摘要：光通信光電子器件作為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心組件，其技術(shù)發(fā)展與市場(chǎng)前景備受矚目。隨著全球信息化浪潮的到來，網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)量急劇增加，對(duì)光通信網(wǎng)絡(luò)容量的需求也隨之飆升。光電子器件作為光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵元素，不僅承載著光信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、探測(cè)、連接等核心功能，還直接關(guān)系到整個(gè)光通信系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性和成本。為此，該文將就光通信光電子器件技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及市場(chǎng)前景展開分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：光通信；光電子器件；技術(shù)；發(fā)展；市場(chǎng)前景

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.038

中圖分類號(hào)：TN 929.1" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-0-03

Technological Development and Market Prospect Analysis of Optoelectronic Devices for Optical Communication

TANG Yuhuan， KANG Jian

（Zhonggong Engineering Machinery Co.， Ltd.， Beijing 100070， China）

Abstract： Optical communication optoelectronic devices， as the core components of modern information technology， have attracted much attention for their technological development and market prospects. With the arrival of the global wave of informatization， the amount of network communication data has increased sharply， and the demand for optical communication network capacity has also skyrocketed. As a key element in optical communication systems， optoelectronic devices not only carry the core functions of generating， modulating， detecting， and connecting optical signals， but also directly affect the performance， stability， and cost of the entire optical communication system. In view of this， this article will analyze the technological development and market prospects of optical communication optoelectronic devices for reference.

Keywords： optical communication; optoelectronic components; technology; development; market prospect

1" "光通信光電子器件技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

1.1 高速率、大容量光電子器件的研發(fā)

隨著光通信技術(shù)的高速發(fā)展，推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步的關(guān)鍵力量是研制高速率、大容量的光電子器件。傳統(tǒng)的光電子器件隨著數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)，已經(jīng)很難滿足帶寬不斷增長(zhǎng)的需求。因此，為了應(yīng)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的高性能要求，科研人員正致力于開發(fā)新一代高速率、大容量的光電子器件。具體來說，高速率光電子器件的研發(fā)重點(diǎn)在于提高數(shù)據(jù)傳輸率和減小信號(hào)畸變。例如，基于硅基光子集成技術(shù)的光調(diào)器和探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了單路傳輸速率超過1 Tbps的突破，通過器件結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化，為超高速度的光傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供了可能。此外，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）等先進(jìn)的調(diào)制格式和編碼技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸效率和頻譜利用率進(jìn)一步提高。在大容量光電子器件方面，科研人員通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多路并聯(lián)傳輸與密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)的結(jié)合，目前已具備了多路并聯(lián)傳輸技術(shù)條件。以一家知名通信設(shè)備商為例，其開發(fā)的集成數(shù)十條甚至上百條獨(dú)立光路的多路光收發(fā)模塊，每條光路都能以數(shù)百Tbps的總傳輸能力獨(dú)立傳輸高速數(shù)據(jù)信號(hào)。這種大容量光電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使光通信系統(tǒng)的整體傳輸能力得到了很大程度的提高。值得注意的是，高速率、大容量光電子器件的研發(fā)仍然離不開新型材料和工藝的支持。例如，由于獨(dú)特的物理特性，石墨烯、拓?fù)浣^緣體等新型材料在光電子設(shè)備上的應(yīng)用潛力巨大。同時(shí)，微納處理工藝的不斷進(jìn)步，顯著提高了光電器件的整合度，提高了器件的性能。這些技術(shù)與材料的創(chuàng)新應(yīng)用，為光電子器件的高速率、大容量研制提供了強(qiáng)大的支持[1]。

1.2 集成化、微型化技術(shù)

