中國信通院王瀟等：分布式反饋激光器全球專(zhuān)利分析

  0 引言

  近年來(lái)，隨著(zhù)5G的規模部署帶動(dòng)全球流量快速增長(cháng)，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)數據中心、光纖到戶(hù)的需求大漲，為光通信產(chǎn)業(yè)帶來(lái)可觀(guān)的需求，光模塊、波分器件、分路器、連接器的市場(chǎng)需求都持續增長(cháng)，固網(wǎng)、接入網(wǎng)也迎來(lái)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(zhù)光通信網(wǎng)絡(luò )的升級換代，而激光器則是光模塊內部最核心的電光轉換器件。

  半導體激光器具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、性能穩定、可靠性高和壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)半導體激光器技術(shù)的快速發(fā)展和突破，半導體激光器產(chǎn)品質(zhì)量、波長(cháng)范圍和輸出功率正在迅速提高，產(chǎn)品種類(lèi)日益豐富，應用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當今光電子科學(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)、電吸收調制激光器(EML)等。不同類(lèi)型的激光器在性能和成本等方面存在差異，光模塊可根據具體規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)異的光譜特性與調制特性，已經(jīng)成為通信系統中最為重要、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激光器出現在1973年。經(jīng)過(guò)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(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)成為波分復用(WDM)系統的重要光源。隨著(zhù)技術(shù)和需求的發(fā)展，近年來(lái)DFB激光器的應用領(lǐng)域也越來(lái)越多樣化。

  本文主要通過(guò)對全球及中國DFB激光器發(fā)明專(zhuān)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(zhuān)利數據篩選清洗后分析提煉其布局特點(diǎn)，便于國內DFB激光器相關(guān)機構了解該領(lǐng)域全球及國內的專(zhuān)利布局現狀，協(xié)助其摸清潛在專(zhuān)利風(fēng)險、明確技術(shù)發(fā)展方向，制定更加實(shí)用的專(zhuān)利發(fā)展戰略和風(fēng)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激光器全球專(zhuān)利布局

  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(zhuān)利局、國際知識產(chǎn)權組織)的專(zhuān)利庫為數據源已公布的分布式反饋激光器共申請9 832 件發(fā)明專(zhuān)利，合并同族后為5 526 項。

  如圖1所示，分布式反饋技術(shù)出現較早，DFB激光器專(zhuān)利最早在1975年開(kāi)始出現，但在1981年前申請較零散。隨后DFB技術(shù)受到重視，被應用于激光器中，帶動(dòng)專(zhuān)利申請數量快速上漲，雖然從2003年專(zhuān)利申請量出現回落，但總申請趨勢仍然是增長(cháng)性的，說(shuō)明研發(fā)活動(dòng)依舊很活躍。由于專(zhuān)利具有18 個(gè)月的公開(kāi)期，導致2020—2021年可檢索到的專(zhuān)利申請數量并不代表真實(shí)申請情況。但隨著(zhù)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(zhuān)利申請量較以往仍會(huì )繼續增加。

圖1 DFB激光器近20年全球專(zhuān)利年度申請趨勢(單位：項)

  如圖2所示，由于DFB技術(shù)出現較早，因此全球有3 371 件DFB激光器專(zhuān)利已失效，占全球專(zhuān)利總量的62%，失效比例較大。截至2021年年底，全球仍有23%的專(zhuān)利處于有效狀態(tài)，即已被授予專(zhuān)利權，有效專(zhuān)利占全部專(zhuān)利申請總量的比例較少。還有13%的專(zhuān)利處于審查狀態(tài)，這些專(zhuān)利申請能否獲得專(zhuān)利權尚不明確。據中國信息通信研究院知識產(chǎn)權與創(chuàng )新發(fā)展中心統計，在這些失效的專(zhuān)利中，超過(guò)50%屬于專(zhuān)利申請被撤回導致的失效，25%屬于未繳納專(zhuān)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(mǎn)造成的失效。

圖2 DFB激光器全球專(zhuān)利法律狀態(tài)統計

  從DFB全球專(zhuān)利地域分布可以看出(見(jiàn)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(zhuān)利。對專(zhuān)利數據分析可知，日本、中國、美國3個(gè)國家的專(zhuān)利發(fā)展趨勢并不相同，其中日本是DFB激光器專(zhuān)利布局的最大目標國家，主要在于日本光電子芯片企業(yè)數量眾多、技術(shù)創(chuàng )新實(shí)力強大、注重本土市場(chǎng)發(fā)展。中國是DFB激光器專(zhuān)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(chǎng)潛力巨大、吸引了來(lái)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(chǎng)，這與美國技術(shù)研發(fā)活動(dòng)密集、消費市場(chǎng)活躍是息息相關(guān)的。

圖3 DFB激光器全球專(zhuān)利地域分布

  從DFB激光器全球專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國分布可知(見(jiàn)圖4)，專(zhuān)利技術(shù)來(lái)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(guò)專(zhuān)利數據分析可知，日本、美國、中國是DFB激光器主要的專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國家，說(shuō)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(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國，33%專(zhuān)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(zhuān)利。中國作為全球第三大DFB激光器專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國家，不同類(lèi)型的企業(yè)、科研機構、高校積極貢獻了1 716 件發(fā)明專(zhuān)利，占全球專(zhuān)利總數的23%。

