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本文由科技導(dǎo)報(bào)（ID:STReview）授權(quán)轉(zhuǎn)載，作者：周天宏 馬衛(wèi)東
低損耗光纖和室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的研制成功，揭開(kāi)了光纖通信發(fā)展的新篇章，促進(jìn)了光纖通信的實(shí)用化。光通信器件是構(gòu)建光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)與核心，是發(fā)展的關(guān)鍵，是光纖通信領(lǐng)域中具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性的戰(zhàn)略必爭(zhēng)之高技術(shù)，也最能 代表一個(gè)國(guó)家在光纖通信技術(shù)領(lǐng)域的水平和能力。 一、光通信發(fā)展史 光通信是指以光作為信息載體而實(shí)現(xiàn)的通信方式（圖1）。按傳輸介質(zhì)的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信。大氣激光通信是利用大氣作為傳輸介質(zhì)的激光通信；光纖通信是以光波作為信息載體，以光纖作為傳輸介質(zhì)的一種通信方式。光通信的發(fā)展史最早可追溯到“烽火臺(tái)”，這是一種目視光通信。1880年，亞歷山大·格拉漢姆·貝爾（Alexander Graham Bell）發(fā)明了一種利用光波作為載波傳輸話(huà)音信息的“光電話(huà)”，它證明了利用光波作載波傳遞信息的可能性，是光通信歷史上的第一步，是現(xiàn)代光通信的雛型。由于當(dāng)時(shí)沒(méi)有可靠的、高強(qiáng)度的光源，且沒(méi)有穩(wěn)定的、低損耗的傳輸介質(zhì)，這種光通信一直未能發(fā)展到實(shí)用階段。直到1960年7月8日，美國(guó)科學(xué)家希奧多·哈羅德·梅曼（Theodore Harold Maiman）發(fā)明了第一個(gè)紅寶石激光器，沉睡了80年的光通信才真正得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。激光器的出現(xiàn)，引發(fā)了世界性的大氣激光通信技術(shù)研究熱潮，1961—1970年，光通信的研究主要集中于利用大氣作為傳輸介質(zhì)的光傳輸實(shí)驗(yàn)，并陸續(xù)出現(xiàn)一些實(shí)用化系統(tǒng)。但是這種大氣激光通信受雨、霧、雪等氣候因素的影響而造成嚴(yán)重的損耗，因此它只能用于很短距離的通信。要充分發(fā)揮光波作為通信介質(zhì)的作用、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信，必須尋找新的概念、探索新的傳輸介質(zhì)，尋找一種較為理想的光傳輸介質(zhì)解決辦法。
20世紀(jì)60年代早期，曾有各種傳光方式探索，例如用空心光波導(dǎo)管、透鏡（或反射鏡）陣列等，但都不能達(dá)到預(yù)期目的；也有不少人試探石英光纖傳光的可能性，卻很少有人相信它可以用在長(zhǎng)距離通信上，因?yàn)楫?dāng)時(shí)作為光導(dǎo)纖維材料的石英玻璃損耗很大，直到20世紀(jì)60年代中期，優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃的傳輸損耗仍高達(dá)1000 dB/km，并且普遍認(rèn)為很難降低。在幾乎毫無(wú)希望的情況下，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所的華裔科學(xué)家高錕（Kao K. C.）博士（圖2）于1966年發(fā)表了一篇奠定光纖通信基礎(chǔ)的重要論文，他指出：光導(dǎo)纖維的高損耗不是其本身固有的，而是由材料中所含雜質(zhì)引起的，如果降低材料中的雜質(zhì)含量，便可極大地降低光纖損耗。他還預(yù)言，通過(guò)降低材料雜質(zhì)含量和改造工藝，可使光纖損耗下降到20 dB/km；通過(guò)原材料的提純能制造出適于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖。在這一理論推斷的引導(dǎo)下，1970年，美國(guó)康寧玻璃公司首先制成了衰減為20 dB/km的低損耗石英光纖。這是光通信發(fā)展的劃時(shí)代事件，它使人們確認(rèn)光導(dǎo)纖維完全能勝任作為光通信的傳輸介質(zhì)，確立了光通信向光纖通信方向發(fā)展的明確目標(biāo)，揭開(kāi)了光纖通信發(fā)展的新篇章，是通信技術(shù)發(fā)展史的一次重大變革。同時(shí)，1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司NEC和蘇聯(lián)先后研制成功室溫下連續(xù)工作的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。這兩種技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了光通信的新生，促使通信技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究躍入到光纖通信實(shí)用化。因此，1970 年被稱(chēng)為光通信的“元年”。
