1. 宽带接入技术和FTTH

主干网与城域网在不断扩容，用户对网络接入带宽的需求不断增长，这两方面因素推动着接入网带宽的提升。宽带接入网需要着大量的运营和维护资金，因此接入网技术必须大容量、支持多种服务，成本低、前瞻性好。宽带接入的概念是“人人都用得起的互联网高速连接”，宽带接入将互联网技术进一步渗透到人们的生活中，其应用将对人们的娱乐、生活、健康、教育、工作方式带来巨大改变。 虽然还没有对宽带接入速度的准确界定，人们普遍认为速率到100Mb/s才能称为宽带，现有的接入技术有：DSL, Cable，FTTx，WLAN，无线宽带，卫星和空间光通信。现在大多数采用的是1Mbps 的DSL和2.5Mbps 的Cable技术，而现在的一个普通中产用户的带宽需求(图1)为数据下载61.8Mbps，数据上传17.8 Mbps。

2. 网络架构和系统需求

FTTx的网络结构有以下几种，如图2所示意。

图2 FTTX的网络架构 其中（1）成本最高，用户独享带宽，可靠性及保密性好，适合大型企业, 银行用户及各种数据存储需要，（2）从OLT到分线点采用了CURB SWITCH，因此多用了一对收发器而省去了N-1根光纤, 而（3）和（4）从OLT到分线点不需要含有收发器的有源节点，网络全部无源（PON），成本低廉，维护方便, 是很有希望的FTTH技术。

图3 EPON的下行与上行数据传输 PON技术包括APON（ATM-PON，基于ATM的无源光网络）, BPON (Broadband PON, 基于宽带传输的无源光网络), EPON（Ethernet-PON，基于以太网的无源光网络）和GPON（基于通用定帧协议GFP，Generic Framing Protocol, 的无源光网络），它们所用的光电器件和网络结构基本相同，区别主要在于数据传输速率和协议。A/BPON基于ATM，将数据分成等长度的信元进行传输，开销较大，在语音传输方面具有优势，数据传输效率不高，基本已被淘汰。EPON基于IP, 将数据封装在IP数据包中传输，只考虑以太网数据业务，不保证语音信号的传输质量。GPON既支持A/BPON的信元结构也支持IP数据包，支持全业务（语音、数据和视频）传输，技术上最具优势，成本也是最高。EPON相对于GPON成本较低，但其价格上的优势不足以弥补其技术上的劣势，从长远看来，GPON还是主导市场的技术。PON下行采用TDM广播，上行采用TDMA方式，多用户共享网络带宽。以EPON为例（如图3）说明PON的数据传输方式，从OLT到ONU的下行数据采用1490nm波长，以广播的方式发送给每个ONU，每个ONU接收属于自己地址的数据，丢弃不属于自己地址的数据；从ONU到OLT上行数据采用1310nm波长，每个ONU以TDMA方式共享传输光纤，在各个预分配的时间段内向OLT发送数据。CATV信号采用1550nm波长广播到每个ONU。波长使用方式为：分配给ONU的上行数据带宽为1260nm～1360nm，分配给OLT的下行数据带宽为1480nm～1500nm, 下行CATV广播使用1550nm和1560nm两个波长，而1539nm和1565nm是为升级新的数据服务而预留的波长。根据2003年UBS FTTP报告，运营商希望每个用户花费在OLT设备上的费用为$190 ~$240，花费在中间无源光网络上的费用为$130 ~ $220, 花费在ONU上的费用为$330以下，其中ONU用量最多，成本压力最大。在设备成本中，因为ANSIC芯片一旦设计成功，价格并不高，所以主要压力在如何有效降低光收发器这一类光电器件的成本上。

