光纤通信系统是用光作为信息的载体，以光纤为传输介质的一种通信方式。它首先需要在发射端进行光电转换，将各种电信号变成光信号，然后经光纤传输到接收端，在接收端将光信号换成电信号。在这个过程中，所有光信号的产生、处理，以及相关电信号的处理都离不开半导体芯片。其中和光电转换有关的主要是 III-VI 族的芯片，近来也有基于硅材料的芯片。而电信号处理主要是锗硅材料工艺，部分还有 CMOS 工艺等。除此之外，光通信领域目前还有一些纯光领域的光信号处理芯片，比如光分路，光交叉、连接。将光和电处理功能集成到一起的集成技术是光电芯片领域最新的发展方向，尤其以硅光芯片最受瞩目。

光通信用的光芯片承担光电转换或者光信号的处理。具体来说包括发射端的各类激光器芯片、各类探测器芯片以及其它光信号处理芯片。

1 发光芯片

根据结构激光器可以分为 FP 激光器、DFB 激光器、VCSEL 激光器等。法布里珀罗 FP 腔是最普通的谐振腔结构，在此基础上制作的半导体激光器因此最简单，工艺相对简单，成本也比较低。在 FP 激光器的结构上增加一个分布反馈布拉格光栅 DFB 结构就可以构成 DFB 激光器，由于制作工艺中需要增加一道MOCVD 工艺而比较复杂，但是光谱特性远胜于 FP 激光器，支持更远的传输距离。不同于 FP 和 DFB 激光器的侧面发光结构，VCSEL 垂直腔面发射激光器采用特殊的结构让光从正面发出，易于实现耦合，但是功率，波长都受到一定限制。除此之外，通过缩小激光器有源层的厚度到玻尔半径或者德布罗意波长（通常 10nm 到 50nm）时，半导体激光器会呈现量子尺寸效应，载流子被限制在有源层构成的势阱内，这样的激光器称为量子阱激光器。量子阱激光器通常具有更低的阈值电流、更好的温度特性、更窄的线宽、更高的量子效率、更高的调制特性以及更好的偏振特性。量子阱激光器一般分为量子点和量子线两种类型。

根据应用场合，激光器可以分为光模块用激光器，光放大器用泵浦激光器等。泵浦激光器是一种特殊波长的大功率激光器，用于在光纤放大器中提供能量，一般为 1480nm 或者 980nm。

根据波长特性，激光器可以分为固定波长激光器，可调波长激光器，窄带激光器等。相比于固定波长激光器只能输出一个波长，可调波长激光器可以实现一定光谱范围内连续的波长输出，在波分复用等领域具有特殊的应用价值。窄带激光器则相对于普通的激光器进一步限制光谱范围，从而可以在相干通信，光纤传感，光谱分析等特殊领域发挥作用。

另外激光器也可以根据材料、波长、功率、温度范围和工作速率等进行区分。半导体激光器的制作材料一般是三五族的 InP 或者 GaAs 材料，根据需要掺杂磷，铝等材料。不同材料对应不同的波长，光通信主要是850nm，1310nm 和1550nm 三个通信窗口，由于波分复用的发展，光通信波长的种类正越来越多。

通信用激光器一般不需要特别大的功率，但是泵浦激光器例外。根据工作场合，激光器有分别适用于室内，野外以及军工，根据需要选择不同的温度工作。最后，工作速率是半导体激光器一个非常重要的参数。目前激光器直接调制速率最高不超过 35GHz。激光器的工作速率和材料，结构，工艺都直接相关。

1977 年，日本东京工业大学以伊贺健一（Kenichi Iga）教授为首的研究小组首次提出了垂直腔面发射激光器 VCSEL 的概念,其光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，在生产，测试和应用方面具有许多优势。具体来说，VCSEL 激光器小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高，而不需要复杂昂贵的光束整形系统，现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于 90％；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级，这导致许多物理特性大为改善；可以在片测试，极大地降低了开发成本；出光方向垂直衬底，可以很容易地实现高密度二维面阵的集成，实现更高功率输出，并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器，所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域，它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联，以它很高的性价比，在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用；最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管（LED）兼容，大规模制造的成本很低。VCSEL 激光器最早是在短距离数据互联，数据中心内部连接等应用，但是随着苹果公司在其 iPhone 手机中采用 VCSEL 方案用来实现 3D 传感，一下子让沉寂多年的VCSEL 市场爆发起来。尽管 VCSEL 有种种优点，但是由于这种激光器的增益区长度极短（小于 1 微米），激射条件十分苛刻，实现起来困难重重，直到 1988年，由美，日等国的科学家先后宣布 0.86 微米的 GaAs/GaAlAs VCSEL 激光器，实现室温下连续工作的技术。

2 其他类型光芯片

探测器芯片没有激光器芯片那么复杂，但是也可以根据波长、材料、速率和温度范围等加以区分。根据结构不同，探测器分为最普通的 PD 和具有一定放大效应的雪崩光电二极管 APD 两种。

激光器和探测器芯片都是完成光电转换的芯片。此外还有一些纯粹在光域进行信号处理的芯片，最常用的就是 PLC 平面光波导芯片，包括简单的分路器芯片和较复杂的 AWG 阵列波导光栅芯片。这些芯片或者按功率 分波合波或者根据波长实现分波合波。微机电系统 MEMS 芯片是另外一类无源应用的光芯片，可以用做功率衰减，光开关等应用。有源应用方面，光芯片还包括现在还不很成熟的半导体光放大器芯片。

