光通讯产业中的潜在热点

zeno · 发表于 2003-10-9 11:34:00

[20]近十几年中，区域网络的速度主要是10Mbps(Mega bit per second)，近年来才跃升为100Mbps，但又很快的从100Mbps提升到1Gbps。在1Gbps的传输标准刚完成制订之后，10Gbps的概念随即就被提出，网络的频宽需求是永无止境的。在宽频的要求之下，业界对其内部网路更是积极的不断更新。区域网络主要的传输媒体-—双绞铜线将面临先天传输能力不足的窘境，此时应是光纤应用的较好时机，然而整套光纤通讯系统的价格仍然偏高，总是难以普及至区域网路市场，VCSEL的出现恰好给予了光纤通讯优益的价格与性能比(Price-to-performace ratio)，使光纤通讯在区域网络的应用上能够发挥所长。

　　一、VCSEL简述

　　近3年才成熟的VCSEL产品，其全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，简称面射型激光，是光纤通讯所采用的光源之一。面射型激光在半导体激光历史中发展虽较晚，但其研究时间也超过20年以上，1977年日本东京工业大学的伊贺教授实验室首先提出面射式激光的概念，并于1979年发表全世界第一个VCSEL元件，所用材料是InGaAsP/InP，在低温77°K脉冲操作，而室温脉冲操作激光至1984年才出炉，也是伊贺实验室做出了AlGaAs/ GaAs面射型激光，自此面射型激光发展才打开了新的纪元。美国对VCSEL研究直至1980年代晚期才有显著的成就。面射型激光因特性不同于传统的边射型雷射(Edge-emitting laser)，所以孕育出相当广泛的研究题目，包括微共振腔物理及复杂的化合物半导体异质结构之基本研究，以及先进的磊晶成长和元件制程等技术，这些吸引了全世界无数的研究机构，从实验室初期研究进而开发出VCSEL雏型品，1996年Honeywell公司首先制造出世界第一个商品化的VCSEL产品，至今VCSEL技术发展已迈入成熟的生产阶段，并且开始大量使用在高速传输的光纤网路上。

　　有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源。VCSEL光源最特别之处是产生激光的共振腔位于晶粒层之间，所以光束是从晶粒的垂直面发射，而非传统的侧面发射。仅就这一点就可以使VCSEL在尚未切割及封装前，整片晶片(Wafer)即可进行检测，无须经过切割，简化了检测程序。其实VCSEL诱人之处并非仅在生产过程中的方便检测，更主要的是有像LED那样便宜的价格。LED虽然便宜，但受限于可操作的频率，在光纤通讯中，其传输速度仅能达到600Mbps，且传输距离也仅500公尺之遥。相比之下，VCSEL的可调变频率就达数Giga Hz，传输速率自然也有Giga bps等级。虽然传统LD也有上述性能，但价格较为昂贵，且发光的效率远差于VCSEL。另外VCSEL所需的驱动电压和电流很小，使得寿命有千万小时以上，为其他光源的100倍以上。VCSEL所发出的光点大小适中，非常适合耦合导入多模光纤。因此VCSEL的优点可归纳如下：

　　(1)低发散之圆形雷射光束，易与光纤耦合。

　　(2)具有快速调变功能，利于高速光纤网路传输。

　　(3)元件制程技术与Si IC制程类似，适于量产晶粒。

　　(4)在元件尚未切割及封装前，整个晶片可用wafer-level testing做每个晶粒特性检测，减低大量生产成本。

　　(5)可做成1D或2D laser arrays，利于串接或并列式光纤传输。

　　以上(3)(4)两项优点，都使VCSEL元件利于大量生产及低成本制程。由于VCSEL的特质使其增加了更多的基本研究及光电应用，应用领域涵盖数据通讯、光连接器、光列印机、光资讯、扫瞄器及光感测等，目前应用最成功是高速(Gigabit)乙太网路所用光传接模组之850nm VCSEL元件。在VCSEL array的发展上，目前已经可以将64个VCSEL二极体做在一个array上了，而且并用在平行式光连接通路的设计上，与以平行埠输出讯号的DSP(Digital Signal Processors)配合良好，由于原先光连接通路的设计都是并列式的，首先平行埠的DSP将讯号输出到中继的记忆体，在记忆体中将讯号处理成并列式，然后在光连接通路中传输，最后在终端记忆体中将讯号还原成原来的形式。然而，当DSP逐渐发展成64 bits时，常常发生每个DSP要传送几gigabits的资料，加上main frame中DSP数量一直增加，所以原先并列式的资料传输方式已逐渐不合时宜，VCSEL array适时解决了此一问题。

