本研究探討了半導(dǎo)體光放大器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，從而為研發(fā)資源管理和新技術(shù)的推廣提供參考。

摘要

隨著 5G、移動(dòng)通信和光通信技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體光放大器 （SOA） 已成為重要的研究課題。然而，大多數(shù)與 SOA 相關(guān)的研究都集中在技術(shù)討論或市場(chǎng)研究上，但未能指出關(guān)鍵的 SOA 技術(shù)和 SOA 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，本研究對(duì) SOA 專利進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了 SOA 專利的技術(shù)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，關(guān)鍵的SOA技術(shù)主要應(yīng)用于激光器、半導(dǎo)體激光器、光導(dǎo)、無線通信以外的電磁波傳輸通信以及控制光源的器件。在 5 項(xiàng)關(guān)鍵 SOA 技術(shù)中，激光器 （H01S3） 占比最高，為 22.21%。因此，并不側(cè)重于特定的技術(shù)領(lǐng)域，而是具有多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的特征。此外，近年來半導(dǎo)體激光器也取得了長足的發(fā)展。最后，專利權(quán)人分析表明，對(duì)于 SOA 技術(shù)，公共部門和學(xué)術(shù)界在早期技術(shù)開發(fā)或后續(xù)技術(shù)開發(fā)中發(fā)揮的作用相對(duì)較弱。但是，隨著移動(dòng)通信和光通信的快速發(fā)展，各國政府可以考慮在未來投入額外的研發(fā)資金和資源。本文構(gòu)建了專利技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，以探討 SOA 技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。這個(gè)模型可以作為研發(fā)資源管理和新技術(shù)推廣的參考。

關(guān)鍵詞

半導(dǎo)體光放大器;半導(dǎo)體激光器;專利分析;專利網(wǎng)絡(luò);技術(shù)分析

1.引言

光信號(hào)在沿光纖傳輸時(shí)具有一定程度的損耗，傳輸距離受損耗的限制，因此，必須增強(qiáng)光信號(hào)才能長距離傳輸。傳統(tǒng)的強(qiáng)化方法涉及使用再生器，但不同速率和信號(hào)格式需要不同的再生器，并且每個(gè)通道都需要單獨(dú)的再生器，這需要高昂的網(wǎng)絡(luò)成本。因此，需要一種不使用發(fā)射器的方法來增強(qiáng)光信號(hào)。光放大是一種不需要使用發(fā)射器的光增強(qiáng)方法。半導(dǎo)體光放大器 （SOA） 可以支持任何速率和信號(hào)格式，因?yàn)樗鼈冎皇欠糯蠼邮盏降男盘?hào)。此外，與光纖放大器相比，SOA 的結(jié)構(gòu)更小，更容易與其他器件集成。隨著新一波可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)，小型和低功耗元件越來越受到關(guān)注。因此，SOA 是主流研究中感興趣的話題 [1–3]。

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速、大容量的需求越來越多，SOA 已成為一個(gè)重要的研究課題。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Technovio 的報(bào)告，2019 年至 2023 年期間，全球光放大器市場(chǎng)規(guī)模將增長 9.3594 億美元，年復(fù)合年增長率 （CAGR） 接近 9% [4]。因此，全球 SOA 市場(chǎng)將繼續(xù)增長 [5]，越來越多的研究集中在 SOA 技術(shù)的發(fā)展上 [1–3]。然而，以前的研究主要集中在技術(shù)細(xì)節(jié)的討論 [6–8] 或市場(chǎng)研究 [5,9]。這些研究未能指出推動(dòng) SOA 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，具體來說，SOA 用于多個(gè)領(lǐng)域，包括光纖、激光器、光學(xué)元件、半導(dǎo)體制造和通信元件。因?yàn)?SOA 具有無限的未來業(yè)務(wù)可能性，所以識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)很重要。對(duì)于研究型大學(xué)或企業(yè)來說，最關(guān)鍵的問題是資源配置，即確定要投資于不同技術(shù)領(lǐng)域的人員數(shù)量或資金量。本文試圖通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)使用網(wǎng)絡(luò)分析方法，解釋不同技術(shù)領(lǐng)域在技術(shù)網(wǎng)絡(luò)中的地位和位置，并確定關(guān)鍵技術(shù)來解決這個(gè)問題。本研究的重點(diǎn)是通過專利分析構(gòu)建了 SOA 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型。專利是衡量創(chuàng)新產(chǎn)出的最直接證據(jù)，可以作為觀察技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的指標(biāo)[10–12]，可以使用專利進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研技術(shù)合作成果的研究[13?14]或工業(yè)技術(shù)的相關(guān)研究[15?16]，專利信息可以作為技術(shù)發(fā)展的最直接指標(biāo)之一。本研究根據(jù)專利信息考察了 SOA 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域?？傮w而言，本研究與以前討論 SOA 技術(shù)和市場(chǎng)方面的研究不同，因?yàn)樗饕懻?SOA 的關(guān)鍵技術(shù)，建立技術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型和并探討技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本研究結(jié)果可為政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)提供參考。隨后的文獻(xiàn)綜述側(cè)重于 SOA 和關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)分析的研究。此外，在論文結(jié)束之前，介紹了本研究用于關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)分析的研究設(shè)計(jì)和實(shí)證證據(jù)。