此后數(shù)年中，隨著光纖損耗的降低及新的激光器件和光檢測(cè)器等光通信器件的不斷研制成功，光纖通信得到爆炸式的發(fā)展，各種實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。1976 年，在美國(guó)亞特蘭大首次成功地進(jìn)行了速率為44.7 Mbit/s的光纖通信系統(tǒng)商用試驗(yàn)，至20世紀(jì)80年代初，光纖通信系統(tǒng)已在各國(guó)大規(guī)模推廣應(yīng)用。1979 年，武漢郵電科學(xué)研究院副總工程師趙梓森（圖3）及其研究團(tuán)隊(duì)拉出中國(guó)第一根損耗只有4 dB/km的實(shí)用化光纖，拉開(kāi)了中國(guó)光纖通信事業(yè)的序幕[1]。 圖3 中國(guó)光纖之父、中國(guó)工程院院士趙梓森 2015 年，武漢郵電科學(xué)研究院牽頭承擔(dān)的超大容量超長(zhǎng)距離光傳輸基礎(chǔ)研究創(chuàng)造新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了200 Tbit/s超大容量波分復(fù)用與模分復(fù)用的光傳輸[2]。短短40年，光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量提高了近450萬(wàn)倍，發(fā)展速度前所未有。 二、光通信器件發(fā)展史 光器件分為有源器件和無(wú)源器件。光有源器件是光通信系統(tǒng)中將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)或?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的關(guān)鍵器件，是光傳輸系統(tǒng)的心臟，主要包括半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光電二極管（PIN）、雪崩光電二極管（APD）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、拉曼光放大器及調(diào)制器等。光無(wú)源器件是光通信系統(tǒng)中需要消耗一定能量、但沒(méi)有光電或電光轉(zhuǎn)換的器件，是光傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，主要包括光纖連接器、耦合器、波分復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、光衰減器和光隔離器等。 光器件是光纖通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，發(fā)達(dá)國(guó)家在1975年后逐步形成光器件產(chǎn)業(yè)。中國(guó)光器件產(chǎn)業(yè)的形成比國(guó)外約晚5年。中國(guó)在光器件領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)起步不算晚，無(wú)論是有源器件，還是無(wú)源器件，都滿(mǎn)足了國(guó)家光纖通信發(fā)展初期科研和工程的需要。但隨著時(shí)間推移，由于相關(guān)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱、科研投入不夠及體制和機(jī)制等方面的原因，中國(guó)光器件在核心技術(shù)和高端產(chǎn)品方面與國(guó)際先進(jìn)水平的差距愈顯突出。 1） 光有源器件發(fā)展史 中國(guó)光有源器件的研究始于20世紀(jì)70 年代。當(dāng)時(shí)西方國(guó)家根據(jù)所謂“巴統(tǒng)”規(guī)定，對(duì)中國(guó)進(jìn)行高新技術(shù)的封鎖和禁運(yùn)，于是，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、武漢郵電科學(xué)研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)第44研究所、第13研究所，自力更生，研制了波長(zhǎng)為850 nm的短波長(zhǎng)激光器。此后，這些單位又開(kāi)發(fā)了波長(zhǎng)為1310和1550 nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，滿(mǎn)足了中國(guó)光通信起步階段的需要。 1993 年之前，中國(guó)光通信所需的光有源器件，基本上由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商提供，以致西方國(guó)家認(rèn)識(shí)到在有源器件等方面再用“巴統(tǒng)”規(guī)定，對(duì)中國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖和禁運(yùn)，反而會(huì)失去中國(guó)的巨大市場(chǎng)，得不償失，于是只得宣告“巴統(tǒng)”規(guī)定失效，國(guó)外的光有源器件開(kāi)始大量涌入中國(guó)市場(chǎng)。 隨著光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)光有源器件的技術(shù)要求愈來(lái)愈高。雖然中國(guó)有關(guān)單位做出很大努力，跟蹤世界潮流，取得了量子阱半導(dǎo)體材料與器件技術(shù)的突破，分布反饋（DFB）半導(dǎo)體激光器等先進(jìn)器件的實(shí)驗(yàn)室水平也有很大提高，但由于投入的人力和物力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，與國(guó)際先進(jìn)水平的差距日顯拉大。 目前，中國(guó)只有少數(shù)幾家單位能自主生產(chǎn)激光器和探測(cè)器管芯，而且僅限于10 Gbit/s以下速率的管芯。