摘要: 在光通信网络，尤其是宽带接入网PON中，收发一体光电器件正在大规模应用中，而传统的收发一体光电器件正在向集成化、低功耗、低成本等方向快速发展。本文论述了近年来国内外研究机构与厂商在基于几种主流光电集成技术，如SiOB, PLC与PIC等的收发一体器件方面的研究进展，并给出了对未来发展的展望。
关键词: 光电集成 PON 收发一体器件 PLC
1 前言
电子行业自从IC出现以后，明显解决了基于分立元件所带来的相关的成本、体积、功率、功耗以及可靠性等问题，IC也随之成为电子行业以及其他相关行业的核心支撑产业，著名的摩尔定律也由此出现。集成技术带来了低成本高性能的器件，同时极大推动了新的系统应用。受IC巨大成功的激励，在光有源器件领域里，早日推出大规模商用光电集成技术的呼声越来越高，其中基于光电集成的收发一体器件的研究成为了焦点。
从市场的角度出发，受带宽进一步提升的驱动，3G/LTE无线宽带、FTTTx、高速数据交换网等发展如火如荼，中国已经计划启动宽带中国战略，将宽带的发展列为了国家战略的高度。这些都将直接拉动光通信系统向低成本、高速率、集成化的加速发展[1][2]，同时也对大量应用的核心光器件——光收发一体器件提出了更高的要求。
光收发一体器件是将发射元器件与接收元器件封装在同一器件中，在应用最多的一发一收的场合，通常被称为单纤双向器件，根据习惯的不同，简称为BOSA、BiDi、Diplexer等，目前在接入网、数据通信网等得到了极为普遍的应用，而在一发二收的场合，通常被称为单纤三向器件，或单纤双向三单元器件，简称Triplexer 。
光电集成的光收发一体器件，由于要将有源的发射、接收元件同时与无源的波导、滤光器等元件集成在同一平台上，技术上有着相当的难度，同时，由于其应用的场合均属于应用规模巨大、成本极为敏感、可制造性要求很高的接入、数据通信市场，所以一旦技术与工艺上没有取得突破的话，极易陷入弃之可惜，食之无味的两难境地，正因为如此，就光电集成在光有源器件方面的而言，前期开发的热点很多转向了一些高端的发射或接收器件等方向，如：DFB与EA单片集成器件、多波长DFB阵列、多电极DFB/DBR可调激光器、高速单片集成光探测器等等，总体在应用规模上还难以达到普及的程度。
然而，光电集成技术要想真正和IC技术一样取得巨大成功，无论从技术还是市场的角度来讲，成功开发出光电集成的收发一体器件无疑是光器件走向集成的必经之路。从光电集成技术的形式上讲，则无论它是硅光平台SiOB,还是基于光电混合集成的平面光回路PLC，还是拥有更高集成度的单片集成PIC或OEIC技术。
2 光电集成收发一体器件的发展与突破
传统的分立元件的收发一体器件的典型结构可参见图一所示：
图一 分立元件的收发一体光器件的典型结构示意图
Fig. 1 Typical structure of a discrete BOSA
其主要特点是采用分立元件，利用传统的同轴工艺组装而成，关键工序为激光焊接，有源元件采用TO （Transistor Outline）罐气密密封技术以保证长期可靠性。目前市场上正在大量生产的收发一体器件基本上采用了类似技术，其主要缺点是体积较大，成本的下降空间有限，光电转换的效率偏低，难以满足未来发展节能降耗的需求。开发出基于光电集成的收发一体器件已经成为了发展下一代光器件的当务之急。国内外众多研究机构、厂家也在此领域展开了技术、工艺的研究，取得了非常重要的进展。
2.1 基于SiOB集成器件技术
采用SiOB基片和微透镜是基于SiOB集成的收发一体器件的基本特征之一，因此从光路上的表现形式上来看，如图二所示，激光器（LD）和探测器与单模光纤（SMF）之间，依然属于空间光路的传播结构。
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图二 基于SiOB集成的空间光路示意图
Fig. 2 The scheme of free space optical path based on SiOB