　　二、VCSEL元件在光通讯中的应用

　　自1996年开始，850nm波长的VCSEL元件已悄悄地走入市场，目标乃设定于高速(Gigabit)、中距离(＜500米)的光纤数据传输网路，Motorola和HP是最先提供模组封装(module)的产品，而Honeywell则提供TO封装VCSEL元件，之后又有Mitel Semiconductor、Vixel及MODE等公司的产品加入市场，甚至一些磊晶片制造商如Epitaxial Products International、Spire及MODE也开始提供850nm VCSEL磊晶片，前面提到面射型激光的光电特性具有许多优点是边射型激光所欠缺的，如临限电流很低(3～6mA或更低)，近乎圆形的雷射输出、单一波长、易于制成2D阵列与Si形成积体化及长寿命，这些都是系统使用者所希望追求的，所以VCSEL元件在光通讯中的应用主要有：

　　光纤网路传输(Data communications)，简单、快速且可靠的面射型雷射是高速乙太网路的最佳选择，波长850nm VCSEL封装是使用标准的TO-46基壳上加平面或球面透镜封盖为成品，后者可直接耦合至50/125或62.5/125的多模光纤，有的产品附有监控功率的检测器做为APC之用，甚至为人眼安全而做光学镀膜以衰减雷射的输出。目前VCSEL元件可应用于高速光纤网路系统有：1.25Gb/s Ethernet，2.5 Gb/s SONET，10Gb/s SONET及Fiber Channel，因VCSEL挟其固有优异特性----单一纵向模态及多重横向模态，可以降低色散差及多模光纤的杂讯，故使用于高速光纤网路传输时非常方便。当前850nm波长VCSEL商用产品表现最杰出的是W.L. Gore公司的产品。

　　可做为系统与系统间、电路与电路间，甚至是元件与元件间的连接（inter-connect)，VCSEL用来做为光连接器的输出除了可以提高频宽外，也没有阻抗匹配的问题，此外，VCSEL雷射光具有高度同调性与对称性，更可做为短距离高密度2D元件与元件间之传输，这种元件最大的好处就是以激光做为输出入讯号的来源，没有讯号互相干扰的问题，逻辑运算、放大等光元件无法做到的由Si或GaAs积体电路来达成，加上面射型激光阵列的高密度化，使得处理的资料量可达到200Gb/s-cm2，在不久将来，将可达到1Tb/s-cm2。

　　矩阵元件应用(Array applications) ，VCSEL array同时也是未来极具市场潜力的并列式矩阵模组(parallel array transceivers)的最佳选择。VCSEL array将需要大量的VCSEL磊晶片，利用光蚀刻方法制成1D或2D array chips，并可封装成体积很小的元件，便于配合multifiber ribbons使用。目前世界记录以郎讯为最好，利用flip-chip bonding技术将970nm 16×16 array粘固在COMS电路上，并对16×5 array元件量测，每个VCSEL元件功率在室温达4mW，速度达1Gb/s，故总速度高达77 Gb/s。

　　三、VCSEL的未来技术发展

　　自从1998年通过IEEE802.3Z标准制定后，VCSEL在高速乙太网模组市场用量即逐渐攀升，而此模组即使用850nm VCSEL元件。据Anadigics公司预测在2003年其模组市场产值将达4.5亿美元，对未来市场发展，Electronicast预测到2008年全球VCSEL-based光传接模组的市场总销售值将达59.2亿美元，显示出未来光纤区域网络的蓬勃发展。

　　由于VCSEL元件拥有上述的优势，极适于近距离(～cm至20km)数据传输，而过去三年来宽频通讯的市场需求大量增加，可以低成本制造的VCSEL更是产品竞争的热门抢手货，所以目前全球的VCSEL制造厂商都在全力扩大此产品的生产量，以符合市场的需求及未来的大发展，同时VCSEL技术发展也不断地延伸，目前及未来VCSEL主要技术发展趋势如下：