中國(guó)光通信設(shè)備和系統(tǒng)所需的高速率管芯、單元器件及摻鉺光纖均需要進(jìn)口，有源器件公司大都購(gòu)買(mǎi)國(guó)外管芯做器件、購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的器件做模塊、購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的摻鉺光纖做放大器組裝，光通信設(shè)備公司購(gòu)買(mǎi)國(guó)外的模塊做系統(tǒng)。 2） 光無(wú)源器件的發(fā)展歷史 中國(guó)開(kāi)展光無(wú)源器件的研究，是從20世紀(jì)70年代后期隨著光纖技術(shù)的出現(xiàn)而開(kāi)始的。當(dāng)時(shí)光纖的連接是光纖通信必須解決的6大問(wèn)題之一，此外還要解決分路、開(kāi)關(guān)及波長(zhǎng)復(fù)用等問(wèn)題。于是，中國(guó)電子科技集團(tuán)第23研究所、武漢郵電科學(xué)研究院固體器件研究所（現(xiàn)武漢光訊科技股份有限公司）和中國(guó)電子科技集團(tuán)第34研究所等單位，白手起家，致力于全光纖結(jié)構(gòu)和微光學(xué)分立元件組合型的研究，開(kāi)發(fā)了多模光纖連接器、拼接型和熔融拉錐型的光耦合器和機(jī)械式光開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品，滿(mǎn)足了當(dāng)時(shí)短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)多模光纖通信研究的需求。此后，光通信進(jìn)入單模長(zhǎng)波長(zhǎng)階段并開(kāi)始大量應(yīng)用，對(duì)光無(wú)源器件不僅技術(shù)上的要求更高，而且在數(shù)量上也與日俱增，迫切要求產(chǎn)業(yè)化。在光連接器方面首先引進(jìn)了光學(xué)定心切削加工的APT 連接器生產(chǎn)線，滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)單模光通信發(fā)展初期的需求。此后隨著陶瓷套管大批量生產(chǎn)技術(shù)的成功，光連接器的質(zhì)量有了進(jìn)一步的提高，而且易于裝配，于是出現(xiàn)眾多組裝散件生產(chǎn)連接器的公司。在光纖耦合器方面，引進(jìn)了由微機(jī)控制的熔融拉錐設(shè)備，使耦合器的生產(chǎn)變得十分簡(jiǎn)單；更為可喜的是，通過(guò)理論研究和實(shí)踐探索，同一臺(tái)設(shè)備上可以生產(chǎn)出各種寬帶耦合器和雙波長(zhǎng)的波分復(fù)用器，產(chǎn)品性能優(yōu)良，于是形成了光耦合器的產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前，中國(guó)光通信系統(tǒng)中所用的光連接器和光耦合器絕大部分都是國(guó)產(chǎn)的。 當(dāng)時(shí)，初看起來(lái)光無(wú)源器件的產(chǎn)業(yè)似乎比光有源器件發(fā)展快，但是在這輝煌的背后，還存在一些問(wèn)題。如光纖連接器用陶瓷套管的毛坯還需要進(jìn)口，光纖連接器技術(shù)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)幾乎為零。到了20世紀(jì)末、21世紀(jì)初，隨著光纖接入網(wǎng)、密集波分復(fù)用系統(tǒng)和全光通信網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)有的能進(jìn)行大批量生產(chǎn)的光無(wú)源器件已不能完全滿(mǎn)足需要。例如，高光纖密度的配線架要求小型化光纖連接器、熔融拉錐設(shè)備無(wú)法生產(chǎn)密集型波分復(fù)用器、傳統(tǒng)小端口數(shù)的光開(kāi)關(guān)不能級(jí)聯(lián)形成大端口數(shù)的矩陣光開(kāi)關(guān)等。這些問(wèn)題迫使人們不能停留在低端產(chǎn)品的生產(chǎn)和競(jìng)爭(zhēng)上，必須研制高端的光無(wú)源器件產(chǎn)品，以滿(mǎn)足光纖通信發(fā)展的需求。針對(duì)這些問(wèn)題，一些單位經(jīng)過(guò)努力，如引進(jìn)小型光連接器的組裝夾具、采用微光器件的結(jié)構(gòu)研制了可以復(fù)用幾路、甚至十幾路的密集波分復(fù)用器。但要解決幾十路以上的波分復(fù)用和大端口數(shù)的矩陣光開(kāi)關(guān)問(wèn)題，只能采用光子集成器件。目前，中國(guó)無(wú)源器件的水平與國(guó)外的差距不大，甚至達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 三、光通信器件的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合等新型應(yīng)用對(duì)于帶寬需求的推動(dòng)，光通信市場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)入高速成長(zhǎng)期。光通信產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈布局比較完整，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)品種類(lèi)不斷擴(kuò)大。近幾年，“寬帶中國(guó)”戰(zhàn)略和加快建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略相繼提出，光通信作為最為重要的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施之一，在支撐中國(guó)社會(huì)信息化、寬帶化建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)方面的作用日益凸顯。