面向光通信的低成本可调谐激光器解析

　　项目背景
　　改革开放使中国内地发生了翻天覆地的变化，改革开放40周年的今天，中国又站在一个新的历史转折点上，对高端核心制造业的渴求从来都没有变得像现在这样迫切。因为无论在电子通信还是光通信领域，高端芯片制造上我们至今还未获得令人欣喜的商业成功，也没掌握缩小差距的主动权。
　　国内在光电子器件方面，核心技术研发能力不足，高端产品几乎空白，中端产品国产化率低，每年需大量进口，光电子器件已经成为我国光通信行业最薄弱的环节，自主研发芯片迫在眉睫。2018年4 月份美国对中国知名通信设备制造商中兴通讯发起的商业制裁事件，其核心就是禁止美国器件厂商向中兴通讯供应高端芯片和模块，使中兴通讯休克，造成了极其恶劣的影响，也使中国社会清醒意识到我们还有许多“卡脖子”技术有待解决，中国企业必须进一步提高创新，尽快把核心技术掌握在自己手中。

　　项目目标与创新
　　本项目团队的最终目标是：基于自主发明核心技术在中国本土成就世界上最有影响力的通信可调谐激光器公司。
　　在关键设备、材料、工艺，甚至资金受限的情况下，这样的最终目标怎么可能？
　　答案是“精准”。
　　“精准”代表了一种先进生产力，成为当前发展的一种趋势，如精准医学、精准扶贫和精准农业等。
　　本项目的核心竞争力来自于项目负责人发明的重构-等效啁啾（reconstruction-equivalent chirp，REC）集成激光器阵列的技术【发明专利CN200610038728.9；CN2008101565920；美国专利US 7873089 B2；Optics Express ， Vol.17， 5240 （2009）】。该技术完全是中国提出并发展起来的一种与国外完全不同激光器阵列技术，制造上与传统商业成熟普通分布反馈（distributed feedback， DFB）激光器制造流程基本兼容，能够基于最普通DFB激光器制造技术制造DFB激光器阵列，这与传统方法完全不同。DFB激光器已经大量应用于光通信网络，最普通DFB激光器价格只是数元人民币，因此REC集成激光器阵列制造成本极为低廉。
　　而最令人惊喜的是，REC集成激光器阵列在波长间隔控制精度比传统方法理论上可提高约2个数量级，实现对波长微结构非常精准的控制【Optics Letters， Vol.37， 3315（2012）】，创记录的60波长的激光器阵列实验结果表明【Scientific Reports， Vol. 4， 07377 （2014）】，83%的波长间隔线性度控制在±0.2nm之内；相比之下，贝尔实验室采用传统方法获得的结果仅为35%【IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology， Vol.14， 967 （1996）】。最新实验结果表明典型线性波长误差已经接近±0.1nm【Optics Letters， Vol.40， 5136（2015）】，好于传统方法数十倍，解决了20多年没有解决的波长控制误差大难题！正是因为REC技术对于波长微结构的精准控制，该技术已经被国内外研究组和公司模仿或者应用。典型的如REC集成阵列技术也被美国国家集成光子制造创新机构的首席技术官、MIT教授Michael R. Watts研究组所模仿发表论文并申请专利【Optics Letters， Vol.38， 4002（2013）；美国专利US 9325140 B2】！在专利中明确说明使用该技术就是因为它具有波长价格精准控制能力。
　　由于集成激光器阵列是把多个单元激光器集成到一个芯片上，属于光子集成范畴，且激光器为光子集成芯片提供光源，非常重要，相当于“发动机”，因此，本项目的核心技术REC集成激光器阵列实现了一种光子集成上的精准制造。
　　未来的大规模/超大规模光子集成芯片，要取得像集成电路那样的成功，不仅要解决光子集成的材料问题，如被业内非常看好Intel和IBM等投入巨资研发的硅基光子集成，也要解决如光芯片波长微结构上的精准制造（调控）问题，否则混乱的波长排列将导致极低的成品率，使大规模/超大规模光子集成芯片成本高不可攀。未来大规模/超大规模光子集成技术必然向“精准”发展，仿照精准医学，可以称之为“精准光子集成”。波长微结构的精准调控是“精准光子集成”的重要组成部分。
