中國信通院王瀟等:分布式反饋激光器全球?qū)@治?/h1>
訊石光通訊網(wǎng) 2022/12/9 11:21:58

  0 引言

  近年來,隨著5G的規(guī)模部署帶動(dòng)全球流量快速增長,推動(dòng)帶寬快速提升。同時(shí),新冠肺炎疫情的暴發(fā)促進(jìn)數(shù)據(jù)中心、光纖到戶的需求大漲,為光通信產(chǎn)業(yè)帶來可觀的需求,光模塊、波分器件、分路器、連接器的市場需求都持續(xù)增長,固網(wǎng)、接入網(wǎng)也迎來了新的建設(shè)周期。

  光模塊是光通信設(shè)備的重要組成部分,而光通信器件是光模塊的主要構(gòu)成部件,其性能主導(dǎo)著光通信網(wǎng)絡(luò)的升級換代,而激光器則是光模塊內(nèi)部最核心的電光轉(zhuǎn)換器件。

  半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、可靠性高和壽命長等優(yōu)點(diǎn),隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的快速發(fā)展和突破,半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品質(zhì)量、波長范圍和輸出功率正在迅速提高,產(chǎn)品種類日益豐富,應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域,已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù),屬于光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域之一。

  半導(dǎo)體激光器可分為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、法布里-珀羅激光器(FP)、分布式反饋激光器(DFB)、電吸收調(diào)制激光器(EML)等。不同類型的激光器在性能和成本等方面存在差異,光模塊可根據(jù)具體規(guī)格要求選擇不同的芯片方案。

  在半導(dǎo)體激光器家族中,DFB激光器因其優(yōu)異的光譜特性與調(diào)制特性,已經(jīng)成為通信系統(tǒng)中最為重要、使用最為廣泛的光源之一。DFB激光器的概念和理論最早由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的H.Kogelnik和C.V.Shank于1971—1972年間提出,最早的半導(dǎo)體DFB激光器出現(xiàn)在1973年。經(jīng)過近50年的發(fā)展,DFB激光器已被廣泛應(yīng)用于光通信、傳感、測繪等領(lǐng)域。

  在光纖通信領(lǐng)域,憑借其卓越的單模工作特性,DFB激光器已經(jīng)成為波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的重要光源。隨著技術(shù)和需求的發(fā)展,近年來DFB激光器的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多樣化。

  本文主要通過對全球及中國DFB激光器發(fā)明專利從年度申請趨勢、申請人、技術(shù)分布等維度進(jìn)行分析,對專利數(shù)據(jù)篩選清洗后分析提煉其布局特點(diǎn),便于國內(nèi)DFB激光器相關(guān)機(jī)構(gòu)了解該領(lǐng)域全球及國內(nèi)的專利布局現(xiàn)狀,協(xié)助其摸清潛在專利風(fēng)險(xiǎn)、明確技術(shù)發(fā)展方向,制定更加實(shí)用的專利發(fā)展戰(zhàn)略和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對方案,全方位提升我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)綜合能力。

  1 DFB激光器全球?qū)@季?/strong>

  截至2021年12月31日,以七國兩組織(七國兩組織通常是指中國、日本、美國、英國、法國、德國、瑞士、歐洲專利局、國際知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織)的專利庫為數(shù)據(jù)源已公布的分布式反饋激光器共申請9 832 件發(fā)明專利,合并同族后為5 526 項(xiàng)。

  如圖1所示,分布式反饋技術(shù)出現(xiàn)較早,DFB激光器專利最早在1975年開始出現(xiàn),但在1981年前申請較零散。隨后DFB技術(shù)受到重視,被應(yīng)用于激光器中,帶動(dòng)專利申請數(shù)量快速上漲,雖然從2003年專利申請量出現(xiàn)回落,但總申請趨勢仍然是增長性的,說明研發(fā)活動(dòng)依舊很活躍。由于專利具有18 個(gè)月的公開期,導(dǎo)致2020—2021年可檢索到的專利申請數(shù)量并不代表真實(shí)申請情況。但隨著激光器技術(shù)的快速發(fā)展與5G技術(shù)的推廣普及,DFB激光器專利申請量較以往仍會(huì)繼續(xù)增加。

圖1 DFB激光器近20年全球?qū)@甓壬暾堏厔?單位:項(xiàng))

  如圖2所示,由于DFB技術(shù)出現(xiàn)較早,因此全球有3 371 件DFB激光器專利已失效,占全球?qū)@偭康?2%,失效比例較大。截至2021年年底,全球仍有23%的專利處于有效狀態(tài),即已被授予專利權(quán),有效專利占全部專利申請總量的比例較少。還有13%的專利處于審查狀態(tài),這些專利申請能否獲得專利權(quán)尚不明確。據(jù)中國信息通信研究院知識(shí)產(chǎn)權(quán)與創(chuàng)新發(fā)展中心統(tǒng)計(jì),在這些失效的專利中,超過50%屬于專利申請被撤回導(dǎo)致的失效,25%屬于未繳納專利年費(fèi)等原因造成的失效,15%屬于駁回造成的失效,10%屬于期限屆滿造成的失效。

