對光纖通信元器件與模塊技術(shù)發(fā)展趨勢的思考

肖慶強(qiáng)

[摘 ? ?要]中國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，極大地推動了光伏發(fā)電工業(yè)的蓬勃發(fā)展，同時，在新興科技的帶動下，光纖通信技術(shù)在光伏發(fā)電工業(yè)中起到了關(guān)鍵的支撐作用。其中，模塊技術(shù)與光纖通訊元器件是光纖通信技術(shù)領(lǐng)域最主要的技術(shù)層次，因此，文章詳細(xì)介紹了光纖通信元器件與模塊技術(shù)的概念、分類并進(jìn)行了技術(shù)分析，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，希望為相關(guān)人員提供一些新的思路。

[關(guān)鍵詞]光纖通信;元器件;模塊技術(shù);發(fā)展趨勢

[中圖分類號]TN929.11 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–0–03

Reflections on the Development Trend of Optical Fiber

Communication Components and Module Technology

Xiao Qing-qiang

[Abstract]Due to the continuous development of China's social economy， it has provided a great promotion for the vigorous development of the photovoltaic power generation industry. At the same time， driven by emerging technologies， optical fiber communication technology has played a key supporting role in the photovoltaic power generation industry. Among them， module technology and optical fiber communication components are the two most important technical levels of optical fiber communication technology. Therefore， this paper introduces the concept， classification and technical analysis of optical fiber communication components and module technology in detail， and forecasts their development trends. Hope to provide some new ideas for relevant people.

[Keywords]optical fiber communication; components; module technology; development trend

世界經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，推動了由工業(yè)化社會向信息化時代的轉(zhuǎn)變，同時由于人類獲取信息的愿望強(qiáng)烈，對信息產(chǎn)業(yè)的需求量也迅速增長，從而推動了信息通信業(yè)的快速蓬勃發(fā)展。在近些年來，人類的通訊方式已由早期單純的話音聯(lián)系，發(fā)展到逐步增多聯(lián)絡(luò)點(diǎn)，再到了今天的視頻圖像通訊、高科技數(shù)據(jù)分析與傳感器數(shù)據(jù)信息的傳送、錄像播放和遠(yuǎn)程視頻會議。這種新型的通訊方式，適應(yīng)了人類社會發(fā)展的需要。同時隨著新型通訊方案的產(chǎn)生，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的傳輸速度和寬帶已經(jīng)無法滿足需要。有線電視機(jī)通過使用過去的終端用戶技術(shù)設(shè)備（手機(jī)、廣播電視、計算機(jī)），開展通話業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)業(yè)務(wù)，使得各類終端用戶技術(shù)設(shè)備間的區(qū)別越來越朦朧不清楚，因為使用者能夠在任意地方和時間利用某種技術(shù)設(shè)備（如手機(jī)）來發(fā)電子郵件、通話、觀看直播、拍照。而這種特點(diǎn)和改變，給了原有的電信網(wǎng)路以很大的沖擊，也給其發(fā)展帶來了嶄新的機(jī)會，將推動通信向智能、數(shù)字化、綜合化和全球性發(fā)展。

1 光纖通信概述

光纖通信，是指各種使用光和光纖（optical fiber）傳播信息的方法。作為有線電視通訊的一類，光通過調(diào)變（modulation）后便可帶走訊息。自20世紀(jì)80年代以來，光纖通信系統(tǒng)對世界電信業(yè)產(chǎn)生了革命性的影響，并在數(shù)字信息時代發(fā)揮了關(guān)鍵作用。因為有線光數(shù)據(jù)通信具有數(shù)據(jù)傳輸容量大、保密性好的優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖通信系統(tǒng)已成為最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)通信方式。其原理：把需要發(fā)出的訊息直接從收發(fā)終端投入到發(fā)送機(jī)中，把訊息重疊并調(diào)節(jié)在用作信息信號載體的載波上，接著再把已調(diào)節(jié)的載波經(jīng)由傳入媒質(zhì)送到遠(yuǎn)處的接收端，再由接收器解調(diào)出原來的訊息。

2 光纖通信元器件與模塊的基本種類分析

一般而言，光一般有兩個類別出現(xiàn)于元電子器件與模組之中，而這也是十分關(guān)鍵的部分：有源電子器件和模塊一般包括光放大、選頻光、調(diào)頻技術(shù)光、DWDM光傳輸模塊等，無源形式的光電子器件一般包括光采集設(shè)備、色散補(bǔ)償設(shè)備、光開關(guān)、解復(fù)用設(shè)備和短波分復(fù)用設(shè)備。事實上，許多技術(shù)都可以做出模塊和電子元器件，且這些技術(shù)包括了比較新穎的技術(shù)，這就使得一些優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯。