3. 光收发器技术

PON技术中用到的主要器件包括： 光发射器件：例如 DFB，FP，VCSEL（多速率，触发模式） 光接受器件：例如 PIN，APD（多速率，触发模式） 光无源器件：例如薄膜滤波器，波导滤波器 同轴，平面，或集成模块封装工件等 FTTH设备中，ONU成本压力最大，而ONU中30%的成本来自于光收发器前端，而且此部分成本与采用何种PON技术基本无关。 目前通行的技术是把光收发器前端与ASIC集成电路芯片尽可能集成在一个模块中并提供一个标准的数字型接口，图4分别显示了基于PIC和MIC(即光电双芯片)的双分器和三分器原理。图4 基于PIC和MIC芯片的双分器和三分器 图5以双分器为例显示了双向收发合一模块的物理结构。

图5 BiDi 双向收发合一模块物理结构图 现有的光收发器技术只能实现混合集成（即将LD，PD，WDM filter，lens 等分立器件集成在一起），其中涉及到由人工进行的基于同轴封装的双向光收发组件和激光器驱动、跨阻放大接收及其它数字或模拟集成电路芯片的组装和测试技术。这种技术的成本目前是无法满足运营商的要求的,并且无法随将来产量的进一步提高而显著下降。 因此，能够胜任GPON需求的低成本集成双向光收发器的研发有必要立足于一种新的集成技术。为了制作集成器件，我们首先需要考虑的是材料体系。图6 显示了不同类型光子集成技术各自的优劣。
图6 不同集成方式的比较 基于III-V族化合物的半导体材料(例InP、GaAs等)，因为既可以做有源器件也可以做无源器件，所以单片集成度可以很高。而LibNO3、SiO2等玻璃材料及Si基材料基本上只可以做无源器件及调制器，尽管有人宣称已实现可直接调制的Si基激光器，但事实上尚未有正式的报道。从器件性能上看， 基于LibNO3、SiO2等玻璃材料及Si基材料的无源器件优于基于半导体材料的无源器件。一个典型的例子是阵列波导光栅（AWG），无论在插入损耗还是串扰等性能上后者比前者都相差甚远。而从器件功能上看，半导体要更为优越，因为它们的材料特性可以方便地通过外部控制而改变, 从而实现不同类型的器件功能。这种结果造成了我们现在的尴尬处境，因为我们不可能选择一种材料使它拥有所有的优点。在材料的选择上现在存在较大的分歧，有人坚信半导体材料能最终解决问题，有人坚信LibNO3、SiO2等玻璃材料及Si基材料能最终解决问题。与材料的选择相对应, 也就存在着两种类型的集成器件。 集成的程度有三个水平， Box Level, Board Level和Chip Level，最初的是Box Level, 就是用光纤去连接一个一个封装好的器件；接着是Board Level，在硅基片上实现部分芯片的集成，这种技术基本上还属于混合集成；最后的目标是Chip Level，可实现所有芯片的单片集成。 接下来介绍一些已有的研究工作。
图7 平面集成的BiDi-Triplexer双向模块 第一代的Triplexer收发模块如图7所示，利用一个硅基片作微平台，采用自由光路连接各个分立的光器件。这种技术比较简单，2000年左右我们为美国的Nanovation公司就做出了实用器件。 日本NTT公司2004年提出了Diplexer收发合一模块的解决方案。如图8所示，下行的光由光纤输出，经波导传输后，遇到一个嵌在基片中的低通滤波器，所以下行的1490nm的光波可以通过，然后进入探测器；而上行的1310nm的光波由激光器产生后经波导遇到低通滤波器后被反射，然后经由同一光路耦合进光纤中输出。NEC遵循这一技术设计了一套全自动的生产线，并从去年开始大量生产，预计这种产品可以很快商用。但这一设计仅适用于Diplexer，对Triplexer收发合一模块的功能要求则无法满足。
图8 双向单纤1.25Gb/s 光收发合一模块 Triplexer的另一种解决方案是Xponent公司2003年提出的结构，如图9。它的主要特点是从激光器发出的光与滤波器或光纤之间的连接不是靠端面直接对接，而是利用波在两平行波导间的横向消失波耦合。由于横向消失波耦合只对波导间距离敏感，所以依赖这一技术的器件集成容易做到自动化对准。这一技术的难点在于需要两波导里传输的波有完全的波速匹配，因此需要有完善的波导设计与制做技术。基于此类混合集成技术的芯片封装是有一定困难的，因为各类器件有不同的散热及防水汽要求。但现在开发了一种被称为局域封装的技术，可以用金属做一个很小的罩子把激光器单独盖起来并做到气密封装。这种技术对于混合集成芯片是很关键的，它实际上为混合集成器件的商用提供了可能。
图9 另外一种Diplexer是我们在McMaster大学设计并委托光讯公司制做的； 如图10所示，它由一个1310nm的DFB激光器及监控探测器和一个1490nm的探测器构成。因为激光器和监控探测器所用的材料对1490nm的光透明，所以下行的1490nm的光无损耗地通过波导后，再通过贴在1490nm探测器表面的低通薄膜滤波器，进入正面进光的1490nm探测器。而1310nm激光器的输出光向左右都有传输，向右传输的光大部被监控探测器所吸收,其残留部分遇到低通薄膜滤波器被反射并重返监控探测器被进一步吸收，因而不能进入1490nm探测器。而向左传输的光可直接耦合进入光纤。两边的镀膜的要求如图中所示。这种结构把正面进光的探测器与侧面进光的激光器进行in-line集成而发挥了两者的最大优势，因为目前侧面进光的探测器量子效率虽然较高，但带宽还受到一定限制，真正成熟可靠的探测器仍然是正面进光的。这个器件在2006年做出来后，其实测性能与设计中数值模拟的结果吻合得很好，实测的结果也证明上行和下行的两路光之间没有相互影响。
图10 混合集成的双芯片结构