光器件及芯片技術(shù)含量較高，具有研發(fā)投入大、回報(bào)周期長(zhǎng)等特征。國(guó)際領(lǐng)先國(guó)家中，日本起步較早，知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)較強(qiáng)，基礎(chǔ)研究超前，技術(shù)儲(chǔ)備雄厚；美國(guó)在光器件方面發(fā)展相對(duì)較晚，但擁有人才、資金、環(huán)境等方面的優(yōu)勢(shì)，企業(yè)善于通過(guò)并購(gòu)重組實(shí)現(xiàn)階躍式發(fā)展，并借助資本市場(chǎng)做大做強(qiáng)，發(fā)展異常迅速。 從光通信產(chǎn)業(yè)鏈上的兩大行業(yè)來(lái)看，在光纖光纜和光系統(tǒng)設(shè)備領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)已占據(jù)相當(dāng)市場(chǎng)份額。長(zhǎng)飛光纖光纜有限公司、烽火通信科技股份有限公司、亨通集團(tuán)有限公司、中天科技光纖有限公司、富通集團(tuán)有限公司是光纖光纜全產(chǎn)業(yè)鏈制造商，從預(yù)制棒到光纖光纜應(yīng)有俱有，這5家企業(yè)加起來(lái)占中國(guó)光纖光纜市場(chǎng)份額70%以上，占全球光纖光纜市場(chǎng)份額也達(dá)到40%以上。在中國(guó)，華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、烽火通信科技股份有限公司等設(shè)備商已充當(dāng)起全球光通信產(chǎn)業(yè)的中堅(jiān)力量，分別排在全球第1、第2和第5位，這3家企業(yè)的全球市場(chǎng)占用率為40%[3]（圖4）。中國(guó)光纖通信技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)備已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，擁有世界最大、最完整的光通信產(chǎn)業(yè)鏈，中國(guó)也成為世界光通信器件產(chǎn)品輸出大國(guó)。
1） 光器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 從全球范圍來(lái)看，美國(guó)、日本是主要的研發(fā)基地，位于產(chǎn)業(yè)發(fā)展最前端，在技術(shù)水平、研發(fā)投入、知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面均處于領(lǐng)先地位，擁有規(guī)模優(yōu)勢(shì)。光器件行業(yè)廠商數(shù)量相對(duì)較多，全球有250多家，行業(yè)整體上屬于一個(gè)完全競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，整體競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。隨著中小企業(yè)的退出和行業(yè)收購(gòu)兼并的進(jìn)行，行業(yè)的市場(chǎng)集中度呈上升趨勢(shì)。未來(lái)隨著光電子器件集成化和智能化的進(jìn)一步提高，光系統(tǒng)設(shè)備總成本中，光器件占比不斷上升，將會(huì)達(dá)到30%以上。 從技術(shù)上看，超高速、超大容量和超長(zhǎng)距離依然是光纖通信發(fā)展的主要方向。高速、大容量、長(zhǎng)距離光傳輸設(shè)備和最受市場(chǎng)關(guān)注的智能光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、升級(jí)以及推廣應(yīng)用，將推動(dòng)光器件行業(yè)的技術(shù)走向集中在面向智能光網(wǎng)絡(luò)的光電子器件和日益高速集成化的光器件兩大方面。其中，智能光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的靈活性主要取決于其中光電子器件與模塊的智能化和動(dòng)態(tài)可調(diào)諧水平。因此多功能集成、參數(shù)可調(diào)和網(wǎng)絡(luò)性能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的光電子器件與模塊是智能光網(wǎng)絡(luò)的核心與基礎(chǔ)，是構(gòu)建下一代智能光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在超高速傳輸方面，目前主要以40和100 Gbit/s 為代表速率的高速以太網(wǎng)、骨干網(wǎng)技術(shù)為發(fā)展重點(diǎn)。 因此，面對(duì)目前光通信系統(tǒng)向高速大容量、智能化升級(jí)的契機(jī)以及FTTX（Fiber To The X）普及和三網(wǎng)合一的大趨勢(shì)，現(xiàn)階段光器件的研究主要集中在以下3方面[4]。 （1）高速光通信關(guān)鍵器件和芯片技術(shù)。突破光子集成共性技術(shù)難題，圍繞40和100 Gbit/s 超高速光通信系統(tǒng)的迫切需要，研制開(kāi)發(fā)相關(guān)光電子器件，主要包括窄線寬可調(diào)光源、調(diào)制及驅(qū)動(dòng)器件、集成相干接收機(jī)、高速率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、高速信號(hào)處理算法處理芯片、增強(qiáng)型FEC（forward error correction）芯片、成幀及復(fù)接芯片、40 和100 Gbit/s客戶(hù)側(cè)/線路側(cè)模塊和超高速系統(tǒng)用單片集成器件等。 （2）智能光網(wǎng)絡(luò)用關(guān)鍵光電子器件關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)智能光網(wǎng)絡(luò)對(duì)光電子器件的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧、可管理等性能的要求，研制相關(guān)關(guān)鍵光電子器件與模塊，支撐智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，主要包括智能化光放大器技術(shù)、可重構(gòu)的光分插復(fù)用器關(guān)鍵技術(shù)、單片集成寬帶可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器技術(shù)、寬帶可調(diào)光濾波器技術(shù)和基于MEMS技術(shù)的全光交叉連接器件關(guān)鍵技術(shù)等。 （3）FTTX 用光電子關(guān)鍵技術(shù)與器件。為了進(jìn)一步發(fā)展和推廣寬帶光接入技術(shù)尤其是FTTX，開(kāi)展低成本光電子器件與模塊的研究，盡快掌握相關(guān)器件、模塊的核心技術(shù)，為推進(jìn)FTTX 發(fā)展提供靈活多樣的低成本解決方案。主要包括用于FTTX 的高功率光放大器技術(shù)、基于平面光波導(dǎo)回路（PLC）技術(shù)的單纖雙（三）向芯片及器件開(kāi)發(fā)、用于FTTX的保護(hù)技術(shù)開(kāi)發(fā)等。 2） 光器件行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 從光器件整個(gè)行業(yè)上看，產(chǎn)業(yè)鏈整合明顯加劇。一方面，華為技術(shù)有限公司、思科系統(tǒng)公司等系統(tǒng)設(shè)備商不斷介入芯片、器件領(lǐng)域，對(duì)上游廠商形成巨大沖擊，催生著產(chǎn)業(yè)新格局。另一方面，板上集成（BOSA on board）等新技術(shù)的涌現(xiàn)也對(duì)光模塊構(gòu)成重要威脅。并購(gòu)是國(guó)外光器件企業(yè)運(yùn)用最頻繁、效果最明顯的擴(kuò)張方式，目前并購(gòu)重組的主角多為美國(guó)廠商，集中度及競(jìng)爭(zhēng)能力的提升進(jìn)一步增強(qiáng)了規(guī)模優(yōu)勢(shì)。以光迅武漢光訊科技股份有限公司、華為技術(shù)有限公司、海信集團(tuán)有限公司為代表的中國(guó)企業(yè)近年來(lái)也開(kāi)啟了全球化并購(gòu)篇章。未來(lái)，提高橫向及縱向整合能力是全球龍頭光器件企業(yè)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局將持續(xù)演化。 由于光通信器件產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)密集及勞動(dòng)密集的特點(diǎn)，國(guó)際廠商出于成本考慮，紛紛在中國(guó)設(shè)廠，再加上中國(guó)光通信市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)的吸引力，全球光器件制造產(chǎn)業(yè)向中國(guó)轉(zhuǎn)移成為必然趨勢(shì)。供應(yīng)商的激增使行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，市場(chǎng)供過(guò)于求的局面逐漸形成，以?xún)r(jià)格戰(zhàn)為主要特征的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)不斷升級(jí)。與此同時(shí)，中國(guó)公司與Finisar Corporation、Lumentum Operations LLC、Avago Technologers、SumitomoCorporation、Oclaro Incorporated、Neophotonics Corporation、II-VI Incorporated、Fujitsu Limited、SourcePhotonics 等國(guó)際知名光器件廠商的技術(shù)差距也在持續(xù)擴(kuò)大[5]，中國(guó)公司技術(shù)與產(chǎn)業(yè)升級(jí)乏力，主要依靠中低端產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢(shì)生存。 光器件及光通信設(shè)備的需求過(guò)去主要來(lái)自傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商，但近年來(lái)隨著云計(jì)算及數(shù)據(jù)中心的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)于光器件的需求開(kāi)始加速，光器件市場(chǎng)重心向數(shù)據(jù)中心延伸。預(yù)計(jì)2016 年數(shù)據(jù)中心將超過(guò)電信市場(chǎng)的1/2，為光器件市場(chǎng)帶來(lái)新的增量，是光器件市場(chǎng)又一個(gè)強(qiáng)勁的引擎。除傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商外，中國(guó)廣電系統(tǒng)、電網(wǎng)系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、光傳感、無(wú)線基站的發(fā)展和建設(shè)，進(jìn)一步提高了光器件產(chǎn)品的需求，成為光器件行業(yè)新興的下游用戶(hù)，將成為光器件市場(chǎng)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。 