在接入互聯(lián)網(wǎng)和光纖局域網(wǎng)中使用的模塊和元器件的要求會存在一些差異，且DWDM技術(shù)并不是其發(fā)展的主要方向在現(xiàn)階段，大多數(shù)接入網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)并沒有達(dá)到較高的層次，一些數(shù)據(jù)傳輸頻段的需求通常較低。例如，現(xiàn)階段廣受關(guān)注的1GB/s、專用以太網(wǎng)光纖標(biāo)準(zhǔn)，但對于傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來說，對于單一道的傳輸速率或者骨干傳輸方式而已，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)傳輸方式上都已經(jīng)能夠很好地給予滿足。

3 光纖通信的元器件和模塊技術(shù)分析

3.1 光纖通信被動元器件和模塊技術(shù)分析

光纖通信被動元電子器件和模塊技術(shù)當(dāng)中最基本的儀器就是解多工器和DWDM光波長多工，在每條光纜中配置一系列可變波段光或在同一光纜中收集一些解復(fù)用和復(fù)用的形式，其存在于DWDM信道中，因為距離相對較小，通常保持在100 GHz甚至50 GHz。對于這些多任務(wù)/反多任務(wù)技術(shù)任務(wù)，只有平頭、陡裙和低頻濾波器可以勝任：未來可以充分應(yīng)用不同類型的技術(shù)，這些光帶復(fù)用儀器已經(jīng)設(shè)計和制造，主要包括電子波導(dǎo)器件、傳統(tǒng)衍射柵、光學(xué)涂層、光纖電子器件等。其中，現(xiàn)階段最成熟的技術(shù)是涂層全波長復(fù)用/解復(fù)用設(shè)備。

在光學(xué)鍍膜式解多工元件/波長多工中，光學(xué)鍍膜型濾光器是最重要的1種電子元器件。為了把與需求相符合的DWDM濾光器制造起來，首先必須確保涂層層數(shù)中出現(xiàn)100層，然后根據(jù)每1/4波長設(shè)計每層的厚度，以滿足陡組和平頭的要求，并使用諧振腔的三種結(jié)構(gòu)：其中最關(guān)鍵的是要非常精準(zhǔn)的設(shè)計出各個層面的厚薄，并且必須有準(zhǔn)確及時的厚度監(jiān)控裝置出現(xiàn)于制作之中。

陣列光學(xué)制導(dǎo)元件的設(shè)計是在DWDM/倍增器元件上產(chǎn)生帶寬倍增器的第2種有效方法。事故光通過事故光段到達(dá)最佳組合點(diǎn)后，由于衍射效應(yīng)，事故光分布在陣列光波導(dǎo)的中心部分，然后通過陣列光波導(dǎo)，光被反向引導(dǎo)。根據(jù)不同的頻帶，會有不同程度的線性相位變化。在改變線性相位后，來自不同頻帶的光可以再次會聚到第2部分中的最佳組合點(diǎn)，并且在輸出端具有光波形狀。陣列的雙極化天線是1項重要的基本原理?；陉嚵胁ㄩL，在選擇照射光方向的過程中，salt可以根據(jù)陣列光波長和波長距離的變化值，最合理地選擇照射光的方向。這樣，固定通道將出現(xiàn)在通道間隔中，入射光可能只是輸出端光學(xué)制導(dǎo)陣列中的一個事故。因此，它可以滿足DWDM的各種功能。

全光纖型的光電子器件，是第3種能夠?qū)WDM解多工器/波多長工完成制造的方式，類似地，還有兩種更大類型的電子目標(biāo)裝置：串聯(lián)光纖的干擾類型和布拉格光纖的滿足類型，位于所有光纖的中心，可以垂直影響對于某些類型的高折射率周期滿足，利用布拉格衍射函數(shù)，紫外線傳感器可以垂直檢測，窄帶發(fā)射濾光片可以直接制造。然而，由于它是在一維光纜內(nèi)產(chǎn)生的反射濾光片，因此很難將入射光和內(nèi)部反射光分開。因此，必須使用光纖干涉儀和旋轉(zhuǎn)器的基本結(jié)構(gòu)，否則，此處的光能量損失將相當(dāng)大。對于干式光纖系列的組件，在周期穿透頻率濾波器的生產(chǎn)過程中，光纖干涉儀系列可以改進(jìn)并直接使用，光纖干涉儀的兩臂尺寸可以通過適當(dāng)?shù)倪x擇方法進(jìn)行調(diào)整，對于陡峭的組和數(shù)量有限的要求也可以很好地達(dá)成。

