光通信產(chǎn)業(yè)：觀察和思考

光通信產(chǎn)業(yè)：觀察和思考成都普天電纜股份代康1為什么我們應(yīng)跟蹤世界光通信產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及趨勢(shì)（略）2迎接光電子世紀(jì)的全面到來(lái)光通信的基礎(chǔ)是光電子技術(shù)。雖然光電子技術(shù)的起點(diǎn)（1962年半導(dǎo)體激光器問(wèn)世）僅比微電子技術(shù)（以1947年晶體管的發(fā)明為標(biāo)志）晚十多年，但二者遠(yuǎn)不能等量齊觀。2.1電子瓶頸與摩爾定律。摩爾定律的提出已近四十年，它描述芯片上晶體管集成密度或運(yùn)行速度每18~24個(gè)月翻一番，但該定律最終必然遭逢物理極限。這是因?yàn)殡S著集成度的提高，集成電路互連線寬減小，導(dǎo)致電子遷移和應(yīng)力遷移現(xiàn)象；其次，線寬越細(xì)，電阻越大，回路的時(shí)間常數(shù)增加，信號(hào)延遲隨之上升。結(jié)果是電處理速度（取決于集成電路的處理速度而不是單個(gè)晶體管的門限速度）受限，形成所謂的“電子瓶頸”。此外，布線距離越窄電磁耦合越嚴(yán)重。由于光通信系統(tǒng)中有大量的“光-電-光”（OEO）轉(zhuǎn)換，電子瓶頸制約了信號(hào)處理速度跟不上傳輸速率。專家們?cè)A(yù)計(jì)建立在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上的電時(shí)分復(fù)用（ETDM）通信系統(tǒng)的極限傳輸速率是10Gb/s，但是柳暗花明又一村，芯片技術(shù)進(jìn)步屢屢沖破了這一預(yù)期：一是采用新的化合物半導(dǎo)體材料。一般認(rèn)為基于Si、GeSi、InP材料的電子通信系統(tǒng)傳輸速率上限分別是10Gb/s、50Gb/s、160Gb/s。在2000年，采用InP和SiGe這兩種技術(shù)的靜態(tài)數(shù)字頻分器的運(yùn)行速度都已能達(dá)到70GHz。其次是設(shè)計(jì)方法上有新思路。電子的脈沖寬度最窄在納秒（ns）量級(jí)，因此電子通信中信息速率被限定在千兆（109）b/s以內(nèi)，提高速率可通過(guò)并行處理方式。美國(guó)Inphi公司2002年1月推出80Gb/s解復(fù)用器，采用方法是將單一高速串行信號(hào)流變換為4個(gè)輸出信號(hào)至收發(fā)器，自稱這將為同步光網(wǎng)絡(luò)（SONET）系統(tǒng)OC-768(40Gb/s)鋪平道路。這種方式也降低了對(duì)器件高速特性的要求，從而降低了器件成本。從半導(dǎo)體行業(yè)來(lái)看，現(xiàn)在已采用銅連線代替鋁連線并且采用低介電常數(shù)的互連介質(zhì)，開(kāi)發(fā)出線寬小于90nm的芯片，集成1億個(gè)晶體管。2002年5月英特爾公司總裁貝瑞特訪問(wèn)成都，自信15年內(nèi)摩爾定律仍將有效。該公司在2002年11月的微處理器論壇上宣布2007年將推出集成10億個(gè)晶體管、運(yùn)行頻率6GHz的芯片（線寬可能是45nm）。看來(lái)電子技術(shù)對(duì)提高通信速率的貢獻(xiàn)尚未有窮期。雖然如此，電子瓶頸始終在前方等著。信息傳輸和處理能力的大幅度提升將有待于從微電子時(shí)代進(jìn)入光電子、光子時(shí)代。為什么有此一說(shuō)?2.2光電子和光子學(xué)簡(jiǎn)單來(lái)講,目前實(shí)驗(yàn)室光子脈沖寬度已低于10個(gè)飛秒(fs，f為10-15)，如果光脈沖重復(fù)速率足夠快，光子信息速率將有能力達(dá)到幾十個(gè)太（拉）比特/秒（Tb/s，T為1012)。這里有兩個(gè)基本概念。其一，光子。1926年“光粒子”被美國(guó)物理學(xué)家命名為光子。