　　可调谐激光器方案繁多，根据美国工程院院士、商用可调谐半导体激光器的先驱Larry A. Coldren教授在2016年对于宽带可调谐半导体激光器发展35年所做的总结【https://coldren.ece.uc***.edu/sites/coldren.ece.uc***.edu/files/publications/35_years_of_widely-tunable_single-chip_laser-_a_pathway_to_active_pics.pdf】，目前商业主流可调谐半导体激光器主要采用两种技术。其中一种是采用集成DFB激光器阵列，通过拼接多个热调谐DFB激光器来扩大调谐范围，产品主要由古河电气（Furukawa Electric Co）【https://www.furukawa.co.jp/fitel/english/active/pdf/signal/ODC-7AH001H_FRL15TC Wx-D66-xxxxx-D.pdf】等日本公司提供，实际上就是可调谐DFB激光器阵列。目前可调谐半导体激光器完全被国外垄断，但是由于传统技术的局限性，宽带可调谐半导体激光器价格远远高于低成本可调谐激光器所必须的200美元以下价格。
　　由于传统技术的局限性，目前光子集成技术还没有像集成电路那样成熟，国外在波长微结构的精准制造上没有成熟解决方案，也没有明确提出类似“精准光子集成”的概念并推动其发展。另一方面，面向具有巨大市场潜力的宽带网络通信和人工智能，中国的光子集成事业将是激动人心的，但必须要在高端光芯片制造上取得商业成功。未来的大规模/超大规模光子集成芯片需要大规模/超大规模精准集成激光器阵列，因此在中国率先提出并大力推动以“精准光子集成”为差异化竞争手段，减轻我们在先进设备、材料和工艺的困难，可能是突破中国高端光子集成芯片制造的良策。
　　本项目方案也采用可调谐DFB激光器阵列，从可调谐机制来看，是完全商业成熟且获得规模商业应用。与日本公司相比，本项目技术核心是采用REC集成激光器阵列来代替传统DFB激光器阵列，且制造流程又和传统方法差不多，能够实现低成本的“精准光子集成“制造。因此本项目的技术优势明显，是突破关键设备、材料、工艺**，造就世界上最有影响力的通信可调谐激光器公司的充分保障。
　　如果我们有机会在中国能够造就世界上最有影响力的通信可调谐激光器公司，不是因为我们实力有多强大，归根到底是因为运气和机遇：基于传统技术方案，即使采用当前最先进的成熟工艺，国外最先进公司仍无低成本可调谐激光器方案。
　　但是工艺是高端芯片制造的基石，再优异的技术，要梦想成真，没有相应工艺的支撑，也是空中楼阁，无法落地。要把“精准光子集成”的优势充分发挥出来，离不开优秀工艺的支持。可调谐REC激光器阵列技术具有无与伦比的低成本能力和在某些关键性能上无法逾越的精准优势，凭借知识产权保护，起步阶段并不需要世界上一流的光子集成工艺，但要使可调谐REC集成激光器阵列在商业竞争中取得明显优势，准一流的工艺还是需要的。
　　制造可调谐REC激光器阵列所有流程都是商业成熟的，本项目需要执行的是以宽广的胸怀，逐步建立一个技术、工艺、管理和投资等要素均衡突出，刻苦奋斗，掌握好国外十多年前就已经掌握的通用光子集成工艺，开发出全球第一款低成本可调谐半导体激光器产品，成为中国创造的典范，并给投资者和创业团队带来巨大的商业回报。

项目内容

本项目主要分两个阶段，第一阶段1-3年，主要从事中低端激光器、可调谐激光器芯片和模块的生产与销售，同时进行高端可调谐芯片与模块的研发；第二阶段3-5年，主要从事中高端波分复用光源芯片与模块的生产与销售。
中低端光器件芯片和模块不是本项目的核心竞争力产品，但是可以开拓人才队伍，培养核心产业和工艺线，并且一开始就可以给公司带来持续的销售并和不断增强市场开拓能力。
可调谐激光器是光纤通信网络中的基本部件之一。目前对传输带宽的需求在快速增长，波分复用（WDM）技术已应用于网络的各个层面，随着WDM系统需求的快速增加, 可调谐激光器正取代固定波长DFB 激光器成为WDM系统的基本部件，因此, 可调谐激光器的市场需求在今后几年会稳定增长。根据项目需求，第一期，项目周期36 个月，在产品完成研制和技术测试、满足客户要求后，建立年生产能力30-50 万只的生产线。
在掌握好单片集成无源波导和调制器的技术的条件下，也就是当前美国、日本公司掌握的产品技术，可以把可调谐REC集成激光器阵列价格做到100美元以下，从而具备大量代替固定波长激光器的能力。目前固定波长激光器的年销售数量达到亿量级，未来可调谐激光器的年市场销量可以达到数千万甚至亿只以上，以70美元/只计，具有30亿美元以上的市场。如果我公司占1/3份额，可以做成市值至少数百亿人民币的公司，并成为一个值得尊敬的科技型标杆公司。
3.1 第一阶段1-3年

