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1、高速光通信用集成光路波导器件事业化简介2010.51 集成光路波导器件基本概念在同一块基底的表面上，用折射率略高的材料制作截面尺寸为微米量级的光学通道，称为光波导。由光波导构成的光学回路称为集成光路，也常被叫作平面光学回路（PLC） 。特定的光波导回路可以实现特定的功能，此时被称作波导器件。波导器件大致可以分为两类。一类是以-族化合物半导体为基底，在其表层集成了光源、波导回路和探测器，称为单片型；另一类是在介质材料基地上制备波导回路，与外置光源和探测器混合集成，称为混合型。目前单片型器件尚在发展中，在国民经济建设中已经付诸应用的主要是混合型。2 集成光路波导器件的基本特点1. 尽管集成光路与集
2、成电路在概念上有类似之处，最重要的区别在于集成光路以光波电磁场为载体，器件设计主要利用了光波电磁场的波面特性，具有独到的信息处理功能。2. 信息携带量大。电子线路的传输容量的理论极限值约为 10G，采用光传输，即使使用一个波长也可达到 50T（1T=1000G）的容量，若增加波长数目还可成倍地增长。3. 抗电磁干扰能力强，易于扩容。光波一般不受其它电磁波干扰，容易实现波分复用技术。4. 抗振动能力强。由于光学回路集成在一个基地上，无需常规光学器件在使用中要求的防振环境。5. 体积小、重量轻、性能好、功能集成度高。在这方面甚至连光纤器件都无法比拟。6. 由于采用平面加工工艺，易于批量生产。3 集
3、成光路的发展历程有关集成光路的研究，是从 1969 年美国贝尔实验室提出了集成光学的概念开始的。至 20 世纪 90 年代初期长达 20 多年的期间内，主要是基础研究和应用技术研究，范围几乎涵盖了光信息处理的所有领域。20 世纪 90 年代中期，随着互联网和信息高速公路在全世界的普及，通信容量迅猛增长，亟需超高速、大容量的光通信器件，经历了长期技术研究积累的光波导器件受到企业界的高度关注，国际上一些著名光电子器件公司纷纷投入资金研发实用产品。20 世纪 90 年代后期形成波导实用产品，光波导器件开始大量应用于光纤通信网络。进入 21 世纪以来，国际上光通信用户网络开始提速，主要技术是光纤到户（
4、FTTH） ，对光波导器件的需求激增，市场进入成长期。4 商业化波导器件技术的现状和发展趋势商业化波导器件技术的现状主要围绕三网合并要求的光通信用户网光纤到户展开，未来发展主要围绕计算机、手机以及视频设备等 IT 产品的大容量数据传送、以及物联网的建设展开。1. 光纤到户网络中大量使用的波导器件是多通道功分器，主要有14 路、18 路、116 路、132 路、164 路、以及 28路、216 路、232 路、264 路石英波导分支耦合器。该类器件采用石英材料在石英基板上制备单模波导回路，属硬性波导。波导芯片制造技术有火焰水解淀积法和 PECVD 法等。2. 面向 IT 产品的波导器件主要是带有
5、电光转换和光电转换功能的多模波导数据线，是集成光路和电子回路同基集成的器件，且要求高度的柔软性和长寿命重复折绕性。采用高分子材料制备，属柔性波导。主要制造技术是软光刻技术。3. 物联网是下一代超大规模的信息网络，简单讲，互联网主要是计算机之间的网络，有线电视网络主要供电视信号，电话网络主要是电话之间的网络，而物联网是在上述三个网络合并的基础上，进一步发展成为可携带信息的物体之间的信息交换网络。其规模和功能将随着时代的发展而无至尽地进步。5 波导芯片制造技术现状波导芯片是一种高技术产品，目前能够自主制造并提供石英波导商业产品的代表性企业是：日本 NEL、日本 NHK（现已转让给日本欧姆龙） 、日
6、本日立电缆、美国 JDSU、韩国 WOORIRO、韩国 PPI、以及欧洲 FILAR 等公司。目前正在开发商业化柔性波导的几乎都是日本企业，有 NITTA、欧姆龙、NTT、三井化学、PAINT、富士 ZEROX 等。中国企业尚不具备独立的波导芯片制造能力。上理工陈抱雪在 19951999 年间，在日本 NHK 中央研究所作为主力研究员开发完成了石英波导器件，器件在北美得到了大量使用，成果入选 1999 上海留学人员成果展。最近 10 年来与国外大学和企业合作，指导团队开发多种高分子波导，包括柔性波导，已完成了波导样品试制。6 波导模块在光纤通信网络中导入波导器件，必须解决光纤和光波导的连结封装