光子是玻色子，不帶電荷，在自由空間傳播的光路交叉卻互不影響，即有空間相容性，這也是后面談到的波分復(fù)用（WDM）的物理基礎(chǔ)。更完整的表述是，真空中光子間相互不排斥，而在物質(zhì)（如光纖）中影響極微弱。其二，光子學(xué)。研究?jī)?nèi)容是作為信息和能量載體的光子的行為及其應(yīng)用，是一門歷史久遠(yuǎn)的學(xué)科，其基礎(chǔ)包括愛(ài)因斯坦﹑理查德_費(fèi)曼等大師創(chuàng)立的量子物理學(xué)。很多光通信用光電器件和系統(tǒng)都是利用了光子的量子特性和效應(yīng)。曾經(jīng)是只要了解光的射線理論就可初步理解光纖傳輸?shù)脑恚M(jìn)入新的領(lǐng)域，必須了解光的粒子性——不是簡(jiǎn)單地承認(rèn)波粒二象性，而是用量子理論的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)。在理解光檢測(cè)器件的工作原理時(shí)就要將接收光看作粒子，但相干光的檢測(cè)卻是基于光的波動(dòng)性。再舉雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器為例，當(dāng)它的有源層厚約100nm時(shí)，其中的載流子可以作為粒子來(lái)處理；但當(dāng)該厚度減至10nm而與電子德布羅意波波長(zhǎng)相比擬時(shí)，載流子有效質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)波動(dòng)性的量子學(xué)特性顯露出來(lái)，這時(shí)有源層與周圍包覆層產(chǎn)生很窄的阱狀勢(shì)壘，注入到勢(shì)阱中的電子與空穴作為滿足特定方程與邊界條件的波動(dòng)而被限制在這一量子阱（QW）中，激光器獲得嶄新的增益頻譜特性，功耗下降，響應(yīng)速度上升?，F(xiàn)在上檔次的半導(dǎo)體光電子器件幾乎都采用了量子阱結(jié)構(gòu)，這要?dú)w于20世紀(jì)七十年代后期分子束外延（MBE）和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD或OMVPE）技術(shù)的發(fā)展，能控制若干原子層異質(zhì)材料的生長(zhǎng)。2.3光集成技術(shù)綿光通旬信的喪進(jìn)一添步發(fā)公展離田不開(kāi)牛光集交成化貨技術(shù)作，在石當(dāng)前頃不景遇氣的均形勢(shì)考下，禁光集莊成技楚術(shù)將扶有助腥于降匙低成處本。堂(1評(píng))恨功能么集成半和個(gè)劫數(shù)集看成君光集價(jià)成有甲功能乞集成宵和個(gè)胳數(shù)集偶成兩糾個(gè)方體向?？姿^黑的功節(jié)能集積成是標(biāo)把具體有不忙同功員能的焦光、去光電符器件飄集成像在一變個(gè)芯草片上敘，解油決器灘件間鍬的連劃接問(wèn)減題，表提高年可靠金性，淡與發(fā)百展集鍋成電轎路的犯初衷急一樣燒。當(dāng)照然小弊型化市、低仔成本簽也是早集成倍的目協(xié)的，皇可降徹低設(shè)組備功種耗從堂而降世低運(yùn)臟營(yíng)成駛本，潮這在娘通信討行業(yè)各不景庫(kù)氣的較時(shí)期毛尤為呼重要?jiǎng)偂狞S發(fā)展址來(lái)看楊，早根期用頸光波榮導(dǎo)代描替光紋學(xué)鏡搜子是棕一進(jìn)桂步；拖現(xiàn)在帖用光共刻法秤代替惡光纖妄、光瘋波導(dǎo)慶、自他由空鴉間輻裙射光頓束則糖更具您革新頑性，月不但葡降低猾光器該件制宴作工盾時(shí)，錄而且南提高么了可敢靠性歡。這紐項(xiàng)工豐作始括于閣20稿神世紀(jì)讀八十乘年代肉后期濟(jì)將無(wú)船源光籌器件霸集成聾在單禿一芯宮片上棋的探賊索，雀今后燕還會(huì)毒加上濫激光辜器等慈有源級(jí)器件角，但攏難度帶比集尋成電哄路技滿術(shù)大騙得多貸，因獲為很鑼難解期決不偷同材盟料制布成的祖器件蠶如何襯集成候。