光纤通信器件技术工艺发展分析

第一节 光纤通信器件基本生产技术

1、光有源器件

光有源器件超晶格结构材料与量子阱器件，目前已完全成熟，而且可以大批量生产，已完全商品化，如多量子阱激光器(MQW-LD，MQW-DFBLD)。除此之外，目前已在下列几方面取得重大成就。

1）集成器件

这里主要指光电集成(OEIC)已开始商品化，如分布反馈激光器(DFB-LD)与电吸收调制器(EAMD)的集成，即DFB-EA，已开始商品化;其它发射器件的集成，如DFB-LD、MQW-LD分别与MESFET或HBT或HEMT的集成;接收器件的集成主要是PIN、金属、半导体、金属探测器分别与MESFET或HBT或HEMT的前置放大电路的集成。虽然这些集成都已获得成功，但还没有商品化。

2）垂直腔面发射激光器(VCSEL)

由于便于集成和高密度应用，垂直腔面发射激光器受到广泛重视。这种结构的器件已在短波长(ALGaAs/GaAs)方面取得巨大的成功，并开始商品化;在长波长(InGaAsF/InP)方面的研制工作早已开始进行，目前也有少量商品。可以断言，垂直腔面发射激光器将在接入网、局域网中发挥重大作用。

3）窄带响应可调谐集成光子探测器

由于DWDM光网络系统信道间隔越来越小，甚至到0.1nm。为此，探测器的响应谱半宽也应基本上达到这个要求。恰好窄带探测器有陡锐的响应谱特性，能够满足这一要求。集F-P腔滤波器和光吸收有源层于一体的共振腔增强(RCE)型探测器能提供一个重要的全面解决方案。

4）基于硅基的异质材料的多量子阱器件与集成(SiGe/SiMQW)

这方面的研究是一大热点。硅(Si)、锗(Ge)是简接带源材料，发光效率很低，不适合作光电子器件，但是Si材料的半导体工艺非常成熟。于是人们设想，利用能带剪裁工程使物质改性，以达到在硅基基础上制作光电子器件及其集成(主要是实现光电集成，即OEIC)的目的，这方面已取得巨大成就。在理论上有众多的创新，在技术上有重大的突破，器件水平日趋完善。

2、光无源器件

光无源器件与光有源器件同样是不可缺少的。由于光纤接入网及全光网络的发展，导致光无源器件的发展空前地热门。常规的常用器件已达到一定的产业规模，品种和性能也得到了极大的扩展和改善。

所谓光无源器件就是指光能量消耗型器件、其种类繁多、功能各异，在光通信系统及光网络中主要的作用是:连接光波导或光路;控制光的传播方向;控制光功率的分配;控制光波导之间、器件之间和光波导与器件之间的光耦合;合波与分波;光信道的上下与交叉连接等。早期的几种光无源器件已商品化。其中光纤活动连接器无论在品种和产量方面都已有相当大的规模，不仅满足国内需要，而且有少量出口。

光分路器(功分器)、光衰减器和光隔离器已有小批量生产。随着光纤通信技术的发展，相继又出现了许多光无源器件，如环行器、色散补偿器、增益平衡器、光的上下复用器、光交叉连接器、阵列波导光栅CAWG等等。这些都还处于研发阶段或试生产阶段，有的也能提供少量商品。按光纤通信技术发展的一般规律来看，当光纤接入网大规模兴建时，光无源器件的需求量远远大于对光有源器件的需求。这主要是由于接入网的特点所决定的。接入网的市场约为整个通信市场的三分之一。因而，接入网产品有巨大的市场及潜在的市场。

第二节 光纤通信器件新技术研发、应用情况

1、光开关是新一代全光网络的关键器件，主要应用在光交换设备中，实现全光层次的路由选择、波长选择、光交叉连接、自愈保护等功能。在目前也是一个相当热门的研究领域。在实现光开关的众多技术之中，MEMS技术由于可在极小的晶片上排列大规模机械矩阵，解决了OXC发展中容量限制瓶颈的一大问题，同时在技术不断改进之后，MEMS开关的回应速度和可靠性也将大大提升。因此，从目前的情况来看，利用MEMS设计的OXC，极有可能成为今后OXC的主要发展方向。

2、在器件领域，最有可能引领全球市场的企业将是苏州中光科技发展有限公司。据介绍，这家企业已经研发成功了应用于氧化锆陶瓷插芯生产的双向定位干粉干压成型技术，填补了国内国际空白。这一技术使中国在光纤连接器领域首次拥有了自主核心知识产权。在这一技术推向市场后，中国在光纤连接器相关的光电器件领域必将逐渐处于世界主导地位。”

第三节 光纤通信器件国外技术发展现状

国外利用光电子集成技术已制成了应用于WDM系统的多波长激光器阵列、光检测器阵列、硅基平面波导光星形耦合器、波导光栅路由器等光学器件。

如果把光纤放大器与波导星形耦合器集成在一起，则可以制成无损耗的集成星形耦合器。进一步把这种无损耗的集成星形耦合器与DFB激光器阵列集成在一起，则可以制成多波长激光器阵列星形耦合器，这种器件在光传送网和未来的全光网络中将发挥重要的作用。