4. 用于FTTH的新器件

以上的这些集成技术当然还存在着许多问题，如性能还不够完善，成品率不高，标准缺乏等等。在进行下一代产品研究与开发之前，我们先总结一下系统发展的要求并归纳一下目前已有的技术，以便明确后续的器件研究方向。 在系统的物理构造上，现已存在很多技术，例APON、BPON、EPON、GPON等。我们的首要问题是，最终哪一种技术将成为主导？由目前的发展来看，最有前途的是GPON。其次，要决定是做双波长的收发模块（Diplexer）还是三波长的收发模块（Triplexer）。目前北美市场主要需求的是Diplexer，而在亚洲，根据地区的不同既有Diplexer的需求也有Triplexer的需求。 不管集成的方式如何，对单个器件的要求应该是很明确的。首先是成本要尽可能地低。对于激光器，需要它具有高的抗外部光反射的能力，窄线宽，-40°C~+85°C 内无制冷工作，并且要有很高的成品率。对于探测器则需要它有很大的输入光响应范围，一般的探测器在防止对强信号的响应饱和和提高对弱信号的响应灵敏度两方面是矛盾的，现在一种解决这一问题的思路是利用一个半导体光放大器（SOA）和PIN的集成器件来替代APD。SOA在这里只起到一个功率均衡的作用，对它的要求只是使其增益随输入功率呈线性变化关系。另外还需要一个基于波导的高性能低成本的WDM滤波器。最后再将这些单个的器件进行集成。基于以上这些分析，我们可以找到一些相关的光器件方面的研究主题。首先为了满足GPON的要求，我们要研究一种新颖的激光器，它的性能和DFB激光器一样，而成本和F-P激光器一样。其次是为WDM-PON系统所需的下行1490nm-splitter与上行1310nm-DMUX合一器件，它需要有精确的波长分配和尽可能底的插入损耗。再其次就是利用各种新技术实现单片集成，比如光子晶体结构或表面等离子体波导。 下面介绍一些有希望满足上面各种要求的器件。 Eblana公司2005年提出了一种激光器结构，现在市场上已经有商品出售了。它的原理仍然是利用两个FP腔的耦合来选模实现窄线宽，但它的实现技术和原来的C³激光器有所不同，它不像C³激光器那样有两个完全断开的FP腔，而只是在一个FP腔中刻蚀一个或几个有一定深度的沟槽。这种激光器有一个本质上的缺陷，就是其每个腔都要被精确地控制以实现选模，稍有偏移就造成激光器停止输出，因而稳定性不够。 最后介绍一下我们课题组所做的研究工作。 关于激光器我们目前正在研究的一种结构如图11所示。这个器件的结构简单，却有很好的性能。它的关键是在腔中间形成两个如图所示的斜槽，其目的是利用谐振隧道效应选择单一波长的光通过，而其它波长的光被反射到腔外。由于两个平行斜槽的间距可被选择成让分别被两个斜槽所反射的光相位相反，从而使整个反射被抵消，因此这种结构可实现很高的边模抑制比和极低的损耗。在我们的设计实例中，通过调节斜槽间距a，可以在30nm左右的范围内选择输出的波长。模拟的结果显示对于b和n2的改变，波长的变化很小，因此器件制做的一致性应较好。最后，在大于临界角的范围内改变斜槽倾角也可以改变输出光的波长，因此这一结构给我们制作不同波长的激光器提供了很大的弹性。