2.文獻(xiàn)綜述

2.1.SOA 的發(fā)展現(xiàn)狀

SOA 是一種直接放大光信號(hào)的器件，無需先將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào) [17]。SOA 由半導(dǎo)體材料制成，具有與半導(dǎo)體激光器相同的工作原理，換句話說，受激能級(jí)躍遷現(xiàn)象用于光信號(hào)放大。SOA 具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、壽命長、成本低等特點(diǎn)。它們可以很容易地與其他光學(xué)元件和電路集成，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)放大和切換功能，SOA 在光波長轉(zhuǎn)換和光交換應(yīng)用中受到廣泛重視。SOA 基本上是半導(dǎo)體激光管，它可以放大來自光纖端任一側(cè)的任何光信號(hào)，并將放大后的信號(hào)從通過另一端連接的光纖中發(fā)送出去，SOA采用小型封裝，雙向傳輸，從而減小了設(shè)備的尺寸。然而，它有一些局限性，包括高耦合損耗、偏振相關(guān)性、和高噪聲系數(shù)，需要高質(zhì)量的抗反射涂層 [18]。因此，未來的研究方向是改善這些局限性。

由于光信號(hào)在光系統(tǒng)中的傳播過程中總是會(huì)衰減，因此，光放大器是長距離傳輸系統(tǒng)中不可或缺的組件。與 SOA 相關(guān)的技術(shù)包括光學(xué) [2,3]、半導(dǎo)體 [1]、材料 [19]、通信 [20] 和表面處理 [21] 技術(shù)，因此，SOA 構(gòu)成了一個(gè)跨學(xué)科的研究課題。此外，隨著 5G、移動(dòng)通信和光通信技術(shù)的發(fā)展，各國政府目前高度重視 SOA 的發(fā)展?jié)摿?，相信?huì)分配足夠的資源來促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展[5]。因此，本研究以 SOA 為主要分析對(duì)象，通過專利分析確定了關(guān)鍵的 SOA 技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)的探索是通過網(wǎng)絡(luò)分析進(jìn)行的，這將在下面的文本中詳細(xì)解釋。

2.2. 關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)分析

一些研究使用網(wǎng)絡(luò)分析來考察某些知識(shí)領(lǐng)域的研究趨勢(shì)和發(fā)展軌跡 [22,23]，并確定特定國家的知識(shí)圖譜、方向和技術(shù)發(fā)展 [24,25]。網(wǎng)絡(luò)分析也被用于探索技術(shù)合作和知識(shí)流動(dòng)狀態(tài) [26?27]，網(wǎng)絡(luò)分析還可以精確指示技術(shù)和知識(shí)的傳輸路徑和演變。具體來說，專利數(shù)據(jù)分析可以提供有關(guān)技術(shù)發(fā)展的客觀可行的信息。這些信息包括專利批準(zhǔn)年份、數(shù)量和技術(shù)類別 [28]，因此專利數(shù)據(jù)可用于分析某些技術(shù)的發(fā)展。本研究使用網(wǎng)絡(luò)分析來檢查技術(shù)節(jié)點(diǎn)之間的連通性和共現(xiàn)性。用于對(duì)技術(shù)進(jìn)行分類的方法基于 Mun 等 [29] 和 Zhang 等 [30] 的研究，也使用了現(xiàn)有和成熟的專利分類結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)分析用于檢查 SOA 的關(guān)鍵參與者，以觀察關(guān)鍵的 SOA 技術(shù)領(lǐng)域。

3.研究設(shè)計(jì)

3.1.檢索策略和數(shù)據(jù)來源

本研究主要采用來自美國專利商標(biāo)局 （USPTO） 的數(shù)據(jù)，因?yàn)槊绹到y(tǒng)在國際技術(shù)分析方面具有普遍的代表性。此外由于美國是世界上最大的商業(yè)貿(mào)易市場(chǎng)，研究人員在衡量全球創(chuàng)新活動(dòng)時(shí)通常采用美國專利商標(biāo)局?jǐn)?shù)據(jù)庫[28,31]。專利數(shù)據(jù)僅限于 1990 年 1 月至 2019 年 12 月期間宣布的美國專利，此外，使用 Derwent 智能檢索工具用于專利檢索。Derwent 智能檢索工具中使用的過程相當(dāng)于數(shù)百名專家閱讀數(shù)據(jù)庫中注冊(cè)的官方專利的全部公共數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行翻譯、重寫關(guān)鍵點(diǎn)和摘要、調(diào)試、規(guī)范化專利權(quán)人，并將重寫和規(guī)范化的數(shù)據(jù)記錄在數(shù)據(jù)庫中。Derwent 智能搜索是一種涉及手動(dòng)閱讀和排列的關(guān)鍵詞搜索方法。檢索標(biāo)準(zhǔn)為“SSTO/ Semiconductor Optical Amplifier”，共找到 990 項(xiàng)專利。此外，對(duì)于技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的分類，USPTO 和歐洲專利局于 2013 年初建立了合作專利分類 （CPC） 系統(tǒng)。因此，本研究采用 CPC 系統(tǒng)對(duì)專利進(jìn)行分類。