在光通信光電子器件領(lǐng)域，集成化與微型化技術(shù)的發(fā)展正在帶領(lǐng)產(chǎn)業(yè)邁向一個(gè)新的高度。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)光電子器件已難以滿足對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的需求。所以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是要運(yùn)用集成化與微型化技術(shù)。由于這些技術(shù)的采用，行業(yè)有望借助新的技術(shù)來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。將多個(gè)功能單元在單一芯片或模塊中集成的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)器件的小型化、高效化和低成本化。其中比較突出的是硅基光子集成技術(shù)，它是在成熟的硅基CMOS工藝的基礎(chǔ)上，將光源調(diào)制器、探測(cè)器等關(guān)鍵光電子元件集成在同一芯片上，使系統(tǒng)的集成度和性能得到了很大的提高，因此被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。微型化技術(shù)使光電子器件在小型化和輕量化上得到了更進(jìn)一步的發(fā)展。采用先進(jìn)的微納加工技術(shù)，如電子束光刻納米壓印等，可以使光電子器件尺寸達(dá)到微米甚至納米級(jí)別，這些微型器件除了具有更高的性能指標(biāo)，如更低的功耗、更快的響應(yīng)速度，還能穩(wěn)定地在極端環(huán)境下工作，從而為光通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供有力保障，并進(jìn)一步推動(dòng)了光電子器件的小型化進(jìn)程。值得指出的是，以集成化為基礎(chǔ)，以微型化工藝為主要手段，以新型材料為重要依托，三者是相互聯(lián)系相互促進(jìn)的關(guān)系，而不是各自為政的孤立現(xiàn)象。具體地說，就是由于很多具有獨(dú)特電學(xué)和光學(xué)特性的二維材料在光電子器件上具有巨大的應(yīng)用前景和潛力，因此將這些材料與集成和微型技術(shù)相結(jié)合，就可以在提高光電子器件性能上實(shí)現(xiàn)新的突破，從而對(duì)光通信技術(shù)有進(jìn)一步的促進(jìn)作用[2]。

1.3 新型材料與工藝

在光電子器件中應(yīng)用與持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中，新型材料與工藝的應(yīng)用無疑為其注入了強(qiáng)大的活力與潛力。近年來，石墨烯、拓?fù)浣^緣體以及二維材料等前沿科技成果的涌現(xiàn)，為光電子器件的性能提升開辟了新路徑。以石墨烯為例，其卓越的導(dǎo)電性、透光性和機(jī)械強(qiáng)度，使得基于石墨烯的光電子器件在高速光調(diào)制、光電探測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出非凡的潛力。研究表明，石墨烯光調(diào)制器的調(diào)制速率可達(dá)數(shù)百吉赫茲，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，為實(shí)現(xiàn)超高速光通信提供了可能。此外，作為一類擁有獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)的材料，拓?fù)浣^緣體的表面態(tài)電子在整個(gè)傳輸過程中幾乎不受散射的影響，這就提供了一個(gè)很好的理想平臺(tái)來構(gòu)建低損耗、高穩(wěn)定性的光電子器件。如采用拓?fù)浣^緣體的光波導(dǎo)，對(duì)其表面態(tài)電子的傳輸特性進(jìn)行優(yōu)化，有望達(dá)到極低的光傳輸損耗，這對(duì)于提高光纖通信系統(tǒng)的整體性能具有非常重要的意義。納米制造技術(shù)的飛速發(fā)展在工藝上為光電子器件的微型化和集成化提供了有力支撐。通過精確控制材料的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，科研人員能設(shè)計(jì)出具有復(fù)雜功能的光電子器件，如納米光子晶體超表面等，這些新型結(jié)構(gòu)除了能在微納尺度上對(duì)光的傳播吸收和發(fā)射進(jìn)行有效操控，還為將光電子器件的多功能集成奠定了基礎(chǔ)。利用納米光子晶體搭建的濾波器，在極小的體積內(nèi)可實(shí)現(xiàn)高選擇性的光譜分離，為光通信系統(tǒng)的發(fā)展提供高效解決方案。因此，在光電子器件的制造和應(yīng)用上，納米技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊[3]。

1.4 低功耗技術(shù)