3） 中國(guó)光器件技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)十分重視光通信器件的研發(fā)，通過(guò)國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃安排專(zhuān)題，組織技術(shù)攻關(guān)，跟蹤國(guó)際先進(jìn)技術(shù)等措施的實(shí)施，極大地推動(dòng)了光通信器件的研究開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。從國(guó)家到省市各級(jí)政府充分調(diào)動(dòng)各種資源，積極營(yíng)造了良好的發(fā)展環(huán)境和條件，在技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，中國(guó)的企業(yè)已經(jīng)掌握了大批關(guān)鍵技術(shù)，某些項(xiàng)目的研發(fā)能力已接近國(guó)際先進(jìn)水平，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端光通信器件技術(shù)與產(chǎn)品已在光網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用，光器件產(chǎn)業(yè)逐漸向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)已成為全球光器件的重要生產(chǎn)銷(xiāo)售基地。但在產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)整體水平上與國(guó)際先進(jìn)水平還有很大差距。中國(guó)在光器件領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐、美、日等國(guó)家，居前10位的光器件供應(yīng)商中，只有武漢光迅科技股份有限公司排在全球第5位，僅占全球市場(chǎng)份額的5%（圖5），其他中國(guó)廠商的市場(chǎng)份額均非常小，絕大多數(shù)不到1%。面對(duì)擁有全球最大光通信市場(chǎng)、最完整產(chǎn)業(yè)鏈、優(yōu)質(zhì)光系統(tǒng)設(shè)備廠商的中國(guó)市場(chǎng)，這樣的市場(chǎng)份額顯然是不相匹配的。
在通信光電子器件的基礎(chǔ)理論研究方面，中國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距不大。但關(guān)鍵工藝技術(shù)的好壞和裝備條件平臺(tái)的薄弱是制約中國(guó)通信光電子器件研究開(kāi)發(fā)和可持續(xù)發(fā)展的“瓶頸”，在相關(guān)器件的關(guān)鍵技術(shù)方面的突破與掌握能力、器件工藝的研究和創(chuàng)新能力、工藝技術(shù)研究的關(guān)鍵裝備條件水平等方面與國(guó)際先進(jìn)水平存在一定差距。 雖然中國(guó)關(guān)于通信光電子材料、芯片與集成技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究和基礎(chǔ)工藝在高等院校和一些專(zhuān)門(mén)的研究院所開(kāi)展得較為充分，但同樣由于工藝技術(shù)和裝備條件水平的限制，一些基礎(chǔ)理論與工藝的研究與實(shí)際應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，缺乏足夠的針對(duì)性和實(shí)際指導(dǎo)意義，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)前沿研究成果多、而成果轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用少的矛盾十分突出，中國(guó)通信光電子器件的“空芯化”問(wèn)題非常嚴(yán)重。而且與國(guó)外先進(jìn)水平相比，近年來(lái)有差距越來(lái)越大的危險(xiǎn)趨勢(shì)。 光通信市場(chǎng)需求高漲也帶來(lái)了對(duì)上游芯片產(chǎn)品的需求。中國(guó)市場(chǎng)的光通信芯片主要依賴(lài)其他國(guó)家供應(yīng)商。目前，在芯片領(lǐng)域已經(jīng)有少數(shù)中國(guó)企業(yè)取得了突破，武漢光迅科技股份有限公司和河南仕佳光子科技有限公司能提供商用無(wú)源AWG及Splitter芯片；武漢光迅科技股份有限公司、海信集團(tuán)有限公司、華工正源光子技術(shù)有限公司能生產(chǎn)10 Gbit/s 以下速率的有源芯片，但25 Gbit/s有源芯片，包括VCSEL、DFB、EML、PIN、APD，全部依靠進(jìn)口。華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司等設(shè)備廠商及一些領(lǐng)先的光器件企業(yè)也在進(jìn)行芯片研制。中國(guó)在芯片領(lǐng)域取得了一定的突破，但是還沒(méi)有形成規(guī)模，以中低端芯片為主。由于在光通信芯片方面主要依賴(lài)進(jìn)口，因此中國(guó)光器件企業(yè)在市場(chǎng)需求高漲的同時(shí)利潤(rùn)空間并不大，芯片成為下游企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)制約因素。