基于光载无线电（ROF）应用的光器件技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究报告要点 本报告主要研究基于光载无线电（ ROF Radio-Over-Fiber）应用的光器件技术，从 ROF 技术的国内外研究与应用现状出发，在调查分析 ROF 涉及到的关键技术的基础上，重点研究了目前 ROF 应用的光器件技术面临的挑战，并给出了其未来的发展方向 。 （传送网与接入网技术工作委员会光器件工作组） 研究单位：烽火科技集团有限公司、中国信息通信研究院、中兴通讯股份有限公司、武汉华工正源光子技术有限公司、厦门优迅高速芯片有限公司 项目负责人：林楠、罗飚 项目参加人：赵文玉、武成宾、刘王来、林少衡 完成日期： 2017 年 8 月 30 日 目 录 1 引言 . 1 2 国内外研究与应用现状 . 5 2.1 高线性模拟激光器及阵列芯片方面 . 5 2.2 大动态范围探测器及阵列芯片方面 . 6 2.3 多波长阵列器件分合波方面 . 6 2.4 ROF 光收发模块研制方面 . 7 2.5 光纤无线融合通信的系统实验方面 . 8 3 涉及到的关键技术 . 9 3.1 激光器阵列混合集成芯片技术 . 9 3.1.1 阵列激光器波长的精确控制 . 9 3.1.2 高线性宽频直调激光器的实现 . 10 3.1.3 高线性、低噪声的宽频调制激光器组件 . 10 3.2 高饱和功率光探测器阵列芯片技术 . 12 3.2.1 高动态范围、低噪声、高线性的宽频光电接收器组件 . 12 3.2.2 光探测器阵列芯片研究技术 . 13 3.3 宽频带光收发模块技术 . 14 3.3.1 高线性直调多波长激光器阵列芯片硅基平面耦合封装技术 . 14 3.3.2 多制式宽频带光载无线传输与分配 技术 . 14 4 主要技术指标 . 16 4.1 高线性、低噪声的宽频调制激光器组件技术指标 . 16 4.2 高动态范围、高低噪声、高线性的宽频光电接收器组件技术指标 . 18 5 面临的挑战与发展方向 . 20 5.1 高线性激光器与光探测器阵列芯片的研究与制备 . 20 5.2 宽频带光收发模块与系统的验证 . 20 5.2.1 高性能光收发阵列芯片平面光耦合技术 . 20 5.2.2 高效阵列芯片模块化微波和系统封装技术 . 21 5.2.3 多制式宽频带光载无线传输与分配技术 . 22 6 结束语 . 22 1 基于光载无线电（ ROF）应用的光器件技术研究 1 引言 随着 “ 宽带中国 ” 、 “ 智慧城市 ” 等国家重大战略规划的推进，用户希望能在任意的时间、任意的地点享受到高速、可靠、无缝的通信，显然传统的移动通信网络已无法满足要求。在考虑上述需求的同时， 能耗问题也是广泛关注的重点，目前运营商密集部署的无线基站由于是孤立的接入而不能有效处理潮汐效应的动态网络负载导致了大量电力的消耗，据统计，中国移动电力消耗在近 5 年内翻了一番。为了解决这些问题，人们开始关注融合了光纤通信技术和无线通信技术的光载无线技术（ ROF） 。 因为理论和初步应用显示 ， ROF 技术在低功耗宽带信息接入方面存在优势，与传统的无线通信系统技术相比， ROF 通信系统有着更广的蜂窝覆盖、更宽的带宽、较低的成本、较低的功耗和易安装等优点 。 充分体现了光通信的 “ 高速 ” 和无线通信的 “ 移动 ” 技术特色，而且可以大幅 度降低无线网络的能耗，代表了未来光网络和无线网络的发展方向 ，图 1（ a） 为 ROF 在无线通信系统中应用的场景示意 。 图 1（ a） 光载无线电（ ROF）应用场景 丰富的传输带宽、无缝的覆盖范围、大容量、 低功耗等优点均使得 ROF 系统在光无线网络融合中有较大的发展空间。另外，它对信号的调制格式具有透明性，它只提供一个物理传输的媒介，可以把它看成天线到中心控制局之间点到点的透明链路。通过它与现有网络的融合，可以达到集中控制、共享昂贵器件、动态分配网络容量、降低成本的目的。 在 5G 移动通信系统中，大规模 MIMO 天线的应用使得天线的数量将从 4G 的 2 8 路天线上升至 32 256 路天线，见图 1（ b） 所示。 2 图 1（ b） 25G 大规模天线阵列增加示意图 对应 128 根的阵列天线，信号带宽 100MHz，采用 16bits 量化和 8b/10b 编码，则其与基带链路的数字复合速率将高达 786Gbps。