圖4 DFB激光器全球專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國分布

  在全球DFB激光器專(zhuān)利技術(shù)分布中(見(jiàn)圖5)，全球DFB激光器專(zhuān)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、復用器等方面。其中，23.5%集中在國際專(zhuān)利分類(lèi)(International Patent Classification，IPC)分類(lèi)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(lèi)號H01S5/12，即具有周期性結構的諧振腔。6.5%集中在IPC分類(lèi)號H01S5/042，即電激勵結構。4.6%集中在IPC分類(lèi)號H01S5/06，即控制激光器輸出參數的裝置，例如控制激活介質(zhì)。

圖5 全球DFB激光器專(zhuān)利技術(shù)分布(單位：項)

  2 DFB激光器中國專(zhuān)利布局

  如圖6所示，截至2021年12月，DFB激光器中國專(zhuān)利申請達到2 129 件，合并同族共計1 917 項，呈現出逐年增加的趨勢。與國際申請趨勢不同的是，DFB激光器中國專(zhuān)利出現較晚，1995年開(kāi)始出現首次申請。但隨后專(zhuān)利數量增速明顯，專(zhuān)利占比越來(lái)越高，可見(jiàn)中國市場(chǎng)受到專(zhuān)利申請人的重視，且國內的科研機構和相關(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(zhuān)利申請數量相對較多。

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

  在華DFB激光器專(zhuān)利申請有35%處于有效狀態(tài)，有效專(zhuān)利比例較高。審中狀態(tài)的專(zhuān)利僅為30%，這些專(zhuān)利申請能否獲得專(zhuān)利權尚不明確。而處于失效狀態(tài)的專(zhuān)利有35%，與國際失效專(zhuān)利占相比，國內專(zhuān)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(zhuān)利的主要專(zhuān)利技術(shù)來(lái)源國家，美國企業(yè)在華僅布局了8%的中國DFB激光器專(zhuān)利，日本企業(yè)在華布局了4%的專(zhuān)利，國外專(zhuān)利權人均未開(kāi)展太多DFB激光器國際專(zhuān)利布局。

  在DFB激光器中國專(zhuān)利技術(shù)分布中(見(jiàn)圖7)，中國DFB激光器發(fā)明專(zhuān)利中24.3%集中在IPC分類(lèi)號 H01S5/12，即具有周期性結構的諧振腔。16.5%集中在G01N21/39，即利用可調諧的激光器。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構的。7.7%分別集中在H01S5/343，即用AⅢBⅤ族化合物的材料。對專(zhuān)利數據進(jìn)行分析可知，中國DFB激光器專(zhuān)利的技術(shù)熱點(diǎn)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(zhuān)利技術(shù)分布(單位：項)

  3 DFB激光器重要專(zhuān)利分析

  由于分布式反饋技術(shù)發(fā)展時(shí)間長(cháng)，存在較多技術(shù)路線(xiàn)，因此全球DFB激光器專(zhuān)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(zhuān)利US20040151222A1，該專(zhuān)利方案主要保護了一種可調諧雙波導DFB激光器的結構，簡(jiǎn)化了可調諧光源管理，可以根據波長(cháng)動(dòng)態(tài)地改變路由目的地。該件專(zhuān)利至今被引用超過(guò)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(zhuān)利大部分布局在美國，該公司主要開(kāi)發(fā)、制造和銷(xiāo)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)設備、特種照明、消費類(lèi)和工業(yè)類(lèi)應用。被一家公司高頻次地引證，充分說(shuō)明這件專(zhuān)利對于京瓷集團非常重要，才會(huì )以此專(zhuān)利為基礎設置了完善的專(zhuān)利布局，增加保護強度。但該專(zhuān)利由于未交專(zhuān)利維護費，其權利已于2018年4月23日終止?？紤]到該件專(zhuān)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)機構可以深入研究專(zhuān)利方案，確認是否具有參考借鑒或改進(jìn)開(kāi)發(fā)的價(jià)值。

  DFB激光器專(zhuān)利中還存在被披露為標準專(zhuān)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(zhuān)利US49695604、US49593704、JP2003550326、CA2468762、AU2002363828、EP1449285A2被披露為ETSI中5G、LTE、WCDMA標準專(zhuān)利，版本號為T(mén)S 123 271v15.1.0、TS 23.271(15.1.0)、TS 23.271(6.4.0)。該專(zhuān)利方案主要保護了一種用于通過(guò)多段半導體激光器在0.5 GHz至太赫茲的頻率范圍內產(chǎn)生光學(xué)微波的器件，其微波源實(shí)現了純無(wú)源外腔無(wú)法達到的反饋強度。同時(shí)，專(zhuān)利權人在美國、日本、德國等主要國家也布局了該件標準專(zhuān)利同族，充分顯示專(zhuān)利權人對這件專(zhuān)利方案的重視程度，建議我國相關(guān)機構密切關(guān)注該件標準專(zhuān)利是否已加入專(zhuān)利池組織開(kāi)展專(zhuān)利許可收費，盡早評估市場(chǎng)風(fēng)險并提前規避。

  4 結束語(yǔ)

  經(jīng)過(guò)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(lǐng)域取得了一定的技術(shù)儲備與產(chǎn)業(yè)積累。隨著(zhù)5G建設的分階段持續推進(jìn)和5G承載光模塊產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，通過(guò)統籌整合我國DFB激光器產(chǎn)業(yè)各環(huán)節中知識產(chǎn)權資源、積極轉化高校與科研院所的高質(zhì)量DFB激光器專(zhuān)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(huì )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(chǎng)中綜合實(shí)力。