日本的OKI公司开发了一种称为–BOSA的集成单纤双向组件，其中装在特制的气密封装的TO （Transistor Outline）罐中的有源集成芯片，就是一种典型的基于SiOB的产品，如图二所示。该集成芯片将微小透镜、波分复用WDM滤光片等无源器件，与LD、PD等有源器件组装在了一个基于硅的平台上，从而在一个TO 罐上实现了单纤双向功能。该BOSA的结构很独特，所以其物料很多属于专门定制，要想将成本做到很低看来需要付出极大的努力。
图三 基于SiOB集成的BOSA组件示意图（图片来自OKI公司产品说明）
Fig. 3 –BOSA based on SiOB (Source: OKI)
2.2 基于PLC集成器件技术
许多光集成厂家对基于PLC集成的收发一体器件展开了研究，这些公司包括NEC，Enablence, Hoya Xponent, OKI, Furukara等。不再使用微透镜，使用导波光路替代自由空间光路，是PLC集成技术的基本特征之一。
在基于PLC的集成器件中，倒装（Flip-chip）技术被广泛使用，不光LD、PD要倒装，背光探测器MPD(Monitor Photodiode)，还有跨阻抗放大器TIA(Transimpedance Amplifier)也要倒装，甚至，借助于表面贴SMP(Surface Mount Photonics)技术，WDM滤光片、隔离器等也可以“倒装”到同一平台上。
从图四可以看到一个典型的PLC集成的收发一体器件的芯片构成。
图四 PLC集成的收发一体器件芯片示意图（图片来自Enablence公司产品说明）
Fig.4 A scheme of PLC Triplexer chip (Source: Enablence )
在其中的关键元件——WDM滤光片的集成技术上，大体上可以分成两种技术路线，一种是将独立制备的TFF薄膜滤光片采用粘接或倒装等方式连接到PLC芯片上，另外一种是直接在PLC芯片上制备集成式的滤光片。图四中的集成式滤光片即是采用了将一个级联的马赫－曾德干涉仪MZI（Mach-Zehnder Interferometer）和一个色散光桥光栅（Dispersion Bridge Grating）组合在一起，以实现滤光的功能。该工艺集成度高，但和TFF技术相比，工艺技术难度相当高，难以实现插损低、光隔离度高的要求。
2.3 基于PIC集成器件的技术
有的厂家如Onechip公司提出了比PLC集成度更高的基于PIC光子集成回路的收发一体器件设想[3]。如图五所示，其PIC芯片结构是将DFB激光器、探测器、背光探测器、WDM滤光片、半导体光放SOA，以及一个光斑转换器SSC，全部集成在同一个InP基的芯片上，再将该芯片安装到一个SiOB平台上，与光纤进行光耦合，再安装在一个贴好了TIA的PCB子板上，然后，再安装到贴好了激光器驱动器LDD、微控制器等IC的PCB板，最后再封装成光模块，组装过程参见图六。
图五 基于PIC集成的收发一体器件芯片示意图（图片来自Onechip公司产品说明）
Fig.5 A scheme of PIC Diplexer chip (Source: Onechip)
图六 基于PIC的收发一体模块装配示意图（图片来自Onechip公司产品说明）
Fig.6 The assembly scheme of a PIC Diplexer module (Source: Onechip)
该集成器件能够进一步提高集成度，但其主要问题是，要将有源部件和无源部件全部集成在InP材料的基片上，技术难度非常高，成品率难以控制，并且，从实质上讲，有许多部件如TIA、LDD等仍然没有实现在一个基片上的集成，也可将其归结为一种混合（Hybrid）集成方案。
比利时的Gent大学的研究人员也研究了基于PIC集成技术的光收发一体器件，如图七所示，是在SOI上的无源部件与基于InP的有源部件通过BCB工艺有机地结合在了一起，主要研究在中心机房CO里的OLT器件，从公布的光电性能指标上看，离现有应用的器件尚有较大的差距。
图七 基于PIC的收发一体器件组装示意图（图片来自Gent 大学）
Fig.7 The assembly scheme of a PIC Diplexer module (Source: Gent University)
2.4 基于OEIC的器件
