劉秀娟，吳杜雄

（1.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京，100176；2.廣州賽西標(biāo)準(zhǔn)檢測研究院有限公司，廣東廣州，510700）

0 引言

光電子芯片與器件位于光通信產(chǎn)業(yè)鏈上游，是光網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)設(shè)備的核心“命門”，也是全球光通信乃至信息通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭的制高點(diǎn)。光通信系統(tǒng)主要包括光發(fā)射機(jī)、光調(diào)制器、光纖（纜）、光放大器、光接收機(jī)等，其中光調(diào)制器是一種調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件[1]，在光通信的發(fā)射、傳輸、接收過程中，光調(diào)制器通常被用于控制光的強(qiáng)度，是高速、長距離光通信系統(tǒng)的重要組成部分。

黨的十九大報(bào)告指出，中國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增長，光調(diào)制器市場迎來發(fā)展新機(jī)遇。值此中國共產(chǎn)黨成立100 周年之際，我們深入分析光調(diào)制器產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，提出相關(guān)建議，進(jìn)一步探尋實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的方法和途徑。

1 技術(shù)發(fā)展趨勢

1.1 技術(shù)方案多樣，各存優(yōu)勢

光調(diào)制器按材料主要分為鈮酸鋰（LiNbO3）調(diào)制器、磷化銦（InP）調(diào)制器、硅光調(diào)制器和聚合物調(diào)制器四種。鈮酸鋰調(diào)制器是利用鈮酸鋰晶體的線性電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制，其線性度高、調(diào)制帶寬大、消光比高[2]，但其驅(qū)動(dòng)電壓高、體積大，難以與其他器件高度集成，目前商用市場成熟的鈮酸鋰調(diào)制器均是采用塊狀的鈮酸鋰晶體材料，在100Gb/s 及以上長距離干線傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。磷化銦調(diào)制器是利用量子限制效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制，其調(diào)制效率高、體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低，可與激光器單片集成，但其工藝要求高、成本高，目前已成熟商用。硅光調(diào)制器是利用材料折射率的變化對傳輸光的相位和波長進(jìn)行調(diào)制的光波導(dǎo)器件，具有體積小、驅(qū)動(dòng)電壓低，與CMOS 工藝兼容的特點(diǎn)，但其消光比低、插損大、線性度差。聚合物調(diào)制器利用線性電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電信號對光信號的調(diào)制，具有尺寸小、調(diào)制電壓低，帶寬大等特點(diǎn)，但其插損大，穩(wěn)定性差。

1.2 產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)調(diào)整，市場更加復(fù)雜

近年來，全球光通信芯片和器件市場資本運(yùn)作頻繁，國內(nèi)外企業(yè)在磷化銦激光器、光子集成電路以及相關(guān)組件和模塊、鈮酸鋰高速調(diào)制器等產(chǎn)品方面，通過產(chǎn)業(yè)鏈“橫向整合”、下游向上游的“縱向延伸”，或“縱向下游剝離”等方式不斷擴(kuò)大產(chǎn)品體系，豐富產(chǎn)品生產(chǎn)線，增強(qiáng)優(yōu)勢產(chǎn)品實(shí)力，拓展市場渠道。例如，Lumentum 收購Oclaro 公司，獲得磷化銦激光器和光子集成電路以及相關(guān)組件和模塊的生產(chǎn)能力；TeraXion收購COGO Optronics 子公司，獲得磷化銦調(diào)制器產(chǎn)品線，且增強(qiáng)公司的光子集成技術(shù)能力；國內(nèi)的光庫科技收購Lumentum 的鈮酸鋰高速調(diào)制器產(chǎn)品線，進(jìn)一步豐富公司的產(chǎn)品線，拓展電信市場渠道。

在國家政策支持和引導(dǎo)下，國內(nèi)的光通信市場繁榮發(fā)展，國內(nèi)加快在硅光、磷化銦調(diào)制器方面的研發(fā)，通信領(lǐng)域的整機(jī)裝備公司也進(jìn)行從芯片到整機(jī)的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，目前國內(nèi)已研發(fā)出25Gb/s 的磷化銦調(diào)制器和硅光調(diào)制器，并具備高速磷化銦調(diào)制器的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)32GBd 硅光調(diào)制器的量產(chǎn)能力，并研發(fā)出64GBd 的硅光調(diào)制器樣品。