3.2 光纖通信主動元器件及模塊技術(shù)分析

光纖通信主動元器件和模塊技術(shù)中，有幾個極為重要的技術(shù)，比如光傳輸模塊技術(shù)、光放大器技術(shù)、可周頻激光技術(shù)等。

光通信用激光光源包括表面輻射激光器。由于它有1個短的共振箱，所以它可以很好的完成單縱模的傳輸，因此，較窄頻寬在這里是應(yīng)該出現(xiàn)的，也能夠使用垂直的方法來發(fā)送直接輸出光。所以，對on-wafer test也應(yīng)該加以使用，由于它具有更多的相對輻射模式，所以光纖定向技術(shù)中的耦合模式也可以用1種非常簡單的方法來實現(xiàn)。由于上述特點(diǎn)，不僅可使設(shè)備結(jié)構(gòu)的具體成本降低，而且組件的生產(chǎn)流程，與激光技術(shù)發(fā)射板相比，這是非常經(jīng)濟(jì)的，當(dāng)前，邊緣發(fā)射激光技術(shù)只能作為一種短距離高速數(shù)據(jù)傳輸和連接的方法，機(jī)載發(fā)射激光技術(shù)仍然是通信頻段的基礎(chǔ)技術(shù)。

現(xiàn)階段摻餌光纖放大仍是光放大的最主要技術(shù)方法所在，既可能是在L-band上，也可能是在C-banl上。也可能是在具有動態(tài)增益限制和平滑化的復(fù)雜光放大次系統(tǒng)。雖然低成本也是半導(dǎo)體光放大的主要優(yōu)勢所在，不過，由于光載體的生命周期較短，仍然存在許多不確定的影響。在這種情況下，不適合將大量的頻帶信息放大，但處理一些非線性信息是非常合理的。集中式技術(shù)3R是一個典型的代表，這意味著它可以直接將高速信息應(yīng)用到光學(xué)層。拉曼光擴(kuò)展也是一種擴(kuò)展形式，對于這種類型的擴(kuò)展，合理利用反射光的拉曼效應(yīng)，使擴(kuò)展效應(yīng)得到反射。因此，具有高輸出功率的激勵源在這里當(dāng)然是必不可少的：光擴(kuò)展的頻帶可以由激光源的頻帶決定，這也是其獨(dú)特的優(yōu)勢，同時，由于這種擴(kuò)展的分布特性，可以有效地減少光纖信號，從而也可以有效地減少信息傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)。然而，它也有一些缺點(diǎn)，即它有一個高功率的激光傳輸源，但它也有一個相對較高的價格。

4 對光纖通信元器件與模塊技術(shù)發(fā)展趨勢的思考

4.1 光進(jìn)銅退，是影響世界通信產(chǎn)業(yè)的必然趨勢

現(xiàn)代通訊歷史起于1873年由摩爾斯發(fā)明的電報，并實現(xiàn)了電能傳遞文字消息，再后來到現(xiàn)代有線電話、有線電視、無線電話等的開發(fā)與使用，都是采用有線或無線電的通訊方法。但因為電子通信自身的容易受電磁干擾和可以串行通訊的特點(diǎn)，并不能進(jìn)行高速率信號在遠(yuǎn)距離的傳播，因此人類又開始了對光通信的研究。光通訊真正獲得廣泛應(yīng)用的重要標(biāo)志，是20世紀(jì)70時代美國康寧按照高錕的設(shè)計，順利研發(fā)了世界首條20 dB/km的低損失單模光纜，從此開始，光通訊就步入了發(fā)展階段。光通信將光子作為信號傳遞的主要載體，由于光子本身具備很快的反應(yīng)能力、極大的并行能量，且同時無電荷，使之用作信號的主要載體在無電磁干擾情況下又具有極佳的保密性，憑借上述特點(diǎn)，光通信在信息傳遞上具有遠(yuǎn)距離、高效、大容量、高可靠性等的優(yōu)點(diǎn)。隨著世界信息技術(shù)工業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量規(guī)模也越來越巨大，隨著網(wǎng)絡(luò)接入寬帶速度和數(shù)據(jù)流量規(guī)模的同步增長，以銅絲為載體的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模式已無法適應(yīng)升級要求，因此光纜技術(shù)逐步替代了銅絲，而在5G、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新信息技術(shù)所帶動的數(shù)據(jù)流量高速提升下，光進(jìn)銅退已成為世界無線通信行業(yè)的趨勢。

