光电子器件在光纤通信中的应用及相关企业介绍

 新闻资讯     |      2020-03-11 19:33

2020年3月3日,科技部等5部门印发《加强“从0到1”基础研究工作方案》,提到国家科技计划突出支持关键核心技术中的重大科学问题。重点支持人工智能、网络协同制造、3D打印和激光制造、重点基础材料、先进电子材料、结构与功能材料、制造技术与关键部件、云计算和大数据、高性能计算、宽带通信和新型网络、地球观测与导航、光电子器件及集成、生物育种、高端医疗器械、集成电路和微波器件、重大科学仪器设备等重大领域,推动关键核心技术突破。

在20世纪80年代中期,数字光纤通信的速率已达到144Mb/s,可传送1980路电话,超过同轴电缆载波。于是,光纤通信作为主流被大量采用,在传输干线上全面取代电缆。

尤其是李克强总理在2015年政府工作报告中提到发展智慧城市,制定“互联网+”行动计划,全面推进“三网”融合,加快建设光纤网络以来,我国的光纤通信更是达到了蓬勃发展的高度,光纤通信已成为中国通信的主要手段。

2019年6月,工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照。正式开启了5G商用元年模式。

5G是一场关于光纤基础设施的竞争,在光通信产业中,光纤光缆是5G产业的第一受益者。5G将要求更密集的基站,基站术将是4G的4-5倍,带宽约10倍,光纤光缆需求2-3倍以上,光模块数千万只。

但我国在高端器件与芯片的国产化方面仍存在挑战,5G建设对于国内企业高速率芯片和低成本光模块研发提出更高要求。

2019年6月12日“2019中国光网络研讨会”上,工信部通信科技委常务副主任、中国电信科技委主任、中国光网络研讨会主席韦乐平表示,光通信成为电信网发展的速率和成本的瓶颈,光器件是瓶颈的瓶颈,而光芯片是瓶颈的立方,占设备成本大头的光域成本不受摩尔定律恩惠,硅光子技术是根本性突破方向。

光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输媒介的一种通信方式。一个完整的光纤通信系统除了必须具备传输主体和光纤,还需要配备各种光学元件及光电子器件,只有充分发挥出各种光电子器件的功能作用,才能保障光线通信系统的正常稳定运行,不断提高人们的网络通信质量和效率。

当前,光线通信系统的构成主要包括了三部分,分别是光发送、光传输以及光接收。在光纤通信系统中,广泛应用的元器件可以划分为两种类型,一种是无源元器件,另一种是有缘元器件。无源元器件主要包括了光耦合器、光衰减器、光隔离器以及光滤波器等,而有源元器件则包括了光源、光检测器以及放大器等。

在光发送器中配备了驱动器、光源和调制器等器件,其核心功能是把所需要传输的数据、视频以及语音等信号,通过电端机加到调制器上从而有效产生调制好的光信号,同时将光信号耦合到光纤中去。

在选择光源时应该充分地考虑到诸如光纤的尺寸、失真、衰减等各种客观因素的影响,尽量满足光源峰值波长处于低损耗范围,目前三个低损耗窗口分别是850nm、1310nm、1550nm。常用的光源有两类,一类是半导体激光器,另一类是发光二极管,它们显著的特点是体积小、使用灵活,能够实现载流子的成功注入,帮助工作人员控制发送器的实际输出功率。激光二极管又被人们简称为LD,其在有缘层的包裹材料使用中,同时涵盖了低折射率和宽带隙两方面内容。LD不但能够实现对注入有缘区域电信号的有效限制,将其控制在规范区域内进行输出作业,还能够有效产生波导现象。

光调制器是指将光信号的一个或多个特征参量按被传送信息的特征变化,以实现信息检测传送目的的一类器件。调制器是根据电光效应制成,根据调制方式与光源的关系来分有内调制和外调制两种,如图1所示。

目前常用的调制器有马赫-曾德尔调制器、LiNbO2外调制器、多量子阱分布反馈激光器,外调制大多采用多量子阱分布反馈激光器,它可以输出大功率激光,功率-电流线性关系好,能够稳定温度变化,AIGalnAs量子阱激光器的特征温度可达150K,因而在光纤通信中至关重要。

