光调制器技术发展现状及标准化研究

刘秀娟，吴杜雄

（1.中国电子技术标准化研究院，北京，100176；2.广州赛西标准检测研究院有限公司，广东广州，510700）

0 引言

光电子芯片与器件位于光通信产业链上游，是光网络及系统设备的核心“命门”，也是全球光通信乃至信息通信产业技术竞争的制高点。光通信系统主要包括光发射机、光调制器、光纤（缆）、光放大器、光接收机等，其中光调制器是一种调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件[1]，在光通信的发射、传输、接收过程中，光调制器通常被用于控制光的强度，是高速、长距离光通信系统的重要组成部分。

党的十九大报告指出，中国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，随着5G 网络、数据中心等新型基础设施建设需求的不断增长，光调制器市场迎来发展新机遇。值此中国共产党成立100 周年之际，我们深入分析光调制器产品的发展现状，提出相关建议，进一步探寻实现高质量发展的方法和途径。

1 技术发展趋势

1.1 技术方案多样，各存优势

光调制器按材料主要分为铌酸锂（LiNbO3）调制器、磷化铟（InP）调制器、硅光调制器和聚合物调制器四种。铌酸锂调制器是利用铌酸锂晶体的线性电光效应来实现信号的调制，其线性度高、调制带宽大、消光比高[2]，但其驱动电压高、体积大，难以与其他器件高度集成，目前商用市场成熟的铌酸锂调制器均是采用块状的铌酸锂晶体材料，在100Gb/s 及以上长距离干线传输系统中应用广泛。磷化铟调制器是利用量子限制效应实现信号的调制，其调制效率高、体积小、驱动电压低，可与激光器单片集成，但其工艺要求高、成本高，目前已成熟商用。硅光调制器是利用材料折射率的变化对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件，具有体积小、驱动电压低，与CMOS 工艺兼容的特点，但其消光比低、插损大、线性度差。聚合物调制器利用线性电光效应来实现电信号对光信号的调制，具有尺寸小、调制电压低，带宽大等特点，但其插损大，稳定性差。

1.2 产业链持续调整，市场更加复杂

近年来，全球光通信芯片和器件市场资本运作频繁，国内外企业在磷化铟激光器、光子集成电路以及相关组件和模块、铌酸锂高速调制器等产品方面，通过产业链“横向整合”、下游向上游的“纵向延伸”，或“纵向下游剥离”等方式不断扩大产品体系，丰富产品生产线，增强优势产品实力，拓展市场渠道。例如，Lumentum 收购Oclaro 公司，获得磷化铟激光器和光子集成电路以及相关组件和模块的生产能力；TeraXion收购COGO Optronics 子公司，获得磷化铟调制器产品线，且增强公司的光子集成技术能力；国内的光库科技收购Lumentum 的铌酸锂高速调制器产品线，进一步丰富公司的产品线，拓展电信市场渠道。

在国家政策支持和引导下，国内的光通信市场繁荣发展，国内加快在硅光、磷化铟调制器方面的研发，通信领域的整机装备公司也进行从芯片到整机的全产业链布局，目前国内已研发出25Gb/s 的磷化铟调制器和硅光调制器，并具备高速磷化铟调制器的生产能力，实现32GBd 硅光调制器的量产能力，并研发出64GBd 的硅光调制器样品。

1.3 技术不断突破，争相创新发展

随着调制器技术不断创新发展，新产品不断涌现，调制技术向更高的带宽、更高的速率和更高的集成化方向发展。2018 年哈佛大学研发带宽15GHz、低半波电压的铌酸锂调制芯片样品，证明单晶铌酸锂薄膜获得高性能调制器的可能性。2019 年中山大学研发硅与铌酸锂混合集成电光调制器样品，其尺寸约5mm，插入损耗为2.5dB、带宽大于70GHz、调制速率达112Gb/s[3]，证明硅基集成中加入铌酸锂材料实现小尺寸、高速率和低调制电压的可行性。磷化铟材料是行业最初期实现光电子集成的材料，发展起步早，工艺成熟度高[4]，在调制器等有源器件方面性能优于硅光器件，能够实现有源和无源的光子集成。硅光在外调制、合分波等器件小型化、集成化方面发展迅速，2019 年，北京大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室研发出单通道200Gbps 速率的硅基光调制芯片。

1.4 集成化是重要发展趋势，但仍面临多重挑战

光子集成、光电混合集成（合封、晶圆级键合）、光电单片集成是光电子领域的集成化发展的三种方式。光子集成分为磷化铟和硅光两种技术体系。磷化铟技术成熟度高，在激光器、调制器等有源器件方面性能优于同类硅光器件，可实现有源和无源器件的光子集成。硅光技术的最大优势是可重复利用CMOS 工艺，并实现光芯片和电芯片的混合集成。目前中小规模光子集成技术已经成熟并取得广泛商用，将数百个元器件集成的大规模集成方式在集成度、规模生产能力和商用方面仍存在很多挑战。例如在光源集成困难、需在标准CMOS基础上引入特殊工艺控制、封装校准要求严格，且成本占芯片总制造成本的50%以上等问题仍是集成化发展的瓶颈。

