光調制器技術發展現狀及標準化研究

劉秀娟，吳杜雄

（1.中國電子技術標準化研究院，北京，100176；2.廣州賽西標準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業鏈上游，是光網絡及系統設備的核心“命門”，也是全球光通信乃至信息通信產業技術競爭的制高點。光通信系統主要包括光發射機、光調制器、光纖（纜）、光放大器、光接收機等，其中光調制器是一種調控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件[1]，在光通信的發射、傳輸、接收過程中，光調制器通常被用于控制光的強度，是高速、長距離光通信系統的重要組成部分。

黨的十九大報告指出，中國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，隨著5G 網絡、數據中心等新型基礎設施建設需求的不斷增長，光調制器市場迎來發展新機遇。值此中國共產黨成立100 周年之際，我們深入分析光調制器產品的發展現狀，提出相關建議，進一步探尋實現高質量發展的方法和途徑。

1 技術發展趨勢

1.1 技術方案多樣，各存優勢

光調制器按材料主要分為鈮酸鋰（LiNbO3）調制器、磷化銦（InP）調制器、硅光調制器和聚合物調制器四種。鈮酸鋰調制器是利用鈮酸鋰晶體的線性電光效應來實現信號的調制，其線性度高、調制帶寬大、消光比高[2]，但其驅動電壓高、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中應用廣泛。磷化銦調制器是利用量子限制效應實現信號的調制，其調制效率高、體積小、驅動電壓低，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。硅光調制器是利用材料折射率的變化對傳輸光的相位和波長進行調制的光波導器件，具有體積小、驅動電壓低，與CMOS 工藝兼容的特點，但其消光比低、插損大、線性度差。聚合物調制器利用線性電光效應來實現電信號對光信號的調制，具有尺寸小、調制電壓低，帶寬大等特點，但其插損大，穩定性差。

1.2 產業鏈持續調整，市場更加復雜

近年來，全球光通信芯片和器件市場資本運作頻繁，國內外企業在磷化銦激光器、光子集成電路以及相關組件和模塊、鈮酸鋰高速調制器等產品方面，通過產業鏈“橫向整合”、下游向上游的“縱向延伸”，或“縱向下游剝離”等方式不斷擴大產品體系，豐富產品生產線，增強優勢產品實力，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組件和模塊的生產能力；TeraXion收購COGO Optronics 子公司，獲得磷化銦調制器產品線，且增強公司的光子集成技術能力；國內的光庫科技收購Lumentum 的鈮酸鋰高速調制器產品線，進一步豐富公司的產品線，拓展電信市場渠道。

在國家政策支持和引導下，國內的光通信市場繁榮發展，國內加快在硅光、磷化銦調制器方面的研發，通信領域的整機裝備公司也進行從芯片到整機的全產業鏈布局，目前國內已研發出25Gb/s 的磷化銦調制器和硅光調制器，并具備高速磷化銦調制器的生產能力，實現32GBd 硅光調制器的量產能力，并研發出64GBd 的硅光調制器樣品。

1.3 技術不斷突破，爭相創新發展

隨著調制器技術不斷創新發展，新產品不斷涌現，調制技術向更高的帶寬、更高的速率和更高的集成化方向發展。2018 年哈佛大學研發帶寬15GHz、低半波電壓的鈮酸鋰調制芯片樣品，證明單晶鈮酸鋰薄膜獲得高性能調制器的可能性。2019 年中山大學研發硅與鈮酸鋰混合集成電光調制器樣品，其尺寸約5mm，插入損耗為2.5dB、帶寬大于70GHz、調制速率達112Gb/s[3]，證明硅基集成中加入鈮酸鋰材料實現小尺寸、高速率和低調制電壓的可行性。磷化銦材料是行業最初期實現光電子集成的材料，發展起步早，工藝成熟度高[4]，在調制器等有源器件方面性能優于硅光器件，能夠實現有源和無源的光子集成。硅光在外調制、合分波等器件小型化、集成化方面發展迅速，2019 年，北京大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室研發出單通道200Gbps 速率的硅基光調制芯片。

1.4 集成化是重要發展趨勢，但仍面臨多重挑戰

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域的集成化發展的三種方式。光子集成分為磷化銦和硅光兩種技術體系。磷化銦技術成熟度高，在激光器、調制器等有源器件方面性能優于同類硅光器件，可實現有源和無源器件的光子集成。硅光技術的最大優勢是可重復利用CMOS 工藝，并實現光芯片和電芯片的混合集成。目前中小規模光子集成技術已經成熟并取得廣泛商用，將數百個元器件集成的大規模集成方式在集成度、規模生產能力和商用方面仍存在很多挑戰。例如在光源集成困難、需在標準CMOS基礎上引入特殊工藝控制、封裝校準要求嚴格，且成本占芯片總制造成本的50%以上等問題仍是集成化發展的瓶頸。

2 產業存在問題

在“寬帶中國”、核高基國家科技重大專項、信息光電子國家級制造業創新中心等系列國家戰略規劃的實施下，有效促進我國光電子芯片及器件產業發展，但光調制器產業仍面臨諸多問題。