光通信技術(shù)在通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，首次應(yīng)用于大區(qū)域網(wǎng)和長途城域網(wǎng)，但后來由于成本的降低，逐漸沉入中、短距離局域網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)，也用于園區(qū)和公司內(nèi)部網(wǎng)。近年來，云計算需求的增長促進(jìn)了行業(yè)規(guī)模的增長和數(shù)據(jù)中心的技術(shù)更新。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心與外部世界之間的數(shù)據(jù)傳輸速度，并解決數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長的問題，應(yīng)將光通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的通信結(jié)構(gòu)。隨著數(shù)據(jù)中心信息產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)張，中國將成為未來最大的光通信商業(yè)市場。

4.2 光模塊是光通信實現(xiàn)的基礎(chǔ)

受到科技的影響，如今的IT技術(shù)設(shè)備可以分辨電信號，但不可以分辨光信息，因此僅僅使用光纜是無法進(jìn)行機(jī)械設(shè)備內(nèi)部通訊的，因此必須使用光纖收發(fā)器或光模組配合裝置，實現(xiàn)發(fā)射端與接收端的電光、光電轉(zhuǎn)換。光纜接收器是單獨(dú)的裝置，通常應(yīng)用于較長距離數(shù)據(jù)傳輸中，兩端的裝置之間通過網(wǎng)線分別連接二頭的光纜接收器，而光纜收發(fā)器之間直接利用光纜實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，又被稱為光電轉(zhuǎn)換器，是一項比較經(jīng)濟(jì)的方法，但還需兼顧電源、光纜、網(wǎng)線等的實際問題，且數(shù)據(jù)傳輸消耗較高。而背光模組則是單一功能模組，是無法獨(dú)立應(yīng)用的無源設(shè)備，還需要插到OLT、交換機(jī)裝置、服務(wù)器等電子設(shè)備上配套應(yīng)用。對比于傳統(tǒng)光纖收發(fā)器來說，光模組由于支援熱插拔，所以選擇上比較靈活多樣，可以改善網(wǎng)絡(luò)，降低故障點(diǎn)，同時在性能上也更加穩(wěn)定和高效，所以使用通信裝置搭配光模組也是目前運(yùn)營商和數(shù)據(jù)中心所普遍選擇的光通信方法。

4.3 芯片國產(chǎn)與替代要求強(qiáng)烈，產(chǎn)業(yè)競爭布局不斷優(yōu)化

光模組主要由光元件、電晶片、PCB和構(gòu)成要件等構(gòu)成，當(dāng)中光電子器件在整個光模組的總生產(chǎn)成本中占比最高達(dá)到了7成，而光電子器件的核心組成部分則是光接收組件，二者合計占據(jù)光元件總生產(chǎn)成本的約80%，而光晶片則是光接收組件的核心技術(shù)，決定著背光模組的總體性能表現(xiàn)，是企業(yè)乃至于國家光芯片技術(shù)的重要表現(xiàn)。當(dāng)前，中國在光芯片技術(shù)領(lǐng)域方面對國外引進(jìn)依賴性程度較高，特別在25G及上述速度的光芯片上，國產(chǎn)化率僅約為5%，且全部受制于國外供應(yīng)商，因此無論從國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展策略而言還是從商品生產(chǎn)成本層次來看，對高檔光芯片進(jìn)行國產(chǎn)替換的需要巨大。圖1為光模塊的成本構(gòu)成。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，全光通信是光纖通信的主要發(fā)展趨勢。因此，光有源器件與光無源器件的結(jié)合，對光計算、光轉(zhuǎn)換以及光開關(guān)的改進(jìn)和普及有著十分積極的作用，也是未來全光通信網(wǎng)絡(luò)中不可分割的關(guān)鍵要素。僅需要調(diào)制器的光電集成器和DFB-LD就能夠有效地完成高速光通信，同時需要有濾波器、陣列波導(dǎo)光柵和光分波合波器存在于其中，并且分析技術(shù)向著更密的信道間隔、更多的信道數(shù)和更高的信道速率發(fā)展，是WDM技術(shù)的主要發(fā)展方向。在此基礎(chǔ)上，光纖通信技術(shù)的推廣才可以朝著更加合理的方向蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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