2 产业存在问题

在“宽带中国”、核高基国家科技重大专项、信息光电子国家级制造业创新中心等系列国家战略规划的实施下，有效促进我国光电子芯片及器件产业发展，但光调制器产业仍面临诸多问题。

2.1 产业结构不合理，企业普遍规模小

我国光通信产业链整体呈现下游强、上游弱，低端强、高端弱的态势，国内调制器企业普遍规模小，产品水平低端，与发达国家存在代际差距，以铌酸锂调制器为例，日本Fujitsu公司在2003 年以前推出的驱动电压1.8V、带宽40G 的铌酸锂调制器，截至2019 年该产品仍是同类产品中驱动电压最低的产品。由于光芯片技术门槛高、研发周期长，投资回报慢，国内企业的内生式发展难度较大，商业驱动力不足。

2.2 国内技术水平较低，高端产品依赖进口

国内拥有10Gb/s 速率及以下芯片的量产能力，目前25Gb/s 及以上速率的高速调制器主要掌握在美国、日本等少数几家公司。美国Lumentum 公司与日本Fujitsu 公司的铌酸锂调制器全球市占率超过90%；系统设备使用的磷化铟调制器和铌酸锂调制器主要来自美国Lumentum 公司、日本Sumitomo 公司和Fujitsu 公司；硅光调制器主要来自美国Neophotonics 公司。相较于光通信产业链的其他产品，我国的调制器产品研发生产机构不多，在硅光、磷化铟调制器方面，国内有实力的大公司从芯片到整机的全产业链进行布局，已研发出25Gb/s 的磷化铟调制器和硅光调制器，具备高速磷化铟调制器的生产能力，实现32GBd 硅光调制器的量产能力，并研发出64GBd 的硅光调制器样品。

2.3 工艺门槛高，国内产业基础薄弱

国内在光电子芯片制造用原材料方面几乎不具备研发生产的能力，主要依赖从日本、美国和韩国进口。调制器的工艺流程主要取决于芯片的材料和结构等，不同材料的光调制器采用的工艺不同，例如铌酸锂光调制器主要基于离子扩散工艺，磷化铟调制器主要基于半导体工艺，硅光调制器主要是基于改进的CMOS 工艺。调制器的生产工艺门槛极高，采用同一种材料制作不同功能的器件，例如采用磷化铟材料制作激光器和制作调制器，其采用的工艺流程不同，即便采用同一材料制造同一类型的器件，其设计结构不同，工艺流程也不同。由于各类功能器件的材料、工艺的差异，且出货量小，流片环节的自动化程度也较低。

3 标准化现状

3.1 国际标准化

在国际上，与光电子器件相关标准化组织主要是国际电工委员会(IEC)半导体器件技术委员会(TC47)和纤维光学技术委员会（TC86），但尚无相关现行有效的调制器标准。

TC47 下设SC47A 集成电路、SC47D 半导体器件机械标准化、SC47E 半导体分立器件和SC47F 微机电系统等四个分技术委员会。TC47 早期曾设有SC47C 半导体光电器件分技术委员会，随着半导体光电子器件的技术应用发展，将光通信系统用的半导体光电子器件相关标准纳入到IEC SC86C 纤维光学有源器件、组件和系统分技术委员会。目前SC47E 负责制定半导体分立器件、非光通信系统用的半导体光电子器件相关标准，如文字符号、名词术语、机械尺寸、额定值和特性、测试方法、试验方法、产品规范等。

IEC TC86 纤维光学技术委员会负责光纤通信系统、模块、纤维光学元器件标准的制修订工作，下设SC86A 光纤光缆、SC86B 纤维光学互连器件和无源器件、SC86C 纤维光学有源器件、组件和系统等三个分技术委员会，工作范畴涉及名词术语、特性、试验方法、校准、测量方法、功能接口、光学传输性能、环境性能、机械性能要求等基础标准和产品规范等。

3.2 国内标准化

在国内目前尚未成立半导体光电子器件相关的专业标准化技术委员会，现行有效的标准只有以下2 个标准。

SJ/T 11404-2009《铌酸锂集成光学器件通用规范》，规定铌酸锂强度调制器、相位调制器、光开关以及用于光纤陀螺的Y 波导相位调制器的质量评定程序、检验要求、筛选、抽样要求、试验和测量方法。

SJ 20869-2003《铌酸锂集成光学波导调制器测试方法》，规定铌酸锂集成光学波导调制器的插入损耗、分束比、半波电压等光电参数的测试方法。

4 相关建议

在标准化组织方面，随着光电子器件的技术水平不断提升、新产品不断涌现，亟需成立光电子器件相关的技术委员会，支撑我国光电子器件产业高质量发展。在标准制修订方面，应基于光调制器产业现状与发展趋势，深入分析光调制器产品的标准需求，建立和完善光调制器标准体系，统筹规划相关标准；对比铌酸锂、磷化铟、硅基调制器等产品的工艺、结构特点，分析各类产品在参数体系、考核要求等方面的差异，加强磷化铟和硅基调制器标准适用性分析；密切跟踪铌酸锂薄膜与硅等材料的集成技术、聚合物调制器技术的研究进展，分析标准需求，适时提出标准制修订相关建议。