3 光通信用的电芯片

光通信系统里的电芯片是用来配合光芯片使用的，或者是用来提升光芯片的效能。这些芯片包括了激光器的驱动芯片 LDD，调制器驱动芯片，探测器后置的前置跨阻抗放大器 TIA，主放大器芯片 LA，还有近几年涌现的提升激光器频谱效率的 PAM4 芯片、CDR、SerDes 或者 DSP 芯片等。除此之外，还包括一些光通信系统内部的其他电芯片，比如 MCU 芯片，半导体制冷器 TEC 的控制芯片等。大部分光通信用电芯片属于模拟集成电路范畴。对电芯片的主要要求为低功耗，小尺寸，宽温度范围。

半导体激光器的工作需要提供合适的驱动电流，才能实现半导体激光器内部从低能级向高能级的反转，实现受激辐射。驱动电流不仅要求必须高过一个阈值（门槛值），而且对于电流自身的稳定性也有要求。另外激光器的调制信号也是加到这个电流之上的。功率电流曲线（P-I 曲线）是半导体激光器最重要的特性之一。提供合适的电流给激光器这个工作正是激光器驱动电路完成的。在需要外置调制器的场合下，外调制器同样需要驱动电路。早期的光通信系统驱动电路是由分立器件组成的，但是自从 1990 年代以来已经普遍由集成电路完成。除了提供驱动电流，这些驱动芯片普遍还提供对激光器性能的一些控制功能。激光器驱动芯片可以根据激光器工作速率区分，10Gbps 以下激光器驱动芯片通常可以实现多速率同时支持，25Gbps 驱动芯片是当前的热点产品。根据不同的应用，激光器驱动芯片还有一类特别的 PON 无源光网络用驱动芯片，主要是要完成突发模式下的功率控制。另外，VCSEL 激光器通常也有自己的驱动芯片。

半导体光电二极管是一种光生电流的器件，光信号输入，电流信号输出。为了将输出电流信号转换成后续数字通信系统能够采用的信号，一般需要两级放大。跨阻抗放大器 TIA 完成第一级，实现从电流信号向电压信号的转换，因此称为跨阻抗放大器。第二级放大进一步将 TIA 输出的电压信号放大到后续电路所需要的电压。和驱动芯片一样，TIA 和主放芯片也可以根据速率区分，也会有突发模式的特殊类型。近年来，很多芯片厂商通常将激光器驱动和主放芯片合二为一，而 TIA 芯片普遍是应用在光接受组件 ROSA 中。

前述的激光器驱动芯片是采用基于 NRZ（非归零）信号的直接调制。近年来为了提高光通信系统的传输容量，普遍引入了新的频谱调制技术。最基本的频谱调制例如 PAM 调制(Pulse Amplitude Modulation 脉冲幅度调制)。PAM4 是PAM 调制技术的一种，即四阶脉冲幅度调制。NRZ 信号采用高、低两种信号电平表示数字逻辑信号的 1、0，每个时钟周期可以传输 1bit 的逻辑信息。PAM4信号采用 4 个不同的信号电平进行信号传输，每个时钟周期可以传输 2bit 的逻辑信息，即 00、01、10、11。因此，在同样波特率条件下，PAM4 信号比特速率是 NRZ 信号的 2 倍，传输效率提高一倍，同时还可有效降低成本。PAM4 技术已被广泛应用在高速信号互连领域，当前有用于数据中心的基于 PAM4 调制技术400G 光收发模块和用于 5G 互联网络的基于 PAM4 调制技术 50G 光收发模块。实现 PAM4 调制离不开 PAM4 驱动芯片。

SERDES 是 SERializer 和 DESerializer 的英文缩写，即串行收发器。顾名思义，它由两部分构成:发端是串行发送单元 SERializer，用高速时钟调制编码数据流；接端为串行接收单元 DESerializer，其主要作用是从数据流中恢复出时钟信号，并解调还原数据，根据其功能，接收单元还有一个名称叫CDR(Clockand data Recovery,时钟数据恢复器)或 CRU( Clock RecoveryUnit,时钟恢复单元)。以一个 10 根数据线的串行传输和解串行接收器为例，10 根100MHZ 的信号线入 SERDES 器件产生串行码流，时钟也调制到码流内，反过来通过它恢复并行的数据和时钟。SERDES 技术的应用很好地解决了高速系统数据传输的瓶颈(特别是背板传输应用)，节约了单板面积，提高了系统的稳定性，是高速系统设计的强有力支撑。SERDES 是非常复杂的高速数模混合电路，是现代光纤通信系统必备的芯片，在此基础上进一步发展出专用于高速相干系统的数字信号处理芯片 DSP。目前这类芯片都只能从国外进口。

4 光集成芯片

不同于电子器件早已实现单片十几亿只的集成，光芯片目前最高的集成水平不过百来个，但是这一技术发展很快，也是当前光通信器件发展最热门的领域，特别是光电混合集成的器件。目前这类集成器件主要是有基于二氧化硅基的 PLC 线路，InP 基以及硅基 CMOS 工艺三种，主要面向高速相干通信等应用开发集成器件。由于可能的低成本性，高集成度，以及与电芯片的兼容性，硅基光电集成是目前最有希望的集成光电子技术。

文章来源：《中国光通信用芯片产业回顾与展望 》——和弦产业研究中