华中科技大学光电子工程系 杨宜，阮玉
1.VCSEL简介
垂直腔表面发射激光器（VCSEL）作为一种新型的半导体激光器，已经在计算、网络、传感以及其他应用领域产生了巨大影响。第一片商用的VCSEL是Honeywell公司于1996年引入市场的。随着现代高速短波长光纤网络的发展，VCSEL已经成为光通信领域最理想、最有前途的光源。与一般的边缘发射半导体激光器相比，VCSEL具有非常优越的性能和极其低廉的价格。其在千兆以太网和光纤通道中的应用取得了巨大的成功。
为什么说VCSEL优于传统半导体激光器呢？这是由其完全不同的生长工艺和结构特征决定的。从图1可以了解，VCSEL的垂直腔结构决定了它不需要“解理”等传统边发射激光器所必须的生产工序；可以象处理微电子硅片一样进行在线的晶片级测试或裸片安装；在一个晶片上可以一次性生长成千上万个VCSEL阵列。这些都大大提高了VCSEL的成品率，降低了其生产和测试成本。
图1、VCSEL（垂直腔表面发射激光器）
同时，VCSEL的垂腔结构使得它的阵列应用非常诱人，在并行光传输、存储和交换领域已经可以看到许多商业化产品。其圆形出射光斑截面较之边发射激光器的椭圆形具有更小、更对称的光束发散角，这样与光纤之间的耦合将更加方便。当然还有更多优点，如更低的阈值和功耗；更高的效率、调制带宽和温度稳定性；更长的寿命等，决定了VCSEL美好的市场应用前景。
图2为Picolight公司对VCSEL技术发展的总结和预测，可以看到这项高速发展的技术将最终在光通信领域引领潮流。
图2、Picolight公司对VCSEL技术发展的总结和预测
2.基于VCSEL的光收发模块
图3、收发模块的简单应用
收发模块简单的说就是一种用于光通信系统中的光电子系统。图3给出了一个最简单的应用实例。可以看到：近端主机待传输的电信号经过光收发模块的E/O转换成光信号上到光纤链路，再由远端的另一个模块把光信号O/E转换为电信号传输给远端主机，于是实现了主机之间的通信。而所谓“基于VCSEL的收发模块”是指模块中用到的激光器是VCSEL或其阵列。
根据权威市场预测和研究公司ElectroniCast（San Mateo, CA）的最新报道：基于VCSEL的光收发模块市场在1999年为$2.5亿，是1998年的3倍以上。受近期千兆以太网和光纤通道迅猛发展的影响，这一增长势头仍在继续。考虑到一系列新应用的开发，预计在2004年将达到$28亿，2009年达到$96亿。面4是ElectroniCast的市场预测图。
图4、ElectroniCast的市场预测图
这种市场爆炸的驱动因素主要有以下几点：
¨ 数据通信的迅速发展和相关标准的建立
* 千兆以太网的蓬勃发展占领了大部分接入网市场，以及即将到来的10G以太网
* 光纤通道的持续增长，速率向2G比特每秒（2´ Fiber Channel）过渡，甚至到将来的10 Gbps
¨ 向传统电信业的渗透
* 以基于VCSEL的收发器提供10G甚短距离（VSR, Very Short Reach）互连的低成本解决方案
¨ 新的机会，诸如：
* 无限带宽交换结构中的串行和并行连接
¨ 系统内部VCSEL阵列互连应用的展开
3.VCSEL收发模块的市场定位
现阶段VCSEL收发模块的主要增长点在千兆以太网和1-2G光纤通道上。这些应用到2004年将增长5倍，当然那时10G版本将占领相当大的份额。多波长CWDM VCSEL、长波长单模VCSEL和10G VCSEL收发模块将是今后发展与需求的方向。
²千兆以太网与局域网
Dell’Oro公司的调查显示：以太网技术已经占据了大于95%的局域网市场份额。而千兆以太网是快速以太网和FDDI互连的自然升级。图5是权威市场研究公司IDC对千兆以太网市场发展的总结和预测。可以看到：千兆以太网的端口出货量将从1999年的150万迅速增加到2004年的5500万个，其市场也将从1999年的$17亿增长到2004年的$142亿。而基于VCSEL的光收发模块在这一领域的应用具有巨大的优势。
图5、IDC对千兆以太网市场发展的总结和预测示意图
²光纤通道与存储区域网络（SAN）