将光子元件与电子元件集成在同一个芯片上是光学界的长期愿望，采用基于Si基材料的OEIC光电集成回路技术作为单片集成，被许多人认为是实现该愿望的最理想的途径之一。与PIC单片集成面临的同样问题就是，要将有源、无源的部件，全部用Si基材料来制造，还要满足器件的高性能，技术难度非常之大。
如图八所示，有机构曾利用0.8um的标准CMOS工艺，将LED发射部件通过Si3N4波导与PD接收部件集成在了一个芯片上，实现了Si基的OEIC[4]。但该器件在功能上讲还非常简单，离实现收发一体器件的技术尚有相当大的距离。
图八 基于OEIC集成器件芯片示意图
Fig.8 A scheme of OEIC integrated device chip
另外也有机构研究Si基的混合集成的OEIC技术，即将Si基OEIC与其他工艺如PIC融合在一起，制作在一个Si/SiO2 基的光电芯片上。对于Si基的混合集成OEIC来说，将基于不同衬底的基本器件单独制作完成后，还存在它们之间的相互连接、融合的问题。但是，换一个角度看来，混合集成的OEIC，又具有允许不同类别的器件分别选择各自最合适的材料以及最佳的工艺以便取得最好性能的优点。
3 我国集成收发一体器件的进展
在光电子技术中，光器件产品技术往往是代表着一个国家技术水平的关键，这已经成为了业内人士的一个共识。而光电集成的光器件又代表了将来光器件发展的至关重要的方向之一。因此，国内也有很多单位对光电集成技术开展了深入的研究。近年来无论是国家863研究项目，还是973研究项目，基于光电集成的光器件的研究已经成为了信息领域以及材料领域里最活跃的主题之一[5]。如在更具有前瞻性、更倾向于基础方面的973研究中，自2006年以来，分别有7家机构获得了来自科技部的巨额资助，包括清华大学、浙江大学、北京大学、中科院微电子所、北京邮电大学、上海交通大学、中科院半导体所等，开展了集成光子学方面的研究，并取得了一系列的成果。
但在更倾向于产品化、规模化的集成收发一体器件的研究与开发中，国内目前尚未取得实质性的突破，这其中最接近规模商用的当属基于PLC的单纤双向器件。四川飞阳公司曾经开发过该产品，后来又因为种种原因，转向开发基于PLC的无源器件。也有一些单位开展了更高集成度的单纤三向的集成器件的研究，如浙江大学的基于Bragg光栅技术[6]的集成单纤三向器件（参见图九）、北京半导体所的基于SOI 纳米线AWG[7]的集成单纤三向器件（参见图十），但离规模商用都有很长的一段距离。
图九 基于Bragg光栅的集成单纤三向器件芯片原理图
Fig.9 Schematics of a proposed Triplexer based on Bragg grating
图十 基于AWG的集成单纤三向器件图
Fig.10 Schematics of a proposed Triplexer based on AWG
WTD（武汉电信器件有限公司）也对光电集成收发一体器件展开了开发工作。综合评估了现行的多种集成技术方案，为了更好地满足PON市场对集成器件的迫切需求，决定从技术工艺相对比较成熟的PLC混合集成单纤双向收发一体器件来着手。
通过对方形波导进行的模拟计算，可以得出在PLC的方形波导内光场模式的分布特征如图十一所示：
图十一 PLC方形波导模式分布图
Fig.11 Calculated mode distribution of a PLC rectangle waveguide
同时，通过对LD与波导的耦合的模拟分析，可以得到LD与方形波导之间的随z轴方向偏移以及角度偏移情况下的耦合率变化曲线，再通过对波导与单模光纤的耦合的模拟分析，又可以得出光纤与方形波导之间的随z轴方向偏移以及角度偏移情况下的耦合效率变化曲线，如图十二所示。
图十二 PLC波导与光纤耦合效率计算曲线
Fig.12 Calculated curves of coupling efficiency between PLC waveguide and optical fiber
在以上这些理论计算的基础上，可以很好地指导PLC集成的收发一体器件的光路与结构设计。