本项目第一阶段专注于2款产品，分别是单信道2.5G/10G-1310nm/1550nm窗口DFB激光器和ONU端2.5G/10G低成本可调谐激光器。
3.1.1 单信道2.5G/10G-1310nm/1550nm窗口DFB激光器

单信道2.5G/10G-1310nm/1550nm窗口DFB激光器是本项目的过渡性产品，主要应用领域是宽带接入、移动基站回传和部分智能电网，目前单信道DFB激光器市场每年出货量达到1亿只左右。其中，2.5G DFB 激光器芯片的市场价格在0.5美元左右，10G DFB 激光器芯片市场价格在3-7美元左右。
以国内宽带接入为例：按照国家“宽带中国”战略的部署，到2020年，宽带网络全面覆盖城乡，固定宽带家庭普及率达到70%，3G/LTE用户普及率达到85%，行政村通宽带比例超过98%；城市和农村家庭宽带接入能力分别达到50Mbps和12Mbps，发达城市部分家庭用户可达1 Gbps；宽带应用深度融入生产生活，移动互联网全面普及；技术创新和产业竞争力达到国际先进水平，形成较为健全的网络与信息安全保障体系。目前中国家庭数量4.3亿户，70%实现宽带接入，其中70%是光纤接入的话，将有2亿光纤潜在用户。目前单通道激光器主要用于无源光网络，根据权威市场调研机构OVUM的预测，2020年全球ONU设备将达到1.69亿台，如果80%的ONU采用G/EPON的方式，所需单通道激光器的数量为1.352亿只，按照平均3美元/只计算，单通道激光器芯片市场价值超过4亿美元。2.5G/10G的单通道直接调制激光器芯片是无源光网络设备的核心器件，因此2.5G/10G的单通道直接调制激光器芯片的市场份额也将随之增加。
REC技术在2.5G单信道激光器上的优势：2.5Gb/s速率激光器芯片的技术难度不大，能够做这样激光器的公司很多，无法形成很好利润。REC技术做这样的DFB激光器有其特点，可以在市场中检验REC激光器，单信道DFB激光器成功，对于REC集成激光器阵列产业化具有显著的推动作用。目前2.5G DFB 激光器芯片的市场正常价格在~0.5美元左右，如国内主要采用***联亚光电的DFB晶片（均匀光栅）做激光器，2英寸的DFB晶片可出30000个激光器，联亚光电的晶片成品率约为30%，那么一个2英寸的DFB晶片能够出约10000个激光器，价值5000美元左右，而一个晶片大概1000美元。后续加工费（光刻、刻蚀、芯片切割、镀膜）包括其他人工费用大概1500-2000美元，两者相加在2500-3000美元之间，因此毛利润率在40-50%左右。
因此，目前低速DFB激光器芯片的利润空间已经很小，如果质量和成品率控制不好将很难盈利。国外公司在这一领域投入较少，低速DFB激光器的竞争主要来自国内厂商：武汉光迅、青岛海信、中科光芯等。国内厂商主要采用全息曝光制造技术，激光器成品率较低。
引入复杂DFB光栅结构，可以有效提高DFB激光器的单模成品率。据考证国外采用电子束曝光技术在DFB光栅上引入复杂结构（取样光栅），把激光器的成品率做到60%，一个2英寸的DFB晶片能够出18000个激光器。一台能够做DFB激光器的电子束曝光设备价格在300万美元，2英寸的DFB晶片需要写3个小时，且设备维护比较昂贵。用REC技术可以像电子束刻写一样引入复杂结构，但是速度快的多，且不用昂贵的设备，维护成本极低，未来和电子束技术相比，仍有成本和规模的优势。更重要的是，用REC技术不仅能大大提高单个激光器的单模成品率，还可以通过对端面相位的调控来实现单模保险功能，当一个激光器处于非单模区时，另一个激光器便处于单模区，从而保证两者中必有一个激光器为单模激射，即在不增加成本的基础上实现了单模保险功能，已在实验上得到初步验证，见图3.1。因此，基于REC的单模保险功能和复杂结构的引入，有理由实现低成本和高单模成品率，将进一步提升利润率。