應(yīng)用與發(fā)展低功耗技術(shù)不但對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本的下降起到了促進(jìn)的作用，并且還可以讓設(shè)備使用周期得以延長(zhǎng)，與環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展需求相一致。第一，科學(xué)應(yīng)用光子集成電路（PIC）技術(shù)以及新型半導(dǎo)體材料。新型半導(dǎo)體材料如III-V族半導(dǎo)體材料（如GaAs、InP等）其光學(xué)以及電子性能良好，且具有低功耗的特點(diǎn)，因此被廣泛運(yùn)用到光調(diào)制器以及高效激光器中。又如，硅基材料不但可以運(yùn)用現(xiàn)有的成熟半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電光調(diào)制，將光接收器以及光調(diào)制器的能效大幅提高。第二，光調(diào)制器和激光器的低功耗設(shè)計(jì)。過去在運(yùn)行光調(diào)制器，特別是傳輸高速信號(hào)過程中電能消耗極大。為了降低功耗，研究人員在調(diào)制技術(shù)方面獲得了較大的進(jìn)步。如采用硅光子光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及集成化設(shè)計(jì)，讓電光轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)所耗費(fèi)的能量大幅降低。不僅如此，在激光器技術(shù)快速發(fā)展的背景下，尤其是激光二極管（LD）以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），憑借高效的光輸出以及較低的驅(qū)動(dòng)電壓的特性，已成為數(shù)據(jù)中心和通信設(shè)備中理想的低功耗光源，并獲得了有效運(yùn)用，過去的氦氖激光器現(xiàn)逐漸被低功耗光源取代。第三，優(yōu)化光通信系統(tǒng)架構(gòu)。通過采用更為高效的傳輸協(xié)議、簡(jiǎn)化的光路設(shè)計(jì)以及分布式處理系統(tǒng)，能夠在不影響系統(tǒng)性能的情況下顯著降低整體能耗。光纖連接器和模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)化，能夠減少信號(hào)傳輸過程中的損耗，從而降低功耗。例如，基于光子集成電路（PIC）的系統(tǒng)架構(gòu)能夠?qū)⒍鄠€(gè)功能模塊集成到單一芯片上，減少了外部器件的數(shù)量，降低了功耗并提高了系統(tǒng)的集成度[4]。

2" "光通信光電子器件市場(chǎng)前景分析

2.1 5G及未來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

在5G及未來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，光通信光電子器件扮演著至關(guān)重要的角色。隨著5G技術(shù)的全面應(yīng)用及未來6G、7G等更先進(jìn)通信技術(shù)的探索，光電子器件作為信息傳輸?shù)幕?，其市?chǎng)需求將迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。5G技術(shù)以其高速度、低延遲、大容量的特點(diǎn)，正逐步改變著人們的生活和工作方式。在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，光電子器件如光收發(fā)模塊、光放大器、光衰減器等，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)高效傳輸和處理的關(guān)鍵。以光收發(fā)模塊為例，其作為5G基站與核心網(wǎng)之間的橋梁，能夠支持高速率、長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸，確保網(wǎng)絡(luò)覆蓋的廣度和深度。此外，今后隨著通信技術(shù)的日益發(fā)達(dá)，光電子器件的性能和技術(shù)水平也必將持續(xù)提升，從而使其在更廣泛的通信應(yīng)用場(chǎng)景中得到應(yīng)用和普及，如硅光技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)光電子器件的小型化和集成提供了可能；人工智能等技術(shù)的發(fā)展將促進(jìn)光電子器件的智能化程度不斷提高；這些技術(shù)的相互融合將有力地促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率和智能管理能力的增強(qiáng)等。因此將更有效地支持通信網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行與智能管理。

2.2 數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容與升級(jí)

大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)致作為信息存儲(chǔ)與處理核心基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)中心正在經(jīng)歷前所未有的擴(kuò)容與升級(jí)過程。而作為數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵部件的光通信光電子器件在數(shù)據(jù)中心的擴(kuò)容與升級(jí)過程中起著舉足輕重的作用。以Google等科技巨頭為例，為了滿足不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)處理需求，其數(shù)據(jù)中心規(guī)模龐大，不斷擴(kuò)大和升級(jí)。在這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速、低延遲傳輸，廣泛使用光通信光電子器件，如高速光模塊、光交換機(jī)等。Google曾公開表示，其數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全采用了光通信技術(shù)，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，同時(shí)也降低了運(yùn)營(yíng)成本，目前Google已經(jīng)將光通信技術(shù)應(yīng)用到了數(shù)據(jù)中心擴(kuò)容升級(jí)過程中，不僅關(guān)系到數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，而且?duì)數(shù)據(jù)中心的能效比也有直接的影響。低功耗、高密度的光通信類光電子器件，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在市場(chǎng)上已漸成主流產(chǎn)品。例如，利用低功耗、高集成度等優(yōu)勢(shì)，采用硅光技術(shù)的光模塊已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)占有了一席之地。此外，伴隨著數(shù)據(jù)中心走向智能化與自動(dòng)化程度的提高，光通信光電子器件的智能化管理也成為重要發(fā)展方向之一。利用智能芯片和算法進(jìn)行光通信光電子器件的自我監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警工作能夠提高運(yùn)維效率與可靠性[5]。

