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高性价比单片PIC将加速FTTH网络的广泛部署
作者: 发布时间:2009-09-27 06:25:22 来源:《光波通信》2009年8/9月

Andy Weirich、Steve Bauer,OneChip Photonics公司

几年来,逐渐形成这样一种共识,即光纤到户(FTTH)网络的广泛部署必定可为丰富的多媒体内容和三网合一业务的开展,提供所需的高速连接。目前,虽然光纤到户以及其他FTTx技术,如光纤到楼(FTTB)的部署已取得了重大进展,但在实施上仍存在主要障碍,阻碍了其广泛部署。

所面临的一个重要挑战是,要找到一种办法来大幅降低FTTx网络使用的光收发器的成本。根据全球各地FTTx初步部署的经验,显而易见的是,使用现有的分立元件组装光收发器将永远不能实现普遍部署所需的低成本, 以及高效的批量生产能力。此外,新兴的混合平面光路(PLC)方法也只能提供一个过渡性解决方案,该方案仍然过度依赖前期成本核算,并寄希望于组装和劳动力成本的降低。从本质上而言,PLC方案注定会在达到所需的性价比目标前遇到瓶颈。

本文所要介绍的是一个本质上完全不同的解决方法,这就是光子集成回路(PIC)。PIC技术利用成熟的磷化铟(InP)工艺,将所有无源和有源元件集成为一个单芯片。通过大幅度、飞跃式地改进产品的成本、性能和可靠性,PIC技术为真正普遍部署FTTx网络打开了大门。

当前FTTx市场动态g3A光波通信
如果上述的挑战是能够克服的,则FTTx的部署将为电信服务商和系统集成商提供一个巨大的商机。根据市场调查公司Ovum的数据,FTTx用户(其中包括FTTH和FTTB)的数量将从2009年底的约4800万增加到2012年底的超过1亿。按占所有宽带用户的百分比计算,FTTx的市场份额预计将增加一倍,从现在的大约8%增加到2012年的16%。受这一需求增长的推动,光收发器市场预计将从2009年的3.87亿美元增长到2013年底的5.94亿美元。

迄今为止,在FTTH部署领域公认的领先者日本NTT公司拥有超过1000万用户。其他亚洲领先的公司包括韩国电信和中国电信。正在升级电信基础设施的国家已经发现,直接向光纤部署转变不仅是一个面向未来的方案,而且与部署铜缆相比,部署光缆的前期资本支出实际上并不算昂贵。许多面临升级改造的运营商已率先采用新方法,将光纤直接装入原先安装铜线的管道中,从而大大降低了其转型成本,并缩短了资本回收期。

从运营和维护的角度看,以光纤为基础的无源光网络(PON)比常规的以铜线为基础的网络也具有明显的优势。例如,Verizon公司(美国FTTH部署的领先者,拥有超过100万用户)已积累了大量经验,其经验表明,光纤到户与DSL部署相比可显著降低运营和维护费用。

对于服务提供商和系统集成商来说,FTTx网络标准的不断演变也给规划过程增加了一些复杂性。日本、韩国和中国的无源光网络是基于以太网无源光网络(EPON)技术的,而GPON(千兆无源光网络)则是美国的Verizon公司和欧洲电信运营商采用的标准。多数业内观察家一直期望,随着时间的推移,GPON将凭其更优异的性能而占据主导地位。g3A光波通信
然而,新兴的10G EPON使前景变得有些复杂,因为10G EPON现已显示出具有成为主导性高性能标准的潜力。

从服务商和系统集成商的角度看,重要的是,在做部署选择时,要同时关注直接优势和长期影响——尤其是在选择用于光网络单元(ONU)和光线路终端(OLT)的光收发器技术时。虽然无源光网络的性能优势和运营效益是显著的,但如果作为基础的收发器技术无法支持向GPON、10G PON以及更高标准的升级,这些好处可能被削弱或完全消失。

现行光收发器制造方法的局限g3A光波通信
目前,大多数FTTH光收发器是以分立光学元件或平面光路(PLC)技术为基础的。这类器件集成度低,要求使用多个零件来组装。器件的设计方案之间几乎没有技术差异。供应商被迫在组装工艺成本上展开竞争,这使得进一步降低整体成本几乎没有了可能。事实上,现行的在远东地区制造的方式,使得大部分的劳动力成本已经降无可降了,因此制造商不得不采取降低利润空间、赚取薄利的方式来保护其市场份额——并希望“用销量来加以弥补”。

另一项与分立元件设计有关的主要成本因素是,需要对组件密封以满足环境要求。由于光收发器中存在多达20个独立的无源和有源器件,内部连接和封装都会对产品可靠性构成重大的挑战。即使是采用PLC方法的混合结构也无法克服这些组装难题。“硅光子器件”(SiO2-Si)有其固有的局限性,即不能在硅片中制造出激光器。因此,单独的光学和电子器件必须用不同的工艺制造,然后再组装在一起。由于必须在一个陶瓷基板上互连多达10个零件,因此对准、调整和可靠性问题将大大增加生产成本、并降低产量。