　　(1)元件结构由质子布植型转变为氧化局限型

　　(2)元件波长由现已成熟的850nm及980nm，逐渐往长波长1310nm或1550nm发展

　　(3)发展单模态(SM)的VCSEL

　　(4)1D及2D VCSEL arrays 研发。

　　在光纤通讯系统中，1.3与1.55-μm波长之激光光源是不可缺少的关键性元件，目前市售的元件是以边射型FP及DFB半导体激光为主。相比而言，VCSEL激光元件具有低成本及耦光容易之诸多优点，所以可以预期的是将来长波长VCSEL激光如能进入实用阶段，将会造成整个光纤通讯技术上的革新，市场需求量也将有增无减，其重要性不言可知。长波长VCSEL雷射之所以迟迟未能研发成功，一个原因是一般在1.3-μm波长所使用之InGaAsP材料的温度特性较差，To值只有60K，所以提高元件温度特性便成为一重要课题。1996年日本日立公司提出InGaNAs雷射材料可以生长在GaAs基板，此材料To值可达150 K，且有潜力以低成本技术制造出长波长VCSEL，马上被看好是制作长波长VCSEL的重要技术趋势之一。InGaNAs/GaAs具有最高温度特性，可直接将DBR和活性层成长于GaAs基板上，是未来最具商品化潜力的选择。目前此材料的VCSEL元件激光波长已达1.294μm，且是室温连续操作，但是输出功率仅有60μW，离商品化目标尚有一段距离。具体分析，技术上之困难主要在于InGaNAs材料之生长，逐渐加入N于InGaAs材料中虽可使波长从1-μm增至1.3-μm，但会使晶格缺陷增加，导致材料光强度明显降低，所以波长愈长，所需N含量愈多，技术困难愈高，这些问题是日后所必须致力来解决的。

　　四、VCSEL市场起飞在即

　　进入2001年，翻开各种媒体，尽现眼前的是光通讯市场低迷、各大公司相继裁员、各类创投公司纷纷缩减对光通讯产业的投资等等“利空”消息，但细细分析该产业，可以看出，目前的低迷仅仅是对前二年光通讯产业过热的“一轰而上”的局面的调整，全球光纤通讯产业未来前景与商机仍不容忽视，尤其是被视为解决“光纤到家”，甚至城域网路（MAN ）最佳方案的垂直共振腔面射型激光（VCSEL）元件，各地区仍然呈现一窝蜂的投资热潮，因此，从目前国际大厂的下单情况来看，被市场期待许久的VCSEL市场热在今年底就会逐步显现，原因在于日本与南韩政府在当地强力推动的“光纤到家”建设。

　　市场大量需求即将显现，但也应看到，随着多家厂商的陆续投入，竞争也会日趋激烈，VCSEL的价格也会逐渐走低。目前国际市场上罐装(TO can)的850nm VCSEL售价约为11美元，其价格的走势预计会每年跌20%，5年后的价格会低于3美元，届时低廉的价格将会使VCSEL的应用市场更加广泛。现今高速乙太网路用的传输模组速度是1.25 Gb/s，距离在300或500米范围以内，在技术与需求的提升下，网络传输不久将会普及至10 Gb/s，并要求更远的距离传输，届时VCSEL元件的需求量将更大，1D或2D array制造及电路设计与长波长VCSEL的创新发明将更加重要，而单模态的VCSEL又可藉由单模光纤传输至更长的距离，相信在不久的未来更可看出VCSEL对整个光通讯产业的贡献。

摘自《国际光电产业资讯网》

szled12 · 发表于 2003-10-9 17:15:00

这也拿出来卖，

穷疯了

光通讯产业中的潜在热点

光通讯产业中的潜在热点

发表回复

浏览过的版块


热搜: 防雾膜棒料红外反射膜光电二极管镀膜机反射膜光谱仪光电探头真空镀银滤光片光器件应用光学 zemax激光远心镜头 sio2 增透膜离子源栅网 zemax 论文高反膜半反半透膜