中國(guó)光通信芯片產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展可能會(huì)是來(lái)自下游的光器件和系統(tǒng)企業(yè)向上游延伸發(fā)展，垂直整合，研制芯片。在上游的芯片和下游的系統(tǒng)設(shè)備領(lǐng)域均比較集中的情況下，光器件廠商有較強(qiáng)的動(dòng)力向上游拓展，一些實(shí)力較強(qiáng)的光器件廠商將會(huì)在上游取得突破。 中國(guó)的光電子器件企業(yè)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端核心技術(shù)不多，對(duì)國(guó)外芯片和特種材料的依賴(lài)性較大，具有核心競(jìng)爭(zhēng)能力的產(chǎn)品較少，企業(yè)整體實(shí)力仍然偏弱，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不夠合理，同質(zhì)化嚴(yán)重，所提供的產(chǎn)品也多集中在中低端，產(chǎn)品附加值不高，國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和盈利能力還有待提高。雖然有些器件制造企業(yè)具有一定的生產(chǎn)規(guī)模，但是產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的技術(shù)和工藝基礎(chǔ)較為薄弱，不少企業(yè)不得不依靠在中低端產(chǎn)品方面的惡性?xún)r(jià)格競(jìng)爭(zhēng)和低廉的勞動(dòng)力成本來(lái)艱難地維持生存，并逐漸淪為缺乏核心技術(shù)、沒(méi)有自主品牌、給其他國(guó)家公司打工的OEM工廠。在技術(shù)含量和附加值較高的如10 Gbit/s以上速率的有源光器件、100 Gbit/s光模塊等高速產(chǎn)品方面，核心技術(shù)缺失，商用化進(jìn)程緩慢，真正具備材料外延生長(zhǎng)、管芯制作等全套工藝線及從芯片到器件、到模塊垂直集成能力的企業(yè)屈指可數(shù)。上游材料和芯片的薄弱導(dǎo)致相應(yīng)的光器件、組件及模塊發(fā)展受到制約，采購(gòu)渠道受日、美等國(guó)家控制。此外，一些國(guó)際知名光器件及芯片企業(yè)為了降低成本和把握中國(guó)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，紛紛將研發(fā)、生產(chǎn)、封裝測(cè)試及銷(xiāo)售環(huán)節(jié)向中國(guó)轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步擠壓了中國(guó)企業(yè)的市場(chǎng)空間[6]。 對(duì)于高端光器件技術(shù)，基本上都掌握在國(guó)外廠商手中，中國(guó)的光通信廠商雖然也在加強(qiáng)這方面的研發(fā)投入，但是與國(guó)際主流器件商的差距依然很大。100 G高端器件幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口，包括集成可調(diào)諧激光器組件ITLA（integrable tunable laser assembly）、集成相干發(fā)射機(jī)ICT（integrated coherent transmitter）、集成相干接收機(jī)ICR（integrated coherent receiver）及100 G客戶(hù)側(cè)器件；智能光網(wǎng)絡(luò)用無(wú)色、無(wú)向、無(wú)阻塞的可重構(gòu)光分插復(fù)用器CDC ROADM （colorless/directionless/contentionless reconfigurable optical add/dropmultiplexer）、波長(zhǎng)選擇開(kāi)關(guān)WSS（wavelength selective switch）、光交叉連接設(shè)備OXC（opticalcross connect）也主要依賴(lài)進(jìn)口。中國(guó)高端技術(shù)和產(chǎn)品的缺乏還直接導(dǎo)致了中國(guó)光纖通信設(shè)備制造廠家（如華為技術(shù)有限公司、中興通訊股份有限公司、烽火等），不得不依靠大量進(jìn)口高端器件來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)備，嚴(yán)重制約了這些設(shè)備企業(yè)在相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，影響其在國(guó)際市場(chǎng)戰(zhàn)略地位的進(jìn)一步提升和快速發(fā)展。 總之，中國(guó)光通信設(shè)備商所需的高端核心器件，幾乎完全依賴(lài)從美國(guó)、日本、歐洲進(jìn)口；高端光電子器件所需的高速光電芯片也幾乎完全依賴(lài)進(jìn)口，受制于其他國(guó)家芯片供應(yīng)商。作為光通信產(chǎn)業(yè)的核心一環(huán)，基礎(chǔ)芯片和器件供應(yīng)商的壯大，關(guān)系到中國(guó)光通信產(chǎn)業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，已成為制約中國(guó)光通信長(zhǎng)足發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。 四、光通信器件的發(fā)展趨勢(shì) 光集成技術(shù)（PIC）是未來(lái)光器件的主流發(fā)展方向，近年來(lái)一直是業(yè)內(nèi)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。