图3.1 (a)备份激光器设计图, (b)光栅设计示意图, (c)备份激光器芯片实物图
因此，虽然2.5G和10G直接调制激光器无法使投资有巨大获利，但可以形成比较快销售，推动REC激光器产业化和规模化应用。该类激光器主要目的是增加产值、锻炼队伍、加强与上下游客户的关系等，同时以价格和性能综合性价比来取得市场认可。REC技术是不显著增加成本的情况下，能够在DFB激光器引入复杂结构，因此可以提高单模成品率和工作稳定性。在同等情况下，在成本和性能上有一定的优势。
3.1.2 ONU端2.5G/10G低成本可调谐激光器

ONU端2.5G/10G低成本可调谐激光器是本项目的旗舰产品，主要应用领域是即将到来的基于下一代无源光网络（TWDM-PON和WDM-PON）的宽带接入网和移动基站回传、前传网络（4G和5G需求）。根据预测2020年全球ONU数量1.69亿台，如果2%的ONU采用TWDM-PON/WDM-PON的方式，所需可调谐激光器为338万台，市场估价大于3亿美元。
随着ITU-T日前推出40Gbps无源光网络（NG-PON2）G.989系列标准，下一代无源光网络的发展又向前迈出了一大步。为此各大运营商都在加快进行研发符合NG-PON2标准的相关设备。在2015年9月份华为携手巴林电信完成了40G TWDM-PON的实验布局，在今年三月份举行的OFC会议上，华为推出了世界上首个32波10GWDM-PON (Wavelength Division Multiplexing Passive Optical Network)样机，支持单根光纤320G总带宽，为用户提供高安全、高可靠、低时延、低抖动的独享波长通道，满足无线基站前端回传、企业10GE专线接入等新兴业务发展需要。同时，谷歌公司也重新启动了“谷歌光纤”项目，“谷歌光纤”项目的基本原理也是基于WDM-PON技术。另外中兴、思科等通信设备商业都进行了NG-PON2的相关实验和研发。预计2020年左右，NG-PON2会逐渐商用化，届时可调谐激光器模块的市场也将随之而来。
本团队研发的低成本可调谐激光器芯片主要瞄准未来的下一代无源光网络TWDM-PON/WDM-PON的市场。现阶段国外很多大公司也有可调谐激光器模块产品，如美国的JDSU、Oclaro、NeoPhotonics，日本NTT等，这些公司的产品主要用于主干网相干光通信系统，这些模块的售价在600-1000美元左右，现在主干网中可调谐激光器市场份额大约4亿美元。未来WDM-PON系统中可调谐激光器模块用于ONU端，对于可调谐激光器成本要求十分严格，具体价格要在150美元之下，这是现有产品的技术路线无法达到的。现在用于主干网的可调谐激光器芯片主要是DBR激光器和外腔式激光器，这两种激光器前者成品率低、后者制造工艺复杂，成本居高不下。本项目的可调谐激光器基于激光器阵列技术，见图3.2，努力降低可调谐激光器阵列成本，实现最低成本的可调谐激光器阵列芯片，推动可调谐激光器的使用像传统DFB激光器一样，能够向数千万只到亿只/每年需求发展，采用可调谐激光器阵列芯片是实现高速谷歌光纤（>1Gb/s）接入的理想方式，REC技术有能力把接入端可调谐激光器模块的成本降低到150美元以下，为光纤到户大规模应用做好准备。
可调谐激光器是当前最智能的激光器之一。未来智能化网络必然推动固定波长的激光器向可调谐激光器发展，目前最大的障碍是可调谐激光器的价格太贵。如果普通应用的可调谐激光器价格降低到100美元，预计将引发可调谐激光器应用的爆炸性增长，可形成至少20亿美元/年的市场。
目前除了我们技术外，看不出其他技术能够把低成本可调谐激光器价格能够拉到70亿美元以下，这个将是我们未来重点发展产品，要占领150美元以下可调谐激光器的至少50%份额。