3.2. 關(guān)鍵參與者分析

本研究使用關(guān)鍵參與者分析來探索技術(shù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)。通過技術(shù)網(wǎng)絡(luò)分析確定專利技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的中心性都引用了 Abraham 等人 [32]，使用 Key Player problem-positive 和 Key Player problem-negative 兩種方法，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分類。

3.2.1. Key Player problem-positive

Key Player problem-positive方法是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到其他節(jié)點(diǎn)的能力。這種能力主要基于相鄰中心性和特征向量中心性。相鄰中心性是指一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的最小距離之和的倒數(shù)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)越近，該節(jié)點(diǎn)的接近度或可訪問性就越高。

其中 d(ni, nj) 表示節(jié)點(diǎn) ni 到節(jié)點(diǎn) nj 的距離。

特征向量中心性反映了一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否與大量節(jié)點(diǎn)連接，以及所考慮的節(jié)點(diǎn)連接的節(jié)點(diǎn)是否同時(shí)連接到其他節(jié)點(diǎn)。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接到中心性較高的節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)具有高度的中心性。換句話說，相鄰節(jié)點(diǎn)不相等 [33]。

其中 Ce(ni) 和 Ce(nj) 是節(jié)點(diǎn) i 和節(jié)點(diǎn) j 的特征向量中心性；aij表示進(jìn)入相鄰矩陣 A 的節(jié)點(diǎn)；λ 是相鄰矩陣 A 的最大特征向量值，是一個(gè)常數(shù)。

在上述公式中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的特征向量中心性被認(rèn)為是所有其他節(jié)點(diǎn)的中心性的線性組合，因此，從公式 [34] 中得到一個(gè)線性函數(shù)。

3.2.2. Key Player problem-negative

Key Player problem-negative方法考慮了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的維護(hù)。因此，刪除節(jié)點(diǎn)會(huì)將網(wǎng)絡(luò)更改為分段網(wǎng)絡(luò)。該方法主要基于中介中心性和加固結(jié)構(gòu)孔。中介中心性是指網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)依賴于某些節(jié)點(diǎn)(中介)，即媒介，與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)連接。不同節(jié)點(diǎn)之間的連接和流動(dòng)取決于節(jié)點(diǎn)的中心性程度。

其中 gjk表示從節(jié)點(diǎn) j 到節(jié)點(diǎn) k 的快捷方式數(shù)量；gjk(ni) 表示節(jié)點(diǎn) j 必須通過節(jié)點(diǎn)i才能到達(dá)節(jié)點(diǎn) k 的快捷方式數(shù)量。

除了中介中心性之外，另一個(gè)衡量節(jié)點(diǎn)中介能力的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)孔的數(shù)量。結(jié)構(gòu)孔描述了占據(jù)網(wǎng)絡(luò)消息通信主要路由的節(jié)點(diǎn)的特征。Burt [35] 指出，結(jié)構(gòu)孔的影響可以通過加固結(jié)構(gòu)孔RSH 值來確定，RSH 值介于 0 和 1 之間，RSH 值越高表示結(jié)構(gòu)孔的效果越好。

其中 Cij 表示將總和乘以i的 i-j 結(jié)構(gòu)孔的程度，以定義一個(gè)從 0 到 1 變化的變量 RSH，該變量RSH與i周圍的網(wǎng)絡(luò)加強(qiáng) i-j結(jié)構(gòu)孔的程度而變化；Pik 表示 i 和 k 之間連接的強(qiáng)度（j 和 i 之間的連接除以 i 的其他連接之和）;mij表示i和 j之間連接的連接強(qiáng)度（j 和 i 之間的連接除以 i的再i網(wǎng)絡(luò)中的最大連接）;mkj表示 k 和 j 之間連接的邊際強(qiáng)度。

其中總和是i的所有連接點(diǎn) k、k≠i、j。當(dāng) i 沒有 i-j 結(jié)構(gòu)孔（mij等于 1）或 i 的所有其他接點(diǎn)都是到 j 的橋（所有 mkj 都等于 1）時(shí)，表達(dá)式 Cij為零。索引接近 1 的程度是 j 與 j 斷開連接，并且 i 最近的聯(lián)系人也與 j 斷開連接。

--未完待續(xù)--

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注：本文由天津見合八方光電科技有限公司挑選并翻譯，旨在推廣和分享相關(guān)半導(dǎo)體光放大器SOA基礎(chǔ)知識(shí)，助力SOA技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。特此告知，本文系經(jīng)過人工翻譯而成，雖本公司盡最大努力保證翻譯準(zhǔn)確性，但不排除存在誤差、遺漏或語義解讀導(dǎo)致的不完全準(zhǔn)確性，建議讀者閱讀原文或?qū)φ臻喿x，也歡迎指出錯(cuò)誤，共同進(jìn)步。