1.3 技術(shù)不斷突破，爭相創(chuàng)新發(fā)展

隨著調(diào)制器技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，調(diào)制技術(shù)向更高的帶寬、更高的速率和更高的集成化方向發(fā)展。2018 年哈佛大學(xué)研發(fā)帶寬15GHz、低半波電壓的鈮酸鋰調(diào)制芯片樣品，證明單晶鈮酸鋰薄膜獲得高性能調(diào)制器的可能性。2019 年中山大學(xué)研發(fā)硅與鈮酸鋰混合集成電光調(diào)制器樣品，其尺寸約5mm，插入損耗為2.5dB、帶寬大于70GHz、調(diào)制速率達(dá)112Gb/s[3]，證明硅基集成中加入鈮酸鋰材料實(shí)現(xiàn)小尺寸、高速率和低調(diào)制電壓的可行性。磷化銦材料是行業(yè)最初期實(shí)現(xiàn)光電子集成的材料，發(fā)展起步早，工藝成熟度高[4]，在調(diào)制器等有源器件方面性能優(yōu)于硅光器件，能夠?qū)崿F(xiàn)有源和無源的光子集成。硅光在外調(diào)制、合分波等器件小型化、集成化方面發(fā)展迅速，2019 年，北京大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出單通道200Gbps 速率的硅基光調(diào)制芯片。

1.4 集成化是重要發(fā)展趨勢，但仍面臨多重挑戰(zhàn)

光子集成、光電混合集成（合封、晶圓級鍵合）、光電單片集成是光電子領(lǐng)域的集成化發(fā)展的三種方式。光子集成分為磷化銦和硅光兩種技術(shù)體系。磷化銦技術(shù)成熟度高，在激光器、調(diào)制器等有源器件方面性能優(yōu)于同類硅光器件，可實(shí)現(xiàn)有源和無源器件的光子集成。硅光技術(shù)的最大優(yōu)勢是可重復(fù)利用CMOS 工藝，并實(shí)現(xiàn)光芯片和電芯片的混合集成。目前中小規(guī)模光子集成技術(shù)已經(jīng)成熟并取得廣泛商用，將數(shù)百個(gè)元器件集成的大規(guī)模集成方式在集成度、規(guī)模生產(chǎn)能力和商用方面仍存在很多挑戰(zhàn)。例如在光源集成困難、需在標(biāo)準(zhǔn)CMOS基礎(chǔ)上引入特殊工藝控制、封裝校準(zhǔn)要求嚴(yán)格，且成本占芯片總制造成本的50%以上等問題仍是集成化發(fā)展的瓶頸。

2 產(chǎn)業(yè)存在問題

在“寬帶中國”、核高基國家科技重大專項(xiàng)、信息光電子國家級制造業(yè)創(chuàng)新中心等系列國家戰(zhàn)略規(guī)劃的實(shí)施下，有效促進(jìn)我國光電子芯片及器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但光調(diào)制器產(chǎn)業(yè)仍面臨諸多問題。

2.1 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，企業(yè)普遍規(guī)模小

我國光通信產(chǎn)業(yè)鏈整體呈現(xiàn)下游強(qiáng)、上游弱，低端強(qiáng)、高端弱的態(tài)勢，國內(nèi)調(diào)制器企業(yè)普遍規(guī)模小，產(chǎn)品水平低端，與發(fā)達(dá)國家存在代際差距，以鈮酸鋰調(diào)制器為例，日本Fujitsu公司在2003 年以前推出的驅(qū)動(dòng)電壓1.8V、帶寬40G 的鈮酸鋰調(diào)制器，截至2019 年該產(chǎn)品仍是同類產(chǎn)品中驅(qū)動(dòng)電壓最低的產(chǎn)品。由于光芯片技術(shù)門檻高、研發(fā)周期長，投資回報(bào)慢，國內(nèi)企業(yè)的內(nèi)生式發(fā)展難度較大，商業(yè)驅(qū)動(dòng)力不足。

2.2 國內(nèi)技術(shù)水平較低，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口

國內(nèi)擁有10Gb/s 速率及以下芯片的量產(chǎn)能力，目前25Gb/s 及以上速率的高速調(diào)制器主要掌握在美國、日本等少數(shù)幾家公司。美國Lumentum 公司與日本Fujitsu 公司的鈮酸鋰調(diào)制器全球市占率超過90%；系統(tǒng)設(shè)備使用的磷化銦調(diào)制器和鈮酸鋰調(diào)制器主要來自美國Lumentum 公司、日本Sumitomo 公司和Fujitsu 公司；硅光調(diào)制器主要來自美國Neophotonics 公司。相較于光通信產(chǎn)業(yè)鏈的其他產(chǎn)品，我國的調(diào)制器產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)機(jī)構(gòu)不多，在硅光、磷化銦調(diào)制器方面，國內(nèi)有實(shí)力的大公司從芯片到整機(jī)的全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行布局，已研發(fā)出25Gb/s 的磷化銦調(diào)制器和硅光調(diào)制器，具備高速磷化銦調(diào)制器的生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)32GBd 硅光調(diào)制器的量產(chǎn)能力，并研發(fā)出64GBd 的硅光調(diào)制器樣品。