利用光纤光栅可以制成具有各种功能的全光器件，如果再将这些器件集成在一根光纤中，就可构成具有相关性能的光子器件或光子系统，这就是全光纤一维光子集成。这是一种具有相应速度快、信息容量大、功能全、效率高以及可超微型化、能与光纤兼容、无插入损耗等一系列优异特性的全光纤器件。应用这样的器件构成光纤通信系统与常规的光纤通信系统相比，在组网方式上必将发生深刻的变化。可以说，光纤光栅、全光纤电子器件、平面波导器件及其集成的出现是光纤通信发展史上的一个重要里程碑，在未来的光通信、光计算及全光网络中将有广阔的应用前景。因此，光电集成器件是光通信行业今后的发展目标。也就是说要将包括无源光学器件，有源光学器件和电学控制器件集成在一个芯片上，从而使单个芯片商就包含一个模组/子系统/系统。

目前，国外在硅基光子集成方面的研究进展迅速，如IBM宣布开发出10G纳米光波导的MZ电光调制器，Intel也发布了30Gbps硅光调制器技术。国内，除了中科院半导体所在硅基集成光学研究方面取得了一些成绩，总体来说，我们国家在硅基光子集成领域的研究进度明显落后于发达国家。

第四节 光纤通信器件技术开发热点、难点分析

光纤通信正朝着密集波分复用DWDM结合光放大器OA的高性能、大容量、灵活的全光网络AON发展。AON是以光纤为基本传播媒质，采用WDM技术提高网络的传输容量，以波长路由分配为基础，在光节点采用光/分插复用和光交叉连接技术来提高吞吐量，从而使得光网络具有高度灵活性和生存性。由于WDM的技术的不断发展，提高了光互联网技术满足不断增长带宽需求的能力，特别是未来的太比特率通信网只有使用光子交换技术才能满足网络容量的要求，这要依赖于合理成本下的可重构联网技术以及结构简单的用于复用和交换的光器件不断走向实用化。

全光器件是当今光纤通信技术中的研究热点，AON的实现依赖于光器件和系统的发展，尤其是以DWDM为基础的全光网络引入交叉连接和分/插复用等一些全新的技术，这些功能的实现很大程度上取决于新型关键器件的开发和研制。

同时，一种新技术或新型器件可使整个系统的性能大大改善，有时会推翻整个旧系统，因此许多公司或科研单位都投入较大的力量开发AON和WDM中的新技术和新型的光器件，其中包括集成开关矩阵、滤波器、波长变换器、新型光纤、OADM和OXC等关键器件，还要重点解决高速光传输、复用器、高性能的探测器和可调激光器阵列以及集成阵列波导器件等关键器件，这些光器件与光纤一起构成了全光网络的物质基础。

由于对机械稳定性和热稳定性要求的不断提高，人们希望利用全光纤器件来组成光路，这是因为：一方面，信号被限制在纤芯范围内传输，从而提高了稳定性；另一个原因则是单模光纤具有非常低的散射和本征损耗，因此，上述因素在全光纤器件的设计和开发过程中扮演了决定性的角色，使得部分全光纤器件的性能已远远超过了材料光学组件和集成光学器件。

第五节 光纤通信器件未来技术发展趋势

在各种光器件中，作为光纤通信和光纤传感系统中的重要组成部分的全光纤器件已经取得了长足的进步，并具有了一定的规模。同时，光纤通信的发展呼唤着功能更全、指标更先进的光器件不断涌现，因为一种新型器件的出现往往会有力地促进光纤通信的进步，甚至使其跃上一个新的台阶。

但是，光器件的制作工艺又特别复杂，涉及许多不同的工艺技术，而每一种光器件的制作工艺又各不相同，自成体系，这些工艺技术主要涉及到机械加工、成型工艺、精密光学加工、激光加工、以及材料加工和半导体工艺等工艺技术，器件的优劣、性能指标的好坏都与工艺技术密切相关。

因此，寻求更新更先进的工艺技术是发展光器件的重要课题，也是推动光纤通信事业向前发展的关键之一。而制作光器件的另外一个重要方面是光学材料。在光纤通信的自身不断发展的同时，也推动着光学材料的向前发展，光子晶体和聚合物光器件的发展就是光学材料发展的有力例证。最后，光器件的发展过程可归结于以下几条主线：

1、纤维光学和集成光学共同发展，互为补充。

2、分离器件和集成化器件将长期共存，但发展趋势是集成化。

3、光波导理论和电磁波理论是构成光无源器件的理论基础。

4、高、精、尖的加工技术是光器件的基本保证。要发展光器件，必须加强工艺技术的提高。

5、寻找新的光器件所需的新型光学材料。



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