光子集成技術(shù)相對(duì)于目前廣泛采用的分立元器件，在尺寸、功耗、成本、可靠性等方面優(yōu)勢(shì)明顯，是未來(lái)光器件的主流發(fā)展方向。 近年來(lái)，隨著技術(shù)的逐步積累以及產(chǎn)業(yè)需求的升溫，PIC進(jìn)入較快發(fā)展時(shí)期，中小規(guī)模PIC已經(jīng)成熟并取得廣泛商用，大規(guī)模PIC集成度已達(dá)到數(shù)百個(gè)元器件。PIC 技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的參與企業(yè)涵蓋系統(tǒng)設(shè)備商、光器件芯片制造商、綜合服務(wù)提供商、半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)加工廠商Foundry等多個(gè)領(lǐng)域，面向電信和數(shù)據(jù)兩大應(yīng)用市場(chǎng)。 光集成技術(shù)包括基于III-V簇化合物半導(dǎo)體材料的光集成技術(shù)、基于鈮酸鋰電解質(zhì)材料的光集成技術(shù)、基于SiO2絕緣體材料的PIC技術(shù)、硅基材料的光集成技術(shù)、基于聚合物材料的光集成技術(shù)以及基于氮化硅材料的光集成技術(shù)。III-V簇化合物半導(dǎo)體材料的光集成技術(shù)，如GaAs、InP技術(shù)，特別適合光源、探測(cè)器等有源器件的集成；鈮酸鋰材料的光集成技術(shù)，這類(lèi)材料特別適合研制高速光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)等，技術(shù)成熟，且市場(chǎng)份額較大；SiO2絕緣體材料的PIC 技術(shù)，適合陣列波導(dǎo)光柵AWG（arrayed waveguide grating）、分路器（splitter ）、熱光器件等多種無(wú)源光波導(dǎo)器件；硅基材料的集成光集成技術(shù)，采用的結(jié)構(gòu)與電子學(xué)的集成電路類(lèi)似，是未來(lái)光集成、甚至光電集成的重要方向；聚合物材料、氮化硅材料在光集成及光子器件領(lǐng)域同樣占有一席之地。這些集成材料各有所長(zhǎng)，都有各自不同的應(yīng)用市場(chǎng)。不同器件、不同功能、不同材料的混合集成將是光器件技術(shù)的短期發(fā)展方向。 PIC是光器件必然的演進(jìn)方向，也必然造就新一代基于光器件的應(yīng)用系統(tǒng)，而最終的光器件發(fā)展將更加集成化。III-V族材料和硅基材料更為業(yè)界普遍看作未來(lái)光集成技術(shù)的兩大陣營(yíng)，在材料方面，III-V族材料偏向應(yīng)用于有源器件，硅基材料偏向于應(yīng)用無(wú)源器件。III-V族材料在有源器件中廣泛采用，磷化銦是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)通信波長(zhǎng)大規(guī)模單片集成的材料，未來(lái)仍具有一定發(fā)展?jié)摿Γ硇援a(chǎn)品是Infinera公司的高速光發(fā)射、接收芯片。然而，磷化銦屬于稀有材料，外延片尺寸較小，在低成本和大規(guī)模生產(chǎn)能力方面受到一定限制。另外，硅光子可將CMOS集成電路上的投資和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到PIC 領(lǐng)域，有效降低成本，提高生產(chǎn)效率，已成為未來(lái)PIC 重要技術(shù)方向之一。硅光子的代表性技術(shù)產(chǎn)品如Luxtera公司的AOC芯片、Cisco公司的CPAK 光模塊、Acacia 公司的相干CFP光模塊，以及Intel 公司致力研發(fā)的混合集成激光器和芯片級(jí)光互聯(lián)技術(shù)等，中國(guó)也有少數(shù)企業(yè)涉足，但規(guī)模有限。 在2014 中國(guó)光網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上，中國(guó)電信集團(tuán)科技委主任韋樂(lè)平指出，光器件是光通信發(fā)展的瓶頸，光通信成為所有網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成技術(shù)中降價(jià)最慢的領(lǐng)域，其中光器件成本是瓶頸中的瓶頸。硅光子技術(shù)將成為重要突破方向，它是利用現(xiàn)有CMOS 集成電路上的投資、設(shè)施、經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)、制造、封裝光器件和光電集成電路，在集成度、可制造性和擴(kuò)展性方面達(dá)到CMOS的水平，從而在成本、功耗、尺寸上取得突破。通信是硅光子技術(shù)的早期應(yīng)用領(lǐng)域，正如歷史上的晶體管、集成電路、激光器等一樣，通信由于其高技術(shù)屬性往往成為新技術(shù)的早期應(yīng)用領(lǐng)域。然后隨著技術(shù)和工藝的成熟再擴(kuò)展至大眾消費(fèi)領(lǐng)域，形成更大的規(guī)模，進(jìn)一步降低成本，再促進(jìn)其在通信領(lǐng)域的普及，形成技術(shù)的良性循環(huán)。 硅光子技術(shù)在光源方面尚無(wú)可行的技術(shù)路線，目前以混合集成和短距離應(yīng)用為主，正不斷發(fā)展成熟，未來(lái)將承擔(dān)重要角色。 總之，無(wú)論是磷化銦，還是硅光子學(xué)，都預(yù)示著光通信行業(yè)即將迎來(lái)深度變革，都將顯著改變光器件的設(shè)計(jì)和未來(lái)。 參考文獻(xiàn)（略） |
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