和数据传输网络一样，数据存储网络技术在近几年来也经历了飞速的发展。基于光纤通道的存储区域网络系统SAN具备众多优点，包括：与高速局域网良好的兼容性；较长距离传输有利于更加广泛的共享资源等。同时也提高了存储备份、中心存储管理等的网络应用水平。因此光纤通道的发展应用也是炙手可热的。
图6、光纤通道集线器和交换机端口的市场预测
根据IDC公司的市场研究：光纤通道集线器和交换机端口的市场需求将从1999年的56.7万激增到2003年的530万。图6给出了详细的预测数据。正如基于千兆以太网的局域网供应商一样，基于光纤通道的SAN系统生产商已经开始开发新一代2.125G，甚至超过8G速率的系统。即将到来的高速SAN系统需要更高性能的光电子系统，因此VCSEL收发模块在光纤通道领域的应用同样让人看好。
²城域网
去年12月光学国际互联网论坛（Optical Internetworking Forum, OIF-Fremont, CA）通过一项新规范，OIF-VSR-01.0，将VCSEL的应用推入了城域网和广域网领域。这一基于并行光学器件的甚短距离（VSR）OC-192（10G速率）接口的规范定义了850-nm VCSEL系统使用传统广域网中的SONET协议展开短距离或城域网服务。这使得VCSEL收发模块在城域网这个2001年首个通信技术热点领域开拓了美好的应用前景。
4.光电集成收发模块
这里的微光电集成收发模块，简单的说是运用先进的系统集成和封装工艺将VCSEL和探测器阵列与CMOS芯片集成在一起组成光收发模块的核心，配合光学子系统和驱动等电路的设计，构成高速率、小尺寸、实现具体标准功能的接收发射模块。图7所示为其基本思路。这种光学器件与IC的集成带来的优势是显而易见的。不仅仅是性能的提升、体积的减小和速率的提高，它将带来生产成本以及用户维护和升级成本的大大降低。
图7、光电集成收发模块的基本思路
5. 微光电集成收发模块的应用方向
微光电集成收发模块的优越性能和低廉的成本决定了其在许多领域的应用具备巨大市场潜力，这里仅罗列以下一些主要应用方向。
*10G以太网、高速光纤通道和并行光互连
这一领域的应用应该说现阶段基于VCSEL的光收发模块的一种自然过渡。由于系统和用户对速率和带宽需求的不断增长，收发模块必然朝着更高速率和小型化发展。日益膨胀的局域网和光纤通道市场永远是光收发模块发展的动力。
*短距离SONET/SDH 10G或40G互连
常规的SONET/SDH协议网络中使用FP或DFB激光器，很多还需要外加电吸收或铌酸锂调制器。一个普通的DFB激光器售价昂贵，外调制器价格更高*而光电集成收发模块中的VCSEL成本低廉，其裸片与探测器、IC等的集成导致整体成本进一步下降。加之OIF-VSR系列标准的出台，完全有理由相信：这种宽带、低成本的集成化模块在许多短距离SONET/SDH网络应用场合有着很好的前景。
*路由器、交换机、无线基站、计算机工作站和存储网络设备间的通信
*大型设备中板间的数据交换
*微处理器芯片间以及处理器与内存之间的互连
可以说这项应用是最具革命性、最有潜力的。
很明显，随着微机处理器处理能力的不断提高，内存和其他外设的响应速度不断加快，计算机系统的瓶颈在于总线上。无论是PCI或其他高速总线规范，较之CPU的数GHz处理速率都落后太远，发展的趋势只能是用光互连取代电的总线。这种芯片级的微光电集成技术使得开发光纤总线成为可能。而基于VCSEL的微光电集成收发模块正是这种光纤总线的输入输出接口，其市场潜力是可想而知的。
6.结束语
面对潜力巨大的市场机遇，作者认为以下的特征使我们完全有理由选择基于VCSEL的高速光收发模块市场。
¨ 高速的需求增长率和市场膨胀
¨ 产品适于大规模批量生产，成品率高
¨ 产品对价格非常敏感
¨ 相对低的研发和生产投入
¨ 具有可证实的未来市场
¨ 产品推入市场周期短
因此，现阶段研究和开发基于VCSEL的高速微光电集成光通信有源器件（首先是光收发模块）是非常有必要的。
摘自《光纤新闻网》
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