图3.2 (a)可调谐芯片实物图(b)光谱图，覆盖22nm(c)可调谐模块实物图
3.2 第二阶段（3-5年）

本项目第二阶段将专注于两款产品：2款产品，分别是多通道激光器阵列（单通道10Gbps及以上）和窄线宽激光器及阵列（线宽<100KHz）。
3.2.1 多通道激光器阵列（单通道10Gbps及以上）

多通道激光器阵列（单通道10GBPS及以上）为本项目的重要产品，十分体现本技术的特色优势，且它符合未来光网络对于光集成器件的发展要求。目标最低为4通道阵列激光器，可扩展至8、16、32通道，其主要潜在应用领域为即将到来的下一代宽带接入网（TWDM-PON和WDM-PON）、移动基站回传、前传网络（4G和5G）和数据中心。预计2017年开始推广，2020年左右将会广泛应用，其市场潜力巨大。以宽带PON网络为例：按照年复合增长率19%的权威推测，预计2020年全球局端OLT设备数量将达1570万台，保守估计5%的OLT采用TWDM /WDM-PON的方式，所需阵列OLT模块为78.5万台，市场价值6.3亿美元（阵列激光器为局端阵列OLT的核心器件，成本约50%）。
目前来看，多波长激光器阵列除了主要应用于宽带接入网中的OLT端之外，在硅基光子集成器件领域也大有市场。市场分析2024年硅基光子器件市场为7亿美元，保守估计30%为激光器阵列成本，则用于硅基光子器件的多波长激光器阵列市场份额为2.1亿美元。随着大数据时代的到来，多波长激光器阵列芯片将会得到越来越广泛的应用，市场潜力难以估计。
激光器阵列传统用电子束曝光技术做，由于电子束在2英寸大约2%的面积上刻写激光器就需要5小时，从长远来说，不适合大规模高密度光子集成。此外用电子束曝光技术做激光器阵列时的主要问题是波长间隔控制不准确，与REC技术相比，差距较大。为了调控波长间隔以满足国际标准，就需要在半导体激光器加热调谐装置，进行激光器的调谐，这大大影响了激光器的性能。因此，REC技术即使在小规模集成的情况下，和传统电子束曝光刻写的激光器阵列相比，也有较强的竞争力。
3.2.2 窄线宽激光器及阵列（线宽<100KHz）

窄线宽激光器及阵列（线宽<100KHz）已经有重要的需求，但是市场规模多大，还有待观察。如果用于数据中心的400Gb/s传输，市场容量可观。窄线宽激光器阵列是激光器阵列中的高端产品，可以实现较高利润。
目前，窄线宽激光器已经规模用于干线光纤传输，价格还比较昂贵。随着数据爆炸性增长和精密测量的要求，窄线宽激光器未来可能进入城域、接入和数据中心。特别是数据中心采用光模块数量爆炸性增加，窄线宽激光器在数据中心的应用前景可期，主要用于400G光模块。这个市场预期增加迅速。
表3.1 REC技术未来产品市场分析（部分）
[tr]器件名称应用方向市场份额合计[/tr]

单通道激光器	G/EPON中ONU端	>2.7亿美元	2.7亿美元
可调谐激光器	WDM-PON中ONU	>5亿美元	5亿美元
多波长激光器阵列	硅基光子学	2.1亿美元	7.1亿美元
WDM-PON中OLT	>5亿美元
总计	14.8亿美元

3.3 模块开发规划

           目前可调谐芯片的模块封装，除了TO部分管壳及电路板由外部加工完成，其余控制电路、软件及外围管壳由核心团队完成设计。
阵列芯片及可调谐芯片为多通道芯片，并且每个激光器芯片的点亮方式与单个激光器芯片的点亮方式大为不同，所以不能通过市场直接购买，加上芯片每次设计和制作的不同，导致芯片在电路设计和封装上每次都需要重新设计，且暂时以测试为主，整体设计不符合市场应用需求。目前开发周期比较长，是影响模块研发进度的主要因数。
如图3.3现阶段由武汉两家代为TO封装以及模块整体设计封装，两家公司与我方已经有长达5年左右的合作时间，对我方芯片要求比较熟悉，比较适合初期并行开发的渠道。
同时南智光电（南大江北新区研究院）的光模块研发线目前已经在建设中，建成后将有能力支撑模块的耦合封装、模块后续的测试和可靠性测试等工作，我司将基于南智光电的光模块研发线自主设计开发符合市场需求的光模块产品。

