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华为、中兴海外遭难,都因我国这个器件存“短板”?

2017-07-27 17:04
雷本祖
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在云计算、物联网、移动互联网的推动下,光通信市场开始进入到高速成长期,细数光通信的发展已有数十年之久,产业链布局已比较完善,产业规模和产品种类呈现不断扩大的趋势。

光通信行业按传输介质的不同,可分为大气激光通信和光纤通信,由光器件、光通信设备和光纤光缆构成。

光器件:为光通信上游,是光设备的核心器件,实现光信号的产生、调制、探测、连接、波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等功能,是光通信发展的重要根基。

光通信设备:由各种光器件构成,包括完成光电信号转换、传输和收发的设备以及配线连接、分配设备等,常用的光通信设备有光终端收发机、光路由、交换机、光纤配线产品、光缆终端盒等。

本期《芯榜单》我们就来说说光通信的核“芯”。

光通信历史,1970年开始新里程

与非网小编先带大家看看光通信的发展,这样对光器件的榜单情况能有更好的理解。

1880年,亚历山大·格拉汉姆·贝尔发明利用光波为载体传输语音信息的“光电话”,由此证明光波作为载体可进行信息的传递,现代光通信都源于这个雏型。但受没有可靠的高强度光源、没有稳定的低损耗传输介质的限制,光通信一直被“搁浅”在实验室,与实用阶段隔着一道屏障。

而这一“搁浅”就是80年,直到1960年7月,美国科学家希奥多·哈罗德·梅曼发明了第一个红宝石激光器,光通信才真正从理论的层面转向实质性阶段。当然,这也引发全球激光通信研究热。

随着研发的进展,传输距离更长、抗干扰能力更强、通信容量更大的传输介质成为光通信迅速落地的关键,于是空心光波导管、透镜(或反射镜)阵列等均被尝试。

在陷入一片绝望之时,1966年英国标准电信研究所的华裔科学家高锟博士发表了一篇奠定光纤通信基础的重要论文,指出:

光导纤维的高损耗不是其本身固有的,而是由材料中所含杂质引起的,如果降低材料中的杂质含量,便可极大地降低光纤损耗。

他预言,通过降低材料杂质含量和改造工艺,可使光纤损耗下降到20 dB/km;通过原材料的提纯能制造出适于长距离通信使用的低损耗光纤。

在此理论的指导下,美国康宁于1970年制成了衰减为20 dB/km低损耗石英光纤。

1970也是光器件的新里程,美国贝尔实验室、日本电气NEC和苏联先后研制成功室温下连续工作的双异质结半导体激光器,从光通信从实验室研究真正走了出来。

1970 年被称为光通信的“元年”。

光器件,中国竟在有源上跟丢了

相对于传输介质,光器件的发展却似乎没有这么坎坷。

发达国家在1975年后逐步形成光器件产业,中国光器件产业仅仅是晚了5年,无论是有源器件,还是无源器件,都足以满足国家光纤通信发展初期科研和工程需要。然而,随着时间的推移,由于科研投入不够、工业制造薄弱等原因,我们就被狠狠甩在后面,在高端产品与核心技术方面尤为薄弱。

光器件分为有源器件与无源器件两类。

从产业链角度来看,光器件又分为光芯片、光组件、光器件和光模块。光模块是广义的光有源器件,由光器件、功能电路和光接口组件等组成,其中的光器件包括TOSA和ROSA两部分。光模块的功能就是光电转换,发送端把电信号转换成光信号,通过光纤传送后,接收端再把光信号转换成电信号。

光有源器件

光有源器件是光电信号转换的器件,相当于光传输系统的心脏,包括光源/激光器、光检测器、光放大器及光调制器。

光源/激光器是电信号转光信号的核心器件,主流激光器有VCSEL(垂直腔面发射激光器)、DFB(分布反馈激光器)和EML(电吸收调制激光器)。

我国光有源器件的研发始于20世纪70 年代,恰是高新技术对中国封锁与禁运的“巴统”时期。中科院半导体研究所、武汉邮电科学研究院等研制出波长为850 nm的短波长激光器,随后1310和1550 nm的长波长激光器问世。

1993 年后,“巴统”时期结束,国外的光有源器件开始大量涌入中国市场。

目前,我国只有寥寥几家能自主生产激光器和探测器管芯,而且仅限于10 Gbit/s以下速率。通信设备及系统所需的高速率管芯、单元器件及掺铒光纤均需要进口。

光无源器件

光无源器件用以实现光信号的连接、耦合、分路、波长复用等功能,但无需进行光电信号转换的光器件,包括用量非常大但技术门槛较低的光纤连接器、光分路器,也包括门槛相对较高的光开关、波分复用解复用器、光衰减器,光无源器件种类繁多。

光衰减器可分为固定光衰减器(FOA)和可变光衰减器(VOA)两大类,FOA只能对光功率进行预定量的衰减,而VOA既能对光功率进行预定量的衰减,也能对光功率进行实时控制,因此VOA已日渐成为主流。

随着1970年后光纤技术的出现,我国无源光器件的研发也启程。通过中国电子科技集团第23研究所、武汉邮电科学研究院固体器件研究所等组织机构的努力,我国光通信系统中所用的光连接器和光耦合器绝大部分都是国产的。

尽管光无源器件的产业发展似乎比光有源器件要迅猛,但问题也是很多,比如光纤连接器用陶瓷套管的毛坯需要进口、光纤连接器技术自主知识产权几乎为零。随着不断努力,如今中国无源器件的水平与国外的差距不大,甚至达到国际领先水平,比如陶瓷套管/插芯、光收发接口等组件,我国是全球最大的生产产地。

全球格局及未来趋势

美日是光器件主要研发地,掌握产业最前端技术,相关厂商数量相对较多。目前,全球有200多家光器件厂商,这是一个竞争相当激烈的市场。随着兼容并购,市场集中度也将提高。

近年来,华为、中兴屡遭受美国商务部调查,其背后与我国核心元器件缺失有着直接关系,我国光器件产业亟待升级。

目前,在国内以华为、中兴和烽火通信为代表的企业已开始实行“一体化”战略,积极向芯片领域布局,提升一体化能力,这必将提高公司的竞争力,降低成本,保障货源,进一步提升企业的盈利能力。

不难预料,光通信产业也将会由低门槛、低利润率的光纤光缆向高门槛、高利润率的核心器件和一体化延伸。光器件集成化与智能化是未来的主方向,光系统设备总成本中,光器件占比不断上升,达到30%指日可待。根据LightCounting预测数据中心用光模块的市场增速未来保持30%-50%增长,到2021年整个市场预计会由2014年的16亿美元增长至49亿美元。

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