圖2 DFB激光器全球?qū)@蔂顟B(tài)統(tǒng)計(jì)

  從DFB全球?qū)@赜蚍植伎梢钥闯?見圖3),日本、中國、美國是重點(diǎn)布局國家,分別布局了30%、27%、19%的發(fā)明專利。對專利數(shù)據(jù)分析可知,日本、中國、美國3個(gè)國家的專利發(fā)展趨勢并不相同,其中日本是DFB激光器專利布局的最大目標(biāo)國家,主要在于日本光電子芯片企業(yè)數(shù)量眾多、技術(shù)創(chuàng)新實(shí)力強(qiáng)大、注重本土市場發(fā)展。中國是DFB激光器專利布局的第二大目標(biāo)國家,一方面在于中國本土企業(yè)/機(jī)構(gòu)積極布局,另一方面在于中國市場潛力巨大、吸引了來自全球各方力量的關(guān)注。美國是繼中國后的第三大DFB激光器重要市場,這與美國技術(shù)研發(fā)活動(dòng)密集、消費(fèi)市場活躍是息息相關(guān)的。

圖3 DFB激光器全球?qū)@赜蚍植?

  從DFB激光器全球?qū)@夹g(shù)來源國分布可知(見圖4),專利技術(shù)來源國一定程度上反映了各個(gè)國家在DFB激光器的整體技術(shù)研發(fā)實(shí)力和技術(shù)創(chuàng)新能力。通過專利數(shù)據(jù)分析可知,日本、美國、中國是DFB激光器主要的專利技術(shù)來源國家,說明上述3個(gè)國家是DFB激光芯片領(lǐng)域創(chuàng)新最為活躍的地域。日本是目前為止最大的DFB激光器專利技術(shù)來源國,33%專利技術(shù)由日本申請人提出。美國作為世界上科技最發(fā)達(dá)的國家之一,擁有多家芯片、器件、設(shè)備企業(yè)巨頭,這些公司共計(jì)申請了全球29%的DFB激光器發(fā)明專利。中國作為全球第三大DFB激光器專利技術(shù)來源國家,不同類型的企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、高校積極貢獻(xiàn)了1 716 件發(fā)明專利,占全球?qū)@倲?shù)的23%。

圖4 DFB激光器全球?qū)@夹g(shù)來源國分布

  在全球DFB激光器專利技術(shù)分布中(見圖5),全球DFB激光器專利的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)主要聚焦在激光模塊、發(fā)生器、檢測器、干涉儀、量子級聯(lián)、化合物、復(fù)用器等方面。其中,23.5%集中在國際專利分類(International Patent Classification,IPC)分類號(hào)H01S5/00,即半導(dǎo)體激光器或其部件的方法或設(shè)備。23.2%集中在IPC分類號(hào)H01S5/12,即具有周期性結(jié)構(gòu)的諧振腔。6.5%集中在IPC分類號(hào)H01S5/042,即電激勵(lì)結(jié)構(gòu)。4.6%集中在IPC分類號(hào)H01S5/06,即控制激光器輸出參數(shù)的裝置,例如控制激活介質(zhì)。

圖5 全球DFB激光器專利技術(shù)分布(單位:項(xiàng))

  2 DFB激光器中國專利布局

  如圖6所示,截至2021年12月,DFB激光器中國專利申請達(dá)到2 129 件,合并同族共計(jì)1 917 項(xiàng),呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢。與國際申請趨勢不同的是,DFB激光器中國專利出現(xiàn)較晚,1995年開始出現(xiàn)首次申請。但隨后專利數(shù)量增速明顯,專利占比越來越高,可見中國市場受到專利申請人的重視,且國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)整體上處于技術(shù)快速追趕階段,創(chuàng)新活動(dòng)活躍,也使得DFB激光器專利申請數(shù)量相對較多。

圖6 DFB激光器近20年全球/中國專利年度申請趨勢(單位:項(xiàng))

  在華DFB激光器專利申請有35%處于有效狀態(tài),有效專利比例較高。審中狀態(tài)的專利僅為30%,這些專利申請能否獲得專利權(quán)尚不明確。而處于失效狀態(tài)的專利有35%,與國際失效專利占相比,國內(nèi)專利的布局更加科學(xué)與合理。