2.3 工藝門檻高，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱

國內(nèi)在光電子芯片制造用原材料方面幾乎不具備研發(fā)生產(chǎn)的能力，主要依賴從日本、美國和韓國進(jìn)口。調(diào)制器的工藝流程主要取決于芯片的材料和結(jié)構(gòu)等，不同材料的光調(diào)制器采用的工藝不同，例如鈮酸鋰光調(diào)制器主要基于離子擴(kuò)散工藝，磷化銦調(diào)制器主要基于半導(dǎo)體工藝，硅光調(diào)制器主要是基于改進(jìn)的CMOS 工藝。調(diào)制器的生產(chǎn)工藝門檻極高，采用同一種材料制作不同功能的器件，例如采用磷化銦材料制作激光器和制作調(diào)制器，其采用的工藝流程不同，即便采用同一材料制造同一類型的器件，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，工藝流程也不同。由于各類功能器件的材料、工藝的差異，且出貨量小，流片環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度也較低。

3 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

3.1 國際標(biāo)準(zhǔn)化

在國際上，與光電子器件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織主要是國際電工委員會(IEC)半導(dǎo)體器件技術(shù)委員會(TC47)和纖維光學(xué)技術(shù)委員會（TC86），但尚無相關(guān)現(xiàn)行有效的調(diào)制器標(biāo)準(zhǔn)。

TC47 下設(shè)SC47A 集成電路、SC47D 半導(dǎo)體器件機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化、SC47E 半導(dǎo)體分立器件和SC47F 微機(jī)電系統(tǒng)等四個(gè)分技術(shù)委員會。TC47 早期曾設(shè)有SC47C 半導(dǎo)體光電器件分技術(shù)委員會，隨著半導(dǎo)體光電子器件的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展，將光通信系統(tǒng)用的半導(dǎo)體光電子器件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)納入到IEC SC86C 纖維光學(xué)有源器件、組件和系統(tǒng)分技術(shù)委員會。目前SC47E 負(fù)責(zé)制定半導(dǎo)體分立器件、非光通信系統(tǒng)用的半導(dǎo)體光電子器件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如文字符號、名詞術(shù)語、機(jī)械尺寸、額定值和特性、測試方法、試驗(yàn)方法、產(chǎn)品規(guī)范等。

IEC TC86 纖維光學(xué)技術(shù)委員會負(fù)責(zé)光纖通信系統(tǒng)、模塊、纖維光學(xué)元器件標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，下設(shè)SC86A 光纖光纜、SC86B 纖維光學(xué)互連器件和無源器件、SC86C 纖維光學(xué)有源器件、組件和系統(tǒng)等三個(gè)分技術(shù)委員會，工作范疇涉及名詞術(shù)語、特性、試驗(yàn)方法、校準(zhǔn)、測量方法、功能接口、光學(xué)傳輸性能、環(huán)境性能、機(jī)械性能要求等基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品規(guī)范等。

3.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化

在國內(nèi)目前尚未成立半導(dǎo)體光電子器件相關(guān)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)只有以下2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

SJ/T 11404-2009《鈮酸鋰集成光學(xué)器件通用規(guī)范》，規(guī)定鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器、相位調(diào)制器、光開關(guān)以及用于光纖陀螺的Y 波導(dǎo)相位調(diào)制器的質(zhì)量評定程序、檢驗(yàn)要求、篩選、抽樣要求、試驗(yàn)和測量方法。

SJ 20869-2003《鈮酸鋰集成光學(xué)波導(dǎo)調(diào)制器測試方法》，規(guī)定鈮酸鋰集成光學(xué)波導(dǎo)調(diào)制器的插入損耗、分束比、半波電壓等光電參數(shù)的測試方法。

4 相關(guān)建議

在標(biāo)準(zhǔn)化組織方面，隨著光電子器件的技術(shù)水平不斷提升、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，亟需成立光電子器件相關(guān)的技術(shù)委員會，支撐我國光電子器件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。在標(biāo)準(zhǔn)制修訂方面，應(yīng)基于光調(diào)制器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，深入分析光調(diào)制器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)需求，建立和完善光調(diào)制器標(biāo)準(zhǔn)體系，統(tǒng)籌規(guī)劃相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；對比鈮酸鋰、磷化銦、硅基調(diào)制器等產(chǎn)品的工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析各類產(chǎn)品在參數(shù)體系、考核要求等方面的差異，加強(qiáng)磷化銦和硅基調(diào)制器標(biāo)準(zhǔn)適用性分析；密切跟蹤鈮酸鋰薄膜與硅等材料的集成技術(shù)、聚合物調(diào)制器技術(shù)的研究進(jìn)展，分析標(biāo)準(zhǔn)需求，適時(shí)提出標(biāo)準(zhǔn)制修訂相關(guān)建議。