此外,服务商还必须认识到,用分立零件制造的光收发器有其固有的性能局限。虽然近距离EPON光收发器已经得到了优化,其价格降到15美元以下,但这些方案只能满足低端的性能要求。而网络需要使用更昂贵的光收发器来支持更长距离的EPON、2.5G EPON、GPON或10G PON。由于大多数服务提供商希望在尽可能短的时间内收回他们在光纤安装/改造上的投资,所以,在回报期内冒险增加成本转而采用另一种收发器是不明智的。

采用单芯片PIC方法g3A光波通信
相比之下,使用磷化铟(InP)工艺可实现在单个器件上集成FTTH ONU收发器所需的所有光学功能。利用磷化铟工艺可以生产所有有源和无源元件,包括分布式反馈(DFB)激光器、光学预放大探测器(OPAD)、波长分路器(WS)、模场转换器(SSC)和无源光波导。如图1所示,这种单芯片集成方法完全不使用任何分立零件,避免了组装和密封封装的成本,减小了产品尺寸,同时提高了可靠性。

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光收发器设计方法比较。

因为所有有源和无源元件均在一个外延生长步骤中集成,不需要重新生长或后期生长外延材料,所以光子集成回路一次性地优化了产品的成本、性能和可靠性。这种独特的方式巧妙地利用了“生长而不是粘贴”的理念,消除了所有以前与制造光收发器有关的不必要的昂贵组装步骤。

与法布里-珀罗激光器相比,单频DFB激光器可提供更优越的发射性能,从而使该器件更适合于长距离和较高比特率的应用。此外,集成的OPAD比分立的雪崩光电二极管(APD)可提供更高的增益-带宽性能。同时,单芯片集成还可以满足低得多的功率要求,从而也消除了使用高功率电源的费用。

所有这些固有的性价比优势使得PIC技术成为今天制造EPON或GPON ONU的极佳选择。更重要的是,随着网络基础设施迁移到10G PON以及更高水平,其固有的优良性能也将使PIC技术更具优势。事实上,今天的常规分立组装和混合PLC方法还需要极大的改善,才能支持未来的10G PON要求。

从系统集成的角度来看,PIC技术也能提供极好的灵活性,其中包括:1)不同波长的光发射和接收;2)进/出信号的波长解复用;3)与标准单模(SM)光纤耦合时能容忍较大的错位。

如图2所示,PIC可在硅基光学平台(SiOB)上使用行业标准的自动组装工艺安装,且无需对光学元件进行任何有源校准。

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PIC在SiOB上进行自动安装。

由于光信号通道完全包含在固态单片InP半导体芯片中,该结构完全消除了传统的自由空间光信号传播和多个分立光学元件组装所涉及的不稳定因素,从而产生稳定、可靠的光通道。在市场上,单片集成光学零件不仅尺寸最小,还可以一次校准,终生使用,这些零件非常可靠,对振动和其他外部因素具有固有的抵抗能力。在光收发器制造的后续工艺中,这些固有优势不断累积并“向上传递”。

芯片级集成有利于高效利用标准的半导体生产工艺,具有最大的可塑性,可根据行业的需要调整生产规模,迅速响应客户需求。使用标准的生产流程也保证了以最低价格可靠地向客户供货。图3描述了以SiOB上的单片PIC为核心的双向光组件(BOSA),以及与PCB和外壳集成后形成完整光收发器的过程。

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最终的光收发器集成。

结论g3A光波通信
多年来,光子学技术对促成和实现宽带革命发挥了关键作用,甚至在该术语和概念未阐明前也是如此。半导体激光器和探测器、低损耗光纤以及后来的光放大器的发明,使长距离数据传输变得可行。光子学下一阶段的发展将把类似的成果应用于终端用户的接入网系统。

由于扩展光学系统性能应用新领域这一压倒性的需求,人们早已预见到可将光子器件集成到光子集成回路中,但直到最近才在长距离光传输系统中得到商用。现在,由于应用PIC单芯片方法可降低生产无源光网络收发器的成本,宽带革命即将进入“集成光路时代”,即使像光纤到户这样对成本非常敏感的应用也是如此。

由于电信运营商期望满足消费者和企业的高带宽、多媒体的三网合一(语音、数据和视频)的需求,并使自己与竞争对手区别开来,因此,将光子技术扩展到接入网中的需求现在比以往任何时候都更加迫切。这对于全新的光PIC技术来说正是最佳时机,它将消除一直妨碍光纤到户(FTTH)广泛部署的成本和性能障碍,并将推动新一轮的企业和家庭的宽带应用。

  
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