  中國本土申請人是在華DFB激光器專利的主要專利技術(shù)來源國家,美國企業(yè)在華僅布局了8%的中國DFB激光器專利,日本企業(yè)在華布局了4%的專利,國外專利權(quán)人均未開展太多DFB激光器國際專利布局。

  在DFB激光器中國專利技術(shù)分布中(見圖7),中國DFB激光器發(fā)明專利中24.3%集中在IPC分類號(hào) H01S5/12,即具有周期性結(jié)構(gòu)的諧振腔。16.5%集中在G01N21/39,即利用可調(diào)諧的激光器。9.4%集中在H01S3/067,即纖維激光器。8.1%集中在H01S5/22,即具有脊?fàn)罨驐l狀結(jié)構(gòu)的。7.7%分別集中在H01S5/343,即用AⅢBⅤ族化合物的材料。對專利數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知,中國DFB激光器專利的技術(shù)熱點(diǎn)主要分布在探測器、光模塊、波分復(fù)用、發(fā)生器、光源、二極管、隔離器、環(huán)形器、限制層等方面。

圖7 DFB激光器中國專利技術(shù)分布(單位:項(xiàng))

  3 DFB激光器重要專利分析

  由于分布式反饋技術(shù)發(fā)展時(shí)間長,存在較多技術(shù)路線,因此全球DFB激光器專利存在被企業(yè)間頻繁引證的情況,如富士通株式會(huì)社在2003年12月30日申請的發(fā)明專利US20040151222A1,該專利方案主要保護(hù)了一種可調(diào)諧雙波導(dǎo)DFB激光器的結(jié)構(gòu),簡化了可調(diào)諧光源管理,可以根據(jù)波長動(dòng)態(tài)地改變路由目的地。該件專利至今被引用超過192 次,主要的引用公司為“Soraa Laser Diode,Inc”(2020年被京瓷集團(tuán)收購),被引用使用的專利大部分布局在美國,該公司主要開發(fā)、制造和銷售基于激光技術(shù)的高效、高亮度創(chuàng)新產(chǎn)品,這些產(chǎn)品適用于移動(dòng)設(shè)備、特種照明、消費(fèi)類和工業(yè)類應(yīng)用。被一家公司高頻次地引證,充分說明這件專利對于京瓷集團(tuán)非常重要,才會(huì)以此專利為基礎(chǔ)設(shè)置了完善的專利布局,增加保護(hù)強(qiáng)度。但該專利由于未交專利維護(hù)費(fèi),其權(quán)利已于2018年4月23日終止??紤]到該件專利如此高頻次地被引證,以及技術(shù)的重要性,建議我國相關(guān)機(jī)構(gòu)可以深入研究專利方案,確認(rèn)是否具有參考借鑒或改進(jìn)開發(fā)的價(jià)值。

  DFB激光器專利中還存在被披露為標(biāo)準(zhǔn)專利的情況,如2004年5月18日申請,目前由Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV機(jī)構(gòu)持有的US20040258125A及同族專利US49695604、US49593704、JP2003550326、CA2468762、AU2002363828、EP1449285A2被披露為ETSI中5G、LTE、WCDMA標(biāo)準(zhǔn)專利,版本號(hào)為TS 123 271v15.1.0、TS 23.271(15.1.0)、TS 23.271(6.4.0)。該專利方案主要保護(hù)了一種用于通過多段半導(dǎo)體激光器在0.5 GHz至太赫茲的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生光學(xué)微波的器件,其微波源實(shí)現(xiàn)了純無源外腔無法達(dá)到的反饋強(qiáng)度。同時(shí),專利權(quán)人在美國、日本、德國等主要國家也布局了該件標(biāo)準(zhǔn)專利同族,充分顯示專利權(quán)人對這件專利方案的重視程度,建議我國相關(guān)機(jī)構(gòu)密切關(guān)注該件標(biāo)準(zhǔn)專利是否已加入專利池組織開展專利許可收費(fèi),盡早評估市場風(fēng)險(xiǎn)并提前規(guī)避。

  4 結(jié)束語

  經(jīng)過多年努力,我國部分高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)在DFB激光器領(lǐng)域取得了一定的技術(shù)儲(chǔ)備與產(chǎn)業(yè)積累。隨著5G建設(shè)的分階段持續(xù)推進(jìn)和5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,通過統(tǒng)籌整合我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)各環(huán)節(jié)中知識(shí)產(chǎn)權(quán)資源、積極轉(zhuǎn)化高校與科研院所的高質(zhì)量DFB激光器專利到企業(yè)落地使用、鼓勵(lì)我國DFB激光器科研院所與企業(yè)深度參與國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,將會(huì)全面構(gòu)建我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)良性生態(tài),提升我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)在國際市場中綜合實(shí)力。

新聞來源:中國信通院