光收发模块的发展趋势分析

　　　　　　　　　　　　 贺联合　罗九强 
　　　　　　　　　　　上海大亚光电通信设备有限公司 

　　通信网干线传输容量的不断扩大及速率的不断提高使得光纤通信成为现代信息网络的主要传输手段，在现在的光通信网络中，如广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)所需要的作为核心光电子器件之一的光收发模块的种类越来越多，要求也越来越高，复杂程度也以惊人的速度发展。光收发模块的急剧增加导致了多样性，需要不断发展相关技术满足这样应用需求。下面就其发展方向进行分析。 
　　发展的方向之一：小型化 
　　光收发模块作为光纤接入网的核心器件推动了干线光传输系统向低成本方向发展，使得光网络的配置更加完备合理。光收发模块由光电子器件、功能电路和光接口等结构件组成，光电子器件包括发射和接收两部分，发射部分包括LED、VCSEL、FP LD、DFB LD等几种光源；接收部分包括PIN型和APD型两种光探测器。 
　　目前的光通信市场竞争越来越激烈，通信设备要求的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高。传统的激光器和探测器分离的光模块，已经很难适应现代通信设备的要求。为了适应通信设备对光器件的要求，光模块正向高度集成的小封装发展。高度集成的光电模块使用户无须处理高速模拟光电信号，缩短研发和生产周期，减少元气件采购种类，减少生产成本，因此也越来越受到设备制造商的青睐。 
　　目前光收发模块中的光电器件的封装由较大尺寸的双列直插形式为主发展为以同轴封装形式为主；光接口等结构件从ST、FC发展到SC及更小尺寸的LC、MT-RJ型连接口形式，相应的光收发模块的封装形式也从金属封装发展到塑料封装，由单接口的分离模块发展到双接口的收发一体模块。管脚排列及封装由双列直插20脚、16脚分离模块发展到单排9脚(1X9)、双排9脚(2X9)以及今后的双排10脚和双排20脚的收发一体模块。SFF（Small Form Factor）小封装光模块采用了先进的精密光学及电路集成工艺，尺寸只有普通双工SC（1X9）型光纤收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口数，可以增加线路端口密度，降低每端口的系统成本。又由于SFF小封装模块采用了与铜线网络类似的MT-RJ接口，大小与常见的电脑网络铜线接口相同，有利于现有以铜缆为主的网络设备过渡到更高速率的光纤网络以满足网络带宽需求的急剧增长。 
　　小封装光收发模块以其外观封装体积小的优势，使网络设备的光纤接口数目增加了一倍，单端口速率达到吉比特量级，能够满足INTERNET时代网络带宽需求的快速增长。可以说小封装光收发模块技术代表了新一代光通信器件的发展趋势，是下一代高速网络的基石。 
　　国外各大光模块供应商已生产了各种用于不同速率和距离的小封装光模块，国内一些光器件供应商（像上海大亚光电）也开始研发和生产各速率SFF小封装光模块。 
　　发展的方向之二：低成本、低功耗 
　　通信设备的体积越来越小，接口板包含的接口密度越来越高，要求光电器件向低成本、低功耗的方向发展。 
　　目前光器件一般均采用混合集成工艺和气密封装工艺，下一步的发展将是非气密的封装，需要依靠无源光耦合(非X-Y-Z方向的调整)等技术进一步提高自动化生产程度，降低成本。随着光收发模块市场需求的迅速增长，功能电路部分专用集成电路的供应商也逐渐增多，供应商在规模化、系列化方面的积极投资使得此类IC的性能越来越完善，成本也越来越低，从而缩短了光收发模块的开发周期，降低了成本。尤其是处理高速、小信号、高增益的前置放大器采用的是GaAs工艺和技术，SiGe技术的发展，使得这类芯片的成品率及制造成本得到很好的控制，同时可进一步降低功耗。另外采用非制冷激光器也进一步降低了光模块的制造成本。目前的小封装光模块也都采用低电压3.3v供电，保证了端口的增加不会提高系统的功耗。 
　　发展的方向之三：高速率 
　　人们对信息量要求越来越多，对信息传递速率要求越来越快，作为现代信息交换、处理和传输主要支柱的光通信网，一直不断向超高频、超高速和超大容量发展，传输速率越高、容量越大，传送每个信息的成本就越来越小。长途大容量方面当前的热点是10 Gbit/s 和40Gbit/s，据ElectroniCast最新的市场研究，10 Gbit/s数据通信收发模块的全球总消费量将从2001年的1.57亿美元增长到2010年的90亿美元。2001年早期使用10 Gbit/s数据通信收发器的数量不到10万个，但到2003年，10 Gbit/s数据通信收发模块将增加到200万个。在接下来的几年内仍将会猛烈增长，2005年将会达到700万个。在整个消费领域，继10-gigabit 光纤通道之后，10-gigabit以太网将会有强烈的影响。 
　　目前SDH单通道光系统正向40Gbit/s冲击。高速系统和器件方面,很多公司今年推出了40Gbit/s系统。40Gbit/s方面目前的重点产品技术是：大功率波长可调/固定激光器、 40G调制器（Inp EAM、LiNbO3EOM、Polymer EOM）、高速电路（InP、GeSi材料）、波长锁定器、低色散滤波器、动态均衡器、喇曼放大器、低色散开关、40Gbit/sPD（PIN、APD）、可调色散补偿器组件（TU-DCM），前向纠误（FEC）等。 
　　从现阶段电路技术来说，40Gbit/s已接近“电子瓶颈”的极限。速率再高，引起的信号损耗、功率耗散、电磁辐射（干扰）和阻抗匹配等问题难以解决，即使解决，则要花费非常大的代价。 
　　发展的方向之四：远距离 
　　光收发模块的另一个发展方向是远距离。如今的光网络铺设距离越来越远，这要求远程收发器来与之匹配。典型的远程收发器信号在未经放大的条件下至少能传输100公里，其目的主要是省掉昂贵的光放大器，降低光通讯的成本。基于传输距离上的考虑，很多远程收发器都选择了1550波段(波长范围约为1530到1565nm)作为工作波段，因为光波在该范围内传输时损耗最小，而且可用的光放大器都是工作在该波段。 
　　发展的方向之五：热插拔 
　　未来的光模块必须支持热插拔，即无需切断电源，模块即可以与设备连接或断开，由于光模块是热插拔式的，网络管理人员无需关闭网络就可升级和扩展系统，对在线用户不会造成什么影响。热插拔性也简化了总的维护工作，并使得最终用户能够更好地管理他们的收发模块。同时，由于这种热交换性能，该模块可使网络管理人员能够根据网络升级要求，对收发成本、链路距离以及所有的网络拓扑进行总体规划，而无需对系统板进行全部替换。支持这热插拔的光模块目前有GBIC和SFP（Small Form pluggable），由于SFP与SFF的外型大小差不多，它可以直接插在电路板上，在封装上较省空间与时间，且应用面相当广，因此，其未来发展很值得期待，甚至有可能威胁到SFF的市场。