2.3 產(chǎn)業(yè)鏈整合與生態(tài)構(gòu)建

從光通信光電子器件市場(chǎng)的發(fā)展過程中看，產(chǎn)業(yè)鏈的整合與生態(tài)建設(shè)將是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要?jiǎng)恿?。隨著技術(shù)的日新月異和市場(chǎng)需求的日趨多元化，產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)之間的合作與協(xié)同顯得尤為關(guān)鍵。整合產(chǎn)業(yè)鏈上的各類資源，提高資源的使用效率，進(jìn)而促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高，使企業(yè)在應(yīng)對(duì)市場(chǎng)的變化和滿足客戶的要求時(shí)更加游刃有余。因此，在光通信光電子器件市場(chǎng)的發(fā)展進(jìn)程中，必須重視產(chǎn)業(yè)鏈的整合與生態(tài)建設(shè)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心等市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，光模塊的需求量急劇增加，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的整合提出了更高的要求，國(guó)內(nèi)外眾多光模塊廠商紛紛加強(qiáng)合作，通過技術(shù)共享和聯(lián)合研發(fā)的方式促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的深度融合，既提高了光模塊的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，又促進(jìn)了整個(gè)光通信行業(yè)的健康發(fā)展。在光通信系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用的光模塊在通信網(wǎng)絡(luò)中具有舉足輕重的地位，光電子器件市場(chǎng)正逐步形成以技術(shù)創(chuàng)新為根本核心的生態(tài)系統(tǒng)，并以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同為關(guān)鍵紐帶，使企業(yè)之間在合作與共贏的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，從而構(gòu)建開放協(xié)同共贏的生態(tài)環(huán)境。通過這種方式，企業(yè)之間可以共同應(yīng)對(duì)市場(chǎng)挑戰(zhàn)，在技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)升級(jí)上取得更大的成就。此外，在“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略指引下，光通信光電子器件市場(chǎng)將擁有更廣闊的發(fā)展空間，企業(yè)可以通過強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)鏈整合與生態(tài)建設(shè)來把握市場(chǎng)機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

3" "結(jié)束語

隨著數(shù)字化浪潮的推進(jìn)，光通信光電子器件正經(jīng)歷著空前的變革與升級(jí)。展望未來。由于技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，光通信光電子器件的技術(shù)與市場(chǎng)將具有更廣闊的發(fā)展空間。同時(shí)由于新一代通信技術(shù)的商用部署。光通信光電子器件將迎來新的應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)機(jī)遇，從而為數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能化發(fā)展注入新的活力。我們相信在不久的將來，光通信光電子器件將成為促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要力量，在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著數(shù)字化進(jìn)程的不斷深入，光通信光電子器件將在更多領(lǐng)域扮演舉足輕重的角色。從而成為社會(huì)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有力推手。

參考文獻(xiàn)

[1] 竇東瑜．基于無線光通信的自組網(wǎng)隨機(jī)接入技術(shù)研究[D]．桂林：桂林電子科技大學(xué)，2021．

[2] 劉西宗．基于光纖通信技術(shù)的高速數(shù)據(jù)傳輸研究[J]．無線互聯(lián)科技，2023，20（22）：13-15．

[3] 尚進(jìn)．光通信傳輸技術(shù)的比較分析及光通信系統(tǒng)建設(shè)傳輸制式的選擇[J]．?dāng)?shù)字通信世界，2017（11）：103．

[4] 劉秀娟，吳杜雄．光調(diào)制器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)化研究[J]．電子測(cè)試，2021（18）：137-138，134．

[5] 王永進(jìn)，尹清溪，葉子琪，等．可見光通信感知一體化芯片及關(guān)鍵技術(shù)[J]．電子與信息學(xué)報(bào)，2022，44（8）：2725-2729．