图3.3 模块开发规划

项目预期投资与效益

     表4.1 预期资金投入
[tr]资金投入（万元）第一年第二年第三年第四年第五年总投资(万元)[/tr]

设备资金	5700	0	3800	0	0	9500
运营资金	700	1250	1250	1250	1250	5700
流动资金	300	500	1000	1200	1300	4300
其他	0	0	0	0	0	0
合计	6700	1750	6050	2450	2550	19500

资产投入说明：项目总周期按照五年规划。
第一年：主要为研发兼生产线的建设资金投入，投入到工艺调试完成时间在一年半左右；
第二年下半年：开始传统2.5G产品的小批量试生产，固化常规生产工艺，建设研发及生产队伍，同步开始可调谐产品的研发；
第三年：生产产线扩充计划投入，为满足研发和大批量生产的同步进行，完成第一代可调谐产品的开发工作，并开始小试；
第四年及第五年可调谐产品迭代研发及批量生产。
表4.2 预期效益
[tr]年份产品销量销售产值（万元）利润（万元）[/tr]

第一年	基础设施建设改造和产品稳定性测试	0	0
第二年	2.5G：1000万只	2000	120
第三年	2.5G：2000万只+可调谐：5万只	9500	1370
第四年	2.5G /10G：4000万只+可调谐：15万只	24500	5190
第五年	10G：2000万只+可调谐：40万只	48000	13520

相关评估评价信息

1、技术能力（35%）
重构-等效啁啾技术的开发依托南京大学国家微结构实验室，目前已得到十一五国家 “863” 计划、国家自然科学基金、江苏省科技支撑计划、科技部 973 计划和基金委基金重大项目等项目支持，并取得了多项专利成果，在光电子领域国际一流期刊上先后发表相关文章近百篇，并在光电子国际顶级会议上多次发表专题报告。该技术于2006年被正式提出，称为基于重构-等效啁啾技术的激光器阵列【发明专利CN200610038728.9；CN2008101565920；US7873089B2；Optics Express, Vol. 17, 5240(2009)】。该技术完全是在中国提出并发展起来的一种与国外完全不同激光器阵列技术并且与传统商业成熟普通DFB激光器制造完全兼容。最令人惊喜的是发现波长间隔控制精度比传统EBL方法理论上可提高约2个数量级，实现对波长微结构非常精准的控制【Optics Letters，Vol.37，3315(2012)】，也被国外知名研究组证实，解决了20多年没有解决的波长控制误差大难题。 详细技术介绍见附件二。
2、商业能力（40%）
光通信作为承载信息社会发展的基石，在过去二十年得到了飞速的发展。半导体激光器是光通信中的光源，市场庞大且处于快速增长。随着网络带宽的增加，光网络面临升级的需要，波分复用技术的发展要求光源由固定波长向可调谐波长升级，而目前最大的阻碍是成本的降低。目前市面上还没有低成本可调谐激光器，而即将到来的5G移动通信、下一代高速光接入系统和未来高度智能化网络服务都需要大量的低成本可调谐激光器，因而，低成本可调谐激光器的市场十分巨大并在今后几年会稳定增长。 本项目团队基于完全自主知识产权的光通信芯片技术，以“精准光子集成”为核心竞争力，在中国高端制造领域面临的“关键设备、材料和工艺”三大壁垒的情况下实现突破。本团队的技术优势主要在两个方面，一是制备工艺要求相对较低，不需要一流的设备即可进行生产；二是波长控制精准，与使用高端设备制作出来的器件相比，我们的波长控制更为精准。该两个技术优势是确保我们可以制备出成本更低的可调谐激光器。 目前固定波长激光器的年销售数量达到亿只量级，未来可调谐激光器的年市场销量可以达到数千万甚至亿只以上，以70美元/只计，具有30亿美元以上的市场。