图11 第二个结构如图12所示，利用深刻蚀技术在FP激光器的一端直接刻蚀光栅，因为光栅被刻蚀得很深，所以光栅的长度可以缩短，而耦合系数仍然可以做到很大。利用这个不加偏置的深短光栅就可以使FP结构成为DBR结构，从而实现单模工作，而这一结构是不需要对接再生长的。另外相比于DFB激光器，它有很好的抗外部光反馈的能力，因此不需要光隔离器。DFB激光器的另一个严重问题是解理端面的光栅相位无法控制，而激光器的输出波长对这个相位依赖性很大。我们通过模拟发现，这个结构对端面的依赖性很小，当端面相位从0~360°变化，输出光功率对输入电流的变化曲线几乎完全一致，而输出波长也只在1nm的范围内变化。
图12

WDM-PON系统中的1490nm-splitter/1310nm-DMUX器件对上行和下行的光分别有不同的功能要求，对下行的光它是一个分波器，而对于上行的光它是一个波复用器。如果这种器件被成功地制作出来，将在WDM-PON系统中得到广泛地应用，因为它把原来上行光的主要损耗，即分波损耗降到很低甚至完全消除。对于有这样要求的器件我们也有一些设计，其中波复用器部分是基于平面相位衍射光栅结构，而分波器部分则是基于光的横向干涉结构，从而可以使器件整体被做得非常小。

结语

首先，FTTH作为一种可行的接入技术，已经出现并且毫无疑问会不断发展，因为只有它可以提供满足用户需求的带宽。其次，用户对带宽的需求和对各种接入网的统一要求是FTTH的内在推动力。第三，不同国家和地区的不同商业模式决定了不同系统结构的选择。第四，FTTH技术上的关键在于低成本高性能的双向收发合一模块，而模块中的关键技术是光器件。第五，单片集成的双向收发合一模块仍然是有希望实现的，但这不一定是在常规波导意义上的单片集成，而很可能是基于全新的纳米结构，例如光子晶体或表面等离子体波导。 具体到双向收发合一模块，它的制做遵循一个从分立器件的组合到混合集成再到单片集成这样一个发展过程。而现在市场上对分立激光器有一个非常急迫的需求，即要求有一种激光器光源，它的性能和DFB激光器一样，而成本和FP激光器一样，并且不需要光隔离器。另外尽管目前各种表面贴装、混合集成及单片集成技术仍在不断发展之中，但它们还没有对模块的成本和性能产生立即的影响。