如将 RRU 置于塔上，光模块及处理单元显著增加，对供电、散热等提出更高要求，不利于 RRU 的部署与维护；如将 RRU 置于塔下，与天线之间使用电缆连接，射频信号衰减严重；如使用 25Gbps 或 100Gbps 高速光模块，成本显著增加；但是通过在 RRU 和天线之间增加 RoF 光收发模块，将 RRU 和天线分离，可以便于RRU 的部署与维护。 在 4G 网络中， RRU 与天线之间通常通过馈线连接，由于电缆连接信号衰减严重， RRU必须靠近天线部署。在 5G MIMO 天 线中，随着天线数量的显著增加，则 RRU 内的光模块、基带信号处理单元、 RF 信号处理单元也会显著增加。 RRU 的功耗、体积等都有急剧提高，此时仍采用现有方式实现 RRU 和天线之间的连接，不便于 RRU 的部署与维护，成本上也没有明显优势。 图 1（ c） 4G 网络中数字光模块在网络中的位置及 RRU 与天线之间的连接 在 RRU 输出端口增加 RoF 光模块，将双工器靠近天线部署并增加 RoF 光模块，实现RRU 和天线分离， RRU 置于塔下或机房，便于部署与维护。 RRU 经光纤与天线连接，通过光载波实现 RF 信号在塔上塔下或更长距离的传输 。 3 图 1（ d） 5G 网络中 ROF 光模块在网络中的位置及 RRU 与天线之间的连接 图 1（ e） RoF 光器件在光模块中的位置图 5G 网络中，随着天线数量增加，可根据不同规模天线阵列的传输需要，使用 ROF 光模块，通过频分复用、偏振复用、波分复用等复用方式的灵活配置，可以实现信号的高效传输，见图 1（ f)所示。 图 1（ f） RoF 在 5G MIMO 天线中的应用 光载无线（ ROF）与多个不同网络的融合案例见图 2， 此系统由局端集中式基站、光纤分配 链路和远端光纤射频单元三部分组成，远端光纤射频单元包括天线和射频光电收发组件，各个远端光纤射频单元与局端基站之间的射频数据传输通过光纤分配链路来完成，局端基站负责信号的集中处理。这样不仅能有效地避免传统无线通信射频信号在空间传输和分配过程中产生的损耗和干扰，而且光纤分配链路对数据格式透明，很容易实现多制式无线网络4 （ 2G、 2.5G、 3G、 4G/LTE）的异构融合，大幅降低了系统扩展的复杂性。 图 2 ROF 在多制式接入系统中的应用 宏观上，光纤无线融合接入网络如同由局端基站与多个远端光纤射频单元构成的微 微蜂窝网或者毫微微蜂窝网。由于每一个远端光纤射频单元只需覆盖很小区域，因此无线发射功率可以很小，降低了电磁辐射对人体健康的影响；又由于局端基站可以在远端光纤射频单元无接入业务流量时降低发射功率，从而达到有效节能。因此， ROF 网络具有灵活、宽带、异构兼容特点，充分体现了光纤通信的 “高速 ”和无线通信的 “移动 ”技术特色，而且可以大幅度降低无线网络的能耗，实现 “绿色健康 ”通信，代表了未来光网络与无线网络的发展方向 。 但目前在 基于 ROF 应用于的高性能高速模拟激光器和探测器阵列芯片设计和低成本模块和系统封装技术等方面， 中国距离其他国家还有一定的差距，单个高线性模拟直调 宽带 激光器和 宽带 探测器性能还远远落后于美国、日本等工业发达国家。 ROF 技术为下一代宽带无线接入提供了很好的解决方案，同时满足了对宽带和低能耗的追求 ， 在未来通信、军事上等诸多的领域有着非常重要的应用价值。 仅以 全国各地市无线通信分布式小区网络 为例， 建成需要大量的多通道 RoF 光模块来组成这一系统，其市场规模达几百亿元。 因此， 在当前移动通信的普通天线向阵列天线发展的技术更新换代的关键时期，国内展开自主研发宽带模拟通信用光收发阵列芯片和模块显得尤为紧迫。 为此，本 文从 ROF 技术的国内外研究与应用现状出发， 在 调查分析 ROF 涉及到的关键技术 的基础上 ，重点 研究 了目前 基于 ROF 应用的光器件技术 面临的挑战并给出了其未来的5 发展方向。 2 国内外研究与应用现状 ROF 技术是微波射频技术与光子技术交叉融合的典范，已经成为国内外研究的热点，国内外相关的项目资助情况为：美国近年来设立了 “ 高线性光子射频前端技术 ”（ PHOR-FRONT）、 “ 光子型射频收发 ” （ P-STAR）、 “ 适于射频收发的光子技术 ”（ TROPHY）等一系列与 ROF 相关的研究项目；欧盟资助了包括 “ 低成本光接入网技术以及光无 线融合技术 ” （ ISIS）、 “ 面向宽带无线接入的毫米波 ROF 系统关键器件和系统 ”（ IPHOBAC）和 “ 面向异构分布式可扩展无线体系结构和业务配臵应用的光纤网络 ”（ FUTON）等在内的 ROF 相关项目。 