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)模部署帶動全球流量快速增長，推動帶寬快速提升。同時，新冠肺炎疫情的暴發(fā)促進數(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)也迎來了新的建設周期。

  光模塊是光通信設備的重要組成部分，而光通信器件是光模塊的主要構成部件，其性能主導著光通信網(wǎng)絡的升級換代，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，隨著半導體激光器技術的快速發(fā)展和突破，半導體激光器產(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，應用范圍覆蓋了整個光電子學領域，已成為當今光電子科學的核心技術，屬于光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領域之一。

  半導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驗室的H.Kogelnik和C.V.Shank于1971—1972年間提出，最早的半導體DFB激光器出現(xiàn)在1973年。經(jīng)過近50年的發(fā)展，DFB激光器已被廣泛應用于光通信、傳感、測繪等領域。

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

  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、技術分布等維度進行分析，對專利數(shù)據(jù)篩選清洗后分析提煉其布局特點，便于國內(nèi)DFB激光器相關機構了解該領域全球及國內(nèi)的專利布局現(xiàn)狀，協(xié)助其摸清潛在專利風險、明確技術發(fā)展方向，制定更加實用的專利發(fā)展戰(zhàn)略和風險應對方案，全方位提升我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)知識產(chǎn)權綜合能力。

  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、國際知識產(chǎn)權組織)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。

  如圖1所示，分布式反饋技術出現(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技術受到重視，被應用于激光器中，帶動專利申請數(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)活動依舊很活躍。由于專利具有18 個月的公開期，導致2020—2021年可檢索到的專利申請數(shù)量并不代表真實申請情況。但隨著激光器技術的快速發(fā)展與5G技術的推廣普及，DFB激光器專利申請量較以往仍會繼續(xù)增加。

圖1 DFB激光器近20年全球?qū)＠甓壬暾堏厔?單位：項)

  如圖2所示，由于DFB技術出現(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，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尚不明確。據(jù)中國信息通信研究院知識產(chǎn)權與創(chuàng)新發(fā)展中心統(tǒng)計，在這些失效的專利中，超過50%屬于專利申請被撤回導致的失效，25%屬于未繳納專利年費等原因造成的失效，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

  從DFB全球?qū)＠赜蚍植伎梢钥闯?見圖3)，日本、中國、美國是重點布局國家，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國家，主要在于日本光電子芯片企業(yè)數(shù)量眾多、技術創(chuàng)新實力強大、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國家，一方面在于中國本土企業(yè)/機構積極布局，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，這與美國技術研發(fā)活動密集、消費市場活躍是息息相關的。

圖3 DFB激光器全球?qū)＠赜蚍植?

  從DFB激光器全球?qū)＠夹g來源國分布可知(見圖4)，專利技術來源國一定程度上反映了各個國家在DFB激光器的整體技術研發(fā)實力和技術創(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來源國家，說明上述3個國家是DFB激光芯片領域創(chuàng)新最為活躍的地域。日本是目前為止最大的DFB激光器專利技術來源國，33%專利技術由日本申請人提出。美國作為世界上科技最發(fā)達的國家之一，擁有多家芯片、器件、設備企業(yè)巨頭，這些公司共計申請了全球29%的DFB激光器發(fā)明專利。中國作為全球第三大DFB激光器專利技術來源國家，不同類型的企業(yè)、科研機構、高校積極貢獻了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來源國分布

  在全球DFB激光器專利技術分布中(見圖5)，全球DFB激光器專利的技術研發(fā)熱點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H01S5/00，即半導體激光器或其部件的方法或設備。23.2%集中在IPC分類號H01S5/12，即具有周期性結(jié)構的諧振腔。6.5%集中在IPC分類號H01S5/042，即電激勵結(jié)構。4.6%集中在IPC分類號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激光器專利技術分布(單位：項)

  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到2 129 件，合并同族共計1 917 項，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)的科研機構和相關企業(yè)整體上處于技術快速追趕階段，創(chuàng)新活動活躍，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)

  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 H01S5/12，即具有周期性結(jié)構的諧振腔。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，即具有脊狀或條狀結(jié)構的。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)進行分析可知，中國DFB激光器專利的技術熱點主要分布在探測器、光模塊、波分復用、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分布(單位：項)

  3 DFB激光器重要專利分析

  由于分布式反饋技術發(fā)展時間長，存在較多技術路線，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了一種可調(diào)諧雙波導DFB激光器的結(jié)構，簡化了可調(diào)諧光源管理，可以根據(jù)波長動態(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的高效、高亮度創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品適用于移動設備、特種照明、消費類和工業(yè)類應用。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非常重要，才會以此專利為基礎設置了完善的專利布局，增加保護強度。但該專利由于未交專利維護費，其權利已于2018年4月23日終止。考慮到該件專利如此高頻次地被引證，以及技術的重要性，建議我國相關機構可以深入研究專利方案，確認是否具有參考借鑒或改進開發(fā)的價值。

  DFB激光器專利中還存在被披露為標準專利的情況，如2004年5月18日申請，目前由Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV機構持有的US20040258125A及同族專利US49695604、US49593704、JP2003550326、CA2468762、AU2002363828、EP1449285A2被披露為ETSI中5G、LTE、WCDMA標準專利，版本號為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了一種用于通過多段半導體激光器在0.5 GHz至太赫茲的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生光學微波的器件，其微波源實現(xiàn)了純無源外腔無法達到的反饋強度。同時，專利權人在美國、日本、德國等主要國家也布局了該件標準專利同族，充分顯示專利權人對這件專利方案的重視程度，建議我國相關機構密切關注該件標準專利是否已加入專利池組織開展專利許可收費，盡早評估市場風險并提前規(guī)避。

  4 結(jié)束語

  經(jīng)過多年努力，我國部分高校、研究機構和企業(yè)已經(jīng)在DFB激光器領域取得了一定的技術儲備與產(chǎn)業(yè)積累。隨著5G建設的分階段持續(xù)推進和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)中知識產(chǎn)權資源、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、鼓勵我國DFB激光器科研院所與企業(yè)深度參與國際標準化工作，將會全面構建我國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力。