表面贴光子SMP(Surface Mount Photonics)技术可以非常好地保证有源、无源元部件与PLC直接的高精度贴装，以满足上述光路与结构的设计要求。如图十三所示，不仅激光器LD和探测器PD，以及监测探测器MPD可以如PCB板的组装中的SMT技术一样高精度、而又方便地贴装到PLC芯片上，而且无源的基于TFF技术制造的高隔离度WDM滤光片也能一样采用SMP技术。同时，从图中可以
清楚地看到，光路在封闭的波导中传播，从而没有了空间自由光路，这样，在这些贴装好的元部件外面，加上密封胶后，整个器件在非气密封装的情况下，也变得非常之可靠。另外，有源部件采用SMP技术，同时也是采用Flip-chip的倒装工艺，因此减少了金丝打线，能够提高电路的射频传输特性。
图十三 SMP技术示意图
Fig.13 Schematics of SMP technology
PLC集成收发一体器件与模块的总体的封装过程基本如图十四所示：将LD、PD、WDM滤光片等元部件采用SMP技术倒装在一个PLC芯片上，然后再贴装在一个装好了TIA以及一些电容等电子元件的PCB子板上，再将SMF单模光纤采用V沟槽定位的无源对准技术耦合、固定，再在相应的位置，点上折射率匹配胶、密封胶，将塑料盖板也通过胶的固化，完成对器件的密封包装，再将该器件与一些外围电路一起，封装成一只收发一体模块。
图十四 PLC集成收发一体器件与模块封装示意图
Fig.14 Package schematics of PLC BOSA and transceiver
4 结束语
在出货量最大的FTTx用的集成收发一体器件上，通过几年的实践，基于光电集成的器件，有些已经通过了样机的阶段，总体性能上也表现很好，但主要由于工艺等方面的因素，离大规模的商用还有相当大的差距，因此短期难以真正替代传统的同轴工艺封装的产品。但很多企业正在加大力量继续开发，相信不久的将来，必会成为市场上的主流[8]。
另外，在数据通信下，CSFP产品成为了光电集成器件的一个新的热门研究方向。
CSFP（Compact Small Form Factor Pluggable）即是紧凑型SFP，是在现在流行的SFP封装基础上，发展更为先进、更为紧凑的CSFP封装。
从图十五可以看到CSFP器件与模块的一些基本情况,在集成度进一步提高的情况下，集成的收发一体器件具备有难以替代的优势，尤其是目前在该领域里成本的敏感度远比FTTx领域宽松。
图十五 CSFP器件与模块示意图
Fig.15 Schematics of CSFP device and transceiver
综上所述，光电集成技术作为一种平台技术，几乎可以应用到光通信领域中的每个角落，而作为下一代光电器件的代表之一，光电集成的收发一体器件必将在未来的几年里取得重大的进展。
参考文献
[1] 中国电子元件行业协会光电线缆分会，中国光电线缆及光器件行业“十二五”发展规划纲要，中国光电线缆及光器件行业“十二五”发展规划纲要发布暨专题报告会[M], 2010: 4~14
[2] 吴娜，未来五年国内外光器件市场展望，2011’光纤光缆及光器件产品技术研讨会论文集[J]，2011: 5~26
[3] Andy Weirich, Steve Bauer，高性价比单片PIC将加速FTTH网络的广泛部署，光波通信[J],2009,7(4): 20~22
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[6] Ning Zhu，Zhechao Wang, Lech Wosinski ，et al, Bragg grating-assisted optical triplexer using two silicon nano-wire based directional couplers, 2009 OSA/ACP 2009[M],2009: WI1
[7] 安俊明，李俊一，宋世娇，等，基于硅纳米线AWG的超紧凑单纤三向滤波器设计，全国第14次光纤通信暨第15届集成光学学术会议论文集[J]，2009: 236～238
[8] 徐红春，徐勇，我国光通信有源器件产业的重大发展，中国光纤通信年鉴2011年版[M]，上海：科学技术文献出版社，2011: 105～114 