7、，完成封装后的波导器件称为波导模块（或称 PLC 模块） 。器件封装过程包括输入/输出光纤列阵分别与光波导输入/输出端的调芯对接耦合、端面粘结剂的稳定均匀固化、以及装盒闭封等工艺流程。器件评价包括基本光学特性、机械特性和耐环境变动特性等，其中基本光学特性指标主要是插入损耗、多路输出功率的均匀性、偏振变动损耗（PDL）等三项。器件的基本光学指标受两方面因素的制约，一个是光波导、光纤列阵等分立元件自身的品质，另一个是将分立元件对接封装为一体涉及的材料和工艺。其中尤其重要的技术是光波导芯片与光纤列阵的低损耗对接。国际上的先进指标是每端损耗低于 0.15dB。要达到这一指标，一方面要求光波导的模场分布
8、尽可能与光纤的一致，另一方面必须要求光波导与光纤的光轴对准误差限制在 0.1 微米以下。国外率先提出并采用自动调芯设备来实现波导与光纤列阵的耦合对接，自动调芯仪器是一种高技术产品，对导轨、丝杆、步进电机、组件构造、调芯方式等有很高要求。日本 Moritex 公司 1995 年开始研制商用自动调芯仪，之后日本骏河精机公司和美国 Newport 公司先后开始了商用自动调芯系统的研发工作，目前国际上可提供自动调芯仪商业产品的主要是这三家公司，售价昂贵，整机每台在25 万美元以上。7 波导模块制造技术现状波导模块制造技术不仅涉及高技术工艺，而且由于工艺程序繁多，还表现出劳动密集型的特征。国外相关企业解
9、决了封装涉及的高技术攻关后，限于劳动密集型特征不得不转移到发展中国家来实施。目前国内能够批量实施封装并提供 PLC 模块产品的公司有日资企业霓塔公司、台资企业 BRWave 公司、国内企业博创公司、美弗信公司、华脉公司、霍普公司、众芯公司、泰科公司、普森公司等。霓塔公司的波导芯片由日立电缆提供，台资企业和国内企业的波导芯片主要由三家韩国企业提供。波导模块制造涉及的关键部件除了上述的波导芯片以外，还需要大量的光纤列阵，数量是波导芯片的两倍。目前能够批量生产光纤列阵的公司有霓塔公司、BRWave 公司、博创公司、美弗信公司和泰科公司等数家。其它公司还没有具备光纤列阵批量生产技术。最早在国内完成波导
10、模块制造技术的是日资企业霓塔公司，2004 年霓塔公司费资 85 万美金从美国引进了封装技术。国内要数博创公司最早，用了近 3 年的时间、费资约 2500 万元，在2005 年完成了批量生产技术的开发。霓塔公司和美弗信公司采用了自动调芯封装技术，其它公司采用了手动调芯封装技术。上理工陈抱雪研究组独立开发完成了自动调芯系统（获 2 项发明专利授权，获中国机械工业科学技术奖三等奖，获第五届中国国际发明展览会铜奖） ，在此基础上，进一步完成了包括光纤列阵制造技术和自动调芯技术在内的整套模块制造技术的开发，达到了批量生产的水平，产品技术指标与日资霓塔公司持平。与日资霓塔公司比较，我们的优势在于精通光波
11、导技术专业，而霓塔公司是跨行业发展，封装队伍的专业力量薄弱，存在发展潜力不足的问题。与其它公司的手动调芯封装技术比较，我们的自动调芯封装技术具有明显的质量和效率优势以及追踪产品发展的潜力。特别是我们具有自行生产自动调芯系统的技术能力，可以能动地适应波导器件技术的进步，这是其它公司望尘莫及的。8 事业化初步计划2010 年 1 月 13 日国务院常务会议公布了我国发展三网合并的五年计划，总投资约 6000 亿元。2010 年 4 月工信部、国家发改委、科技部、财政部、国土资源部、住宅与建设部和税务总局等七部委联合发表了关于推进光纤宽带网络建设的意见 ，设定至 2011 年的近期目标为，城市和农村
12、用户宽带接入分别实现 8M 和 2M 的水平，商务楼达到 100M 以上的水平，宽带接入达到 8000 万端以上。今后三年内新增宽带用户 5000 万以上，合计投资 1500 亿元。在国家大规模发展高速光通信网络的背景下，结合我们长年积累的事业化实践经验，提出如下事业化初步计划：1. 用于设备建设和工厂建设的投资为 500 万。波导模块的年产能力达到 8 万件，光纤列阵的年产能力达到 16 万个。2. 鉴于波导模块行业的帐期为 34 月，流动资金投入 1000 万。第一年公司员工 60 人左右，除了购买另部件和原材料的成本以外，公司所有开销控制在 45 万左右。3. 设备建设和工厂建设一旦完成
13、，当月出产品，开始销售。第一完整年度达到 1000 万销售额，不计纳税的毛利约为 35，公司年开销 540 万，第一完整年度的利润为-190 万。第二完整年度达到 2000 万销售额，公司年开销 540 万，不计纳税的毛利约为 35，第二完整年度的利润为 160 万。第三完整年度达到4000 万销售额，公司年开销 660 万，不计纳税的毛利约为30，第三完整年度的利润为 540 万。其后，在第三完整年度的基础上保持稳步提高的水平。4. 在上述工作进展顺畅的情况下，适时开始软波导的中试，争取尽早向市场提供软波导，抓住最先端技术及其商业机会。适当追加投入，开发和完成软波导的封装，实现光电混载，达到可供 IT 产品使用的水平。