光纤作为光纤通信中必不可缺的无源器件,其显著特征就是具有巨大宽带,被广泛的应用在网络通信领域中。在光纤通信市场上,为了有效适应更长距离以及更大容量WDM系统的要求,技术人员开发研制除了一种具有大面积的光纤,该种光纤能够承受较大的光功率,并且还能够有效解决非线性问题。为了最大程度挖掘出光纤宽带的潜力,开始通过使用超纯光纤制造技术研制出宽带为1.28-1.65nm的全波光纤,该光纤具有较大的通信容量,能够满足现代网络光带用户的各种数据传输要求。

光接收机主要由光电检测器和光放大器组成,用于接收光信号,它的输出特性反映出整个光纤通信系统的综合性能。IBM2017年运用CMOS光子学技术研发出传输速率达60Gbit/s的光接收机,具有9dB/mw灵敏度的功耗,适合高带宽连接、高吞吐量要求的云计算、数据中心等应用。

光电检测器将光信号转换成电信号,其性能对光电系统的性能影响很大。常用的有PIN型光电二极管和APD雪崩光电二极管。光电倍增管能够探测微弱光辐射的特性,放大倍率很高,具备探测单光子的能力。光电检测器件将朝着高精度、小型、快速、非接触等方向发展。

光放大器主要包括了半导体光放大器以及各种掺杂的光纤放大器,比如常见的非线性光放大器、掺镨光纤放大器机氟化物掺铒光纤发达器等。半导体光放大器可以划分为两种类型,一种是行波放大器,另一种是F-P谐振放大器。当前在光纤通信市场上普遍应用的是行波放大器。通过改变半导体材料的构成成分,能够有效在1300-1600nm的一个特定波长范围内获得信号增益。

4G的建设拉动中国光纤光缆行业的发展,占据了全球60%以上的产能和市场,部分光纤光缆企业已经掌握核心技术。

博创科技:博创科技成立之初专注于集成光电子器件的后端封装,主要生产PLC光分路器,应用于光纤接入网,后续又逐步将产品线扩充至DWDM器件,主要实现光纤通信骨干网、城域网波分复用。公司于2015年切入光有源器件市场,该器件主要为数据中心光电信号转换,目前该业务已经成为公司成长最快的细分业务。华泰证券研究报告认为公司光电子集成研发实力强劲,毛利率领先于行业内其他企业,未来无源业务有望持续增长。

光迅科技:光迅科技2017年牵头组建的“国家信息光电子创新中心”,近日已由国家工信部正式批复同意建设。制造大国到制造强国,“中国芯”产业化之路启航国家信息光电子创新中心以光电子发展联盟为基础,武汉光谷信息光电子创新中心有限公司为依托,采取“公司+联盟”模式运行。其中武汉光谷信息光电子创新中心有限公司由光迅科技6000万元出资成立,后引入8家战略投资者增资至1.6亿元资本。中心目前共有三个分布区域,分别为芯片技术部、器件技术部和集成光电部区域。依托光迅芯片平台、国家重点实验室两大技术平台,创新中心组建了光电芯片工艺平台和光电集成研发平台(硅光平台、高端器件验证平台),形成了从材料生长,芯片后工艺、光子集成、光电集成、高速系统硬件试验测试的高端工艺和测试的技术平台。

其他在经营范围中提及光电子器件的研发、生产、制造的公司有:亨通光电、华映科技、浙江旭光、荣宝科技、派诺光电、宏业农装、驿路通、三景科技、露笑科技、丰海科技、恒宝通、光莆股份、寰宇科技、恒宝通、芯瑞科技、国瓷材料等。

现代光纤通信事业的建设发展离不开新型光电子器件的研制应用。因此,国家相关政府部门要加强与社会通信企业的合作与交流,共同大力发展光纤通信事业,加强对光电子器件的开发研制工作,深入研究分析光电子技术,有效推动我国光纤通信技术稳定持续的发展。