2.1 產業結構不合理，企業普遍規模小

我國光通信產業鏈整體呈現下游強、上游弱，低端強、高端弱的態勢，國內調制器企業普遍規模小，產品水平低端，與發達國家存在代際差距，以鈮酸鋰調制器為例，日本Fujitsu公司在2003 年以前推出的驅動電壓1.8V、帶寬40G 的鈮酸鋰調制器，截至2019 年該產品仍是同類產品中驅動電壓最低的產品。由于光芯片技術門檻高、研發周期長，投資回報慢，國內企業的內生式發展難度較大，商業驅動力不足。

2.2 國內技術水平較低，高端產品依賴進口

國內擁有10Gb/s 速率及以下芯片的量產能力，目前25Gb/s 及以上速率的高速調制器主要掌握在美國、日本等少數幾家公司。美國Lumentum 公司與日本Fujitsu 公司的鈮酸鋰調制器全球市占率超過90%；系統設備使用的磷化銦調制器和鈮酸鋰調制器主要來自美國Lumentum 公司、日本Sumitomo 公司和Fujitsu 公司；硅光調制器主要來自美國Neophotonics 公司。相較于光通信產業鏈的其他產品，我國的調制器產品研發生產機構不多，在硅光、磷化銦調制器方面，國內有實力的大公司從芯片到整機的全產業鏈進行布局，已研發出25Gb/s 的磷化銦調制器和硅光調制器，具備高速磷化銦調制器的生產能力，實現32GBd 硅光調制器的量產能力，并研發出64GBd 的硅光調制器樣品。

2.3 工藝門檻高，國內產業基礎薄弱

國內在光電子芯片制造用原材料方面幾乎不具備研發生產的能力，主要依賴從日本、美國和韓國進口。調制器的工藝流程主要取決于芯片的材料和結構等，不同材料的光調制器采用的工藝不同，例如鈮酸鋰光調制器主要基于離子擴散工藝，磷化銦調制器主要基于半導體工藝，硅光調制器主要是基于改進的CMOS 工藝。調制器的生產工藝門檻極高，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，其設計結構不同，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，流片環節的自動化程度也較低。

3 標準化現狀

3.1 國際標準化

在國際上，與光電子器件相關標準化組織主要是國際電工委員會(IEC)半導體器件技術委員會(TC47)和纖維光學技術委員會（TC86），但尚無相關現行有效的調制器標準。

TC47 下設SC47A 集成電路、SC47D 半導體器件機械標準化、SC47E 半導體分立器件和SC47F 微機電系統等四個分技術委員會。TC47 早期曾設有SC47C 半導體光電器件分技術委員會，隨著半導體光電子器件的技術應用發展，將光通信系統用的半導體光電子器件相關標準納入到IEC SC86C 纖維光學有源器件、組件和系統分技術委員會。目前SC47E 負責制定半導體分立器件、非光通信系統用的半導體光電子器件相關標準，如文字符號、名詞術語、機械尺寸、額定值和特性、測試方法、試驗方法、產品規范等。

IEC TC86 纖維光學技術委員會負責光纖通信系統、模塊、纖維光學元器件標準的制修訂工作，下設SC86A 光纖光纜、SC86B 纖維光學互連器件和無源器件、SC86C 纖維光學有源器件、組件和系統等三個分技術委員會，工作范疇涉及名詞術語、特性、試驗方法、校準、測量方法、功能接口、光學傳輸性能、環境性能、機械性能要求等基礎標準和產品規范等。

3.2 國內標準化

在國內目前尚未成立半導體光電子器件相關的專業標準化技術委員會，現行有效的標準只有以下2 個標準。

SJ/T 11404-2009《鈮酸鋰集成光學器件通用規范》，規定鈮酸鋰強度調制器、相位調制器、光開關以及用于光纖陀螺的Y 波導相位調制器的質量評定程序、檢驗要求、篩選、抽樣要求、試驗和測量方法。

SJ 20869-2003《鈮酸鋰集成光學波導調制器測試方法》，規定鈮酸鋰集成光學波導調制器的插入損耗、分束比、半波電壓等光電參數的測試方法。

4 相關建議

在標準化組織方面，隨著光電子器件的技術水平不斷提升、新產品不斷涌現，亟需成立光電子器件相關的技術委員會，支撐我國光電子器件產業高質量發展。在標準制修訂方面，應基于光調制器產業現狀與發展趨勢，深入分析光調制器產品的標準需求，建立和完善光調制器標準體系，統籌規劃相關標準；對比鈮酸鋰、磷化銦、硅基調制器等產品的工藝、結構特點，分析各類產品在參數體系、考核要求等方面的差異，加強磷化銦和硅基調制器標準適用性分析；密切跟蹤鈮酸鋰薄膜與硅等材料的集成技術、聚合物調制器技術的研究進展，分析標準需求，適時提出標準制修訂相關建議。