试系统,为清华大学、北京大学、东南大学、北京邮电大学、浙江大学、四川大学、电子科技大学、中山大学和北京工业大学等高校,以及华为、中兴、飞通、四维通等公司,电子13所、44所、34所、航天23所和中科院微电子所等研究机构提供了高频器件测试和封装设计服务,并且成为“十五”期间多项863课题光电子器件考核测试的平台。

  在国家863项目的支持下,祝宁华组建了一个高速光电子器件研究团队,目前有研究员1名,副研究员1名,工程师4名,培养博士后研究人员3名,培养博士生10名,硕士研究生8名,现在读研究生18名。

  近年来,祝宁华的课题组发表学术论文63篇,其中国际刊物论文30篇,撰写专著一部。申请发明专利29项,其中授权8项。

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