例轉(zhuǎn)如鈮撒酸鋰壁（犯Li族Nb遼O3副）晶韻體為賢襯底楚的財(cái)M-棵Z那電光晶調(diào)制仿器（廢EO中M仔）還杠無(wú)法友和半裁導(dǎo)體矮材料諒的分碌布反匆饋激毒光器牧（來(lái)DF桑B-鎮(zhèn)LD泰）、聲分布坑布拉令格反熱射激以光器哨（雞DB瀉R-排LD志）集圍成在植一起瘋，只購(gòu)能通繡過(guò)保擔(dān)偏光光纖將墨光從眉激光瓦器引尼入到輩調(diào)制疲器后移再用鍬普通小光纖校引出法，所吊需的晴工藝弊既難至又耗夸費(fèi)時(shí)命間，倒封裝研要求急高；漏而由老半導(dǎo)鞋體材扔料制歡成的天量子調(diào)阱電鋼吸收銳調(diào)制通器（故EA追M桃）除華尺寸任小、集驅(qū)動(dòng)甩電壓撐低的裙優(yōu)點(diǎn)堆外，鐵最有哀吸引闖力之孩處還佩在于租它可瞇以與騰DF癢B-夏LD盡集成奧在一產(chǎn)起，慎是當(dāng)妖前高扛速調(diào)稈制器樸的研尺究熱槳點(diǎn)。擁但擁EA政M守的消成光比棒不及頸EO侮M等，且盟現(xiàn)在腳只達(dá)恐到掛10競(jìng)Gb宜/s圍的調(diào)時(shí)制速擔(dān)率，孫可以作判斷燙的是翼今后稍幾年吩鈮酸賴鋰調(diào)原制器判仍將奇是高宴速外醒調(diào)制萄器的舒主流差技術(shù)棄，誰(shuí)拌也難扎于斷維言它孟會(huì)在齡何時(shí)埋受到鄙多大巖程度鋸的挑冠戰(zhàn)，竄關(guān)鍵以是改波進(jìn)制面造工吵藝以毅降低瓜半波勸電壓蔬（惡OF模C2煩00頃2紅上日秘本富川士通旺介紹留了半蒸波電檢壓僅視為盞0.脊9V編的產(chǎn)禮品）讀。光找通信柜業(yè)產(chǎn)所品更同新快遍，研捐發(fā)一離旦停伏頓就榮將前螞功盡晌棄，病在進(jìn)邀行產(chǎn)聞品技諒術(shù)可民行性脅分析價(jià)時(shí)，西不要駝強(qiáng)行勒去預(yù)贈(zèng)測(cè)五續(xù)年甚吼至三偶年以移后的旗事情閥。禁個(gè)數(shù)摧集成瞧則是艱將多吵個(gè)同屆樣的意器件努集成懷在一豪個(gè)單猶片上駁，其蹤目的垃主要您在于抹解決澇小型拔化的潮問(wèn)題倘。這梯方面松的例辜子很塊多，閱如陣鄙列波姑導(dǎo)光糧柵（膨AW罩G痕）；薦多個(gè)礙垂直奇腔表譯面發(fā)為射激書光器再（濫VC射SE牽L刊）集貞成在輕一起暴構(gòu)成侍密集頭波分卻復(fù)用需（媽DW的DM懼）系倍統(tǒng)所秧需的陷激光延器陣熟列。氏具體驕例子嗎有今20詠02和年年練初報(bào)放道的芬Li捷gh雙tw晝av唐e跡Mi歷cr去os辱ys材te委ms貸淡公司角將低約損耗夫的顯AW私G斬和紛1百0絹個(gè)誦VO河A嫂(梢可變獲光衰優(yōu)減器潛)拒集成票在一經(jīng)個(gè)芯疼片上批，而蒼一般熱至少耳需爽7莊9屋個(gè)分掘立元辭件。藝（殼2倆）光已光集創(chuàng)成和深光電其集成核這是牢集成壤的兩位種方蝶式。求光光橡集成減以它1怒96準(zhǔn)9醒年始家創(chuàng)的擠集成疼光路澇為代拘表，這從體搬結(jié)構(gòu)器的組霸合到其以光牌波導(dǎo)秋形式怨實(shí)現(xiàn)賄光調(diào)掌制器扎和光費(fèi)開(kāi)關(guān)殿等；址光電翻集成講指光譜子器躲件和恐電子旱器件櫻均集袍成在揭同一月襯底漏上得峽到光呀電子宣集成桂回路腳（迷O(shè)E梅IC叢）。竹典型改例子踐有微睛電子垂機(jī)械星系統(tǒng)霧（醫(yī)ME址MS艦），大它從三19劇72唇年誕喘生到慶今天架已發(fā)脹展成醒為跨茅越多漁個(gè)學(xué)蟻科的真領(lǐng)域海，形隔成了制產(chǎn)業(yè)黑，應(yīng)培用面餡不單脖限于桿光通景信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