2.1 高线性模拟激光器及阵列芯片方面 早在上世纪 80 年代，国外就开展了单个宽带、高线性模拟直调激光器的研究。随着通讯容量的增加，系统对直调激光器的调制带宽和线性度的要求也一直在提高。目前调制带宽的增加与线性度的改善主要通过优化激光器结构来实现，整体发展比较缓慢。对于调制带宽主要通过优化设计激光器的有源材料和整体 结构，比如 2009 年美国桑迪亚国家实验室进一步在理论上分析了无隔离器情况下实现注入锁定的可行性， 2011 年该实验室报道了单片集成注入锁定 （ DBR） 激光器，在没有光隔离器的情况下，通过制作 DBR 滤波器实现注入锁定，注入锁定后激光器 3dB 调制带宽由 3GHz 提高到 30GHz。 2011 年爱尔兰都伯林城市大学的 C. Browning 等人将单片集成的注入锁定半导体激光器成功应用于正交频分复用（ OFDM ： Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统，相同条件下，系统的误码率降低了 3 个数量级。虽然国外很多科研单位和研究人员在单个模拟直调激光器改善带宽和减小非线性都有广泛研究，但是对于模拟直调半导体激光器等高性能多波长激光器阵列，目前国际上还没有相关报道。 国内模拟直调激光器的研究相对比较薄弱， 2012 年中科院半导体所谢亮等人实现了24GHz 的调制带宽，是目前国内公开报道的最大带宽值，其改进更多的是通过微波电路的补偿实现，在激光器芯片的结构和制造工艺的改进较少。对于注入锁定的单片集成、模拟直调等高端激光器常用的掩埋式异质结波导结构制作工艺复杂以及材料生长和工艺水平等方面，国内与国 外差距还较为明显。 6 2.2 大动态范围探测器及阵列芯片方面 对模拟光传输系统来说，高 饱和 功率光电探测的需求日益迫切， ROF 天线阵列需要接收高功率模拟信号，要求探测器有高线性度和高动态范围，这样可大大减小信号失真并且易于提高系统传输容量。近几年，国际上许多研究机构都把探测器研究的重点放到了高 饱和光功率探测上，采用各种不同的办法试图获得具有更高 饱和光 功率和良好线性度的探测器。 然而由于探测器中光生载流子的空间电荷效应，探测器在高 饱和 功率下遇到很大困难，是目前国际上尚未解决的一个关键物理和技术难点。美国德克萨斯大 学设计的 PDA 光电二极管，部分耗尽吸收区光电探测器（ PDA-PD）为了达到电荷平衡，在本征 i 区两侧加入 P 型掺杂和 N 型掺杂的吸收区。台湾大学设计研制的 InP 基近弹道 UTC-PD，近弹道（ Near - Ballistic）UTC-PD 在收集区插入一个附加的掺杂层，通过引入这一层，可以控制收集层的最大电场。然而每一种器件又都有一些弱点， PDA-PD 中本征吸收层太薄会降低探测器的光电响应度。UTC-PD 中吸收层太厚会增加空穴的扩散时间，太薄影响响应度等等， InP 基高功率探测器目前有许多问题尚未解决，仍处于研究探索阶 段。 目前，国内高饱和功率线性响应探测器一些基础性研究已具有很好的研究基础，但与系统结合进入实际应用尚有许多关键的科学和技术问题需要解决，同时多路并行探测集成芯片研究方面处于起步阶段。总体说来，我国在高饱和功率线性响应探测器和光子集成芯片领域的水平落后于欧美和日本，需面向实际应用需求开展针对性深入研究，迅速提高我国的高速、高功率光电器件及集成芯片的产品应用水平。 2.3 多波长 阵列器件分 合波方面 在多波长阵列 器件分合 分波方面，国际上相关技术也发展迅速。 2011 年 NTT 光子实验室将 4 通道激光器阵列合波输出， 芯片尺寸 2mm 2.6mm，实现 4 25Gbps 10km 数字传输；激光器阵列集成芯片代表 Infinera 公司采用 InP 基 AWG 将 10 通道和 40 通道激光器阵列合波输出，分别实现 10 10Gbps 和 40 40Gbps 数字信号传输。其中， InP 基 AWG 与波导探测器单片集成芯片发展较早。 2010 年 7 月， Intel 公司报道了四路波分复用器与 Ge/Si 波导探测器单片集成的 4 12.5Gbit/s 接收芯片，其中波分复用器采用小尺寸的刻蚀衍射光栅（ EDG）。这些研究都是解复用器与数字探测器阵列集成， 但 解复用器与模拟高饱和 功率探测器阵列集成研究成果较少。 我国在多波长激光器阵列合波、探测器阵列分波方面的研究相对较早。自 1999 年以来，