中国信通院王潇等：分布式反馈激光器全球专利分析

  0 引言

  近年来，随着5G的规模部署带动全球流量快速增长，推动带宽快速提升。同时，新冠肺炎疫情的暴发促进数据中心、光纤到户的需求大涨，为光通信产业带来可观的需求，光模块、波分器件、分路器、连接器的市场需求都持续增长，固网、接入网也迎来了新的建设周期。

  光模块是光通信设备的重要组成部分，而光通信器件是光模块的主要构成部件，其性能主导着光通信网络的升级换代，而激光器则是光模块内部最核心的电光转换器件。

  半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、性能稳定、可靠性高和寿命长等优点，随着半导体激光器技术的快速发展和突破，半导体激光器产品质量、波长范围和输出功率正在迅速提高，产品种类日益丰富，应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，属于光电行业中最具发展前途的领域之一。

  半导体激光器可分为垂直腔面发射激光器(VCSEL)、法布里-珀罗激光器(FP)、分布式反馈激光器(DFB)、电吸收调制激光器(EML)等。不同类型的激光器在性能和成本等方面存在差异，光模块可根据具体规格要求选择不同的芯片方案。

  在半导体激光器家族中，DFB激光器因其优异的光谱特性与调制特性，已经成为通信系统中最为重要、使用最为广泛的光源之一。DFB激光器的概念和理论最早由美国贝尔实验室的H.Kogelnik和C.V.Shank于1971—1972年间提出，最早的半导体DFB激光器出现在1973年。经过近50年的发展，DFB激光器已被广泛应用于光通信、传感、测绘等领域。

  在光纤通信领域，凭借其卓越的单模工作特性，DFB激光器已经成为波分复用(WDM)系统的重要光源。随着技术和需求的发展，近年来DFB激光器的应用领域也越来越多样化。

  本文主要通过对全球及中国DFB激光器发明专利从年度申请趋势、申请人、技术分布等维度进行分析，对专利数据筛选清洗后分析提炼其布局特点，便于国内DFB激光器相关机构了解该领域全球及国内的专利布局现状，协助其摸清潜在专利风险、明确技术发展方向，制定更加实用的专利发展战略和风险应对方案，全方位提升我国DFB激光器产业知识产权综合能力。

  1 DFB激光器全球专利布局

  截至2021年12月31日，以七国两组织(七国两组织通常是指中国、日本、美国、英国、法国、德国、瑞士、欧洲专利局、国际知识产权组织)的专利库为数据源已公布的分布式反馈激光器共申请9 832 件发明专利，合并同族后为5 526 项。

  如图1所示，分布式反馈技术出现较早，DFB激光器专利最早在1975年开始出现，但在1981年前申请较零散。随后DFB技术受到重视，被应用于激光器中，带动专利申请数量快速上涨，虽然从2003年专利申请量出现回落，但总申请趋势仍然是增长性的，说明研发活动依旧很活跃。由于专利具有18 个月的公开期，导致2020—2021年可检索到的专利申请数量并不代表真实申请情况。但随着激光器技术的快速发展与5G技术的推广普及，DFB激光器专利申请量较以往仍会继续增加。

图1 DFB激光器近20年全球专利年度申请趋势(单位：项)

  如图2所示，由于DFB技术出现较早，因此全球有3 371 件DFB激光器专利已失效，占全球专利总量的62%，失效比例较大。截至2021年年底，全球仍有23%的专利处于有效状态，即已被授予专利权，有效专利占全部专利申请总量的比例较少。还有13%的专利处于审查状态，这些专利申请能否获得专利权尚不明确。据中国信息通信研究院知识产权与创新发展中心统计，在这些失效的专利中，超过50%属于专利申请被撤回导致的失效，25%属于未缴纳专利年费等原因造成的失效，15%属于驳回造成的失效，10%属于期限届满造成的失效。

图2 DFB激光器全球专利法律状态统计

  从DFB全球专利地域分布可以看出(见图3)，日本、中国、美国是重点布局国家，分别布局了30%、27%、19%的发明专利。对专利数据分析可知，日本、中国、美国3个国家的专利发展趋势并不相同，其中日本是DFB激光器专利布局的最大目标国家，主要在于日本光电子芯片企业数量众多、技术创新实力强大、注重本土市场发展。中国是DFB激光器专利布局的第二大目标国家，一方面在于中国本土企业/机构积极布局，另一方面在于中国市场潜力巨大、吸引了来自全球各方力量的关注。美国是继中国后的第三大DFB激光器重要市场，这与美国技术研发活动密集、消费市场活跃是息息相关的。

图3 DFB激光器全球专利地域分布

  从DFB激光器全球专利技术来源国分布可知(见图4)，专利技术来源国一定程度上反映了各个国家在DFB激光器的整体技术研发实力和技术创新能力。通过专利数据分析可知，日本、美国、中国是DFB激光器主要的专利技术来源国家，说明上述3个国家是DFB激光芯片领域创新最为活跃的地域。日本是目前为止最大的DFB激光器专利技术来源国，33%专利技术由日本申请人提出。美国作为世界上科技最发达的国家之一，拥有多家芯片、器件、设备企业巨头，这些公司共计申请了全球29%的DFB激光器发明专利。中国作为全球第三大DFB激光器专利技术来源国家，不同类型的企业、科研机构、高校积极贡献了1 716 件发明专利，占全球专利总数的23%。

图4 DFB激光器全球专利技术来源国分布

  在全球DFB激光器专利技术分布中(见图5)，全球DFB激光器专利的技术研发热点主要聚焦在激光模块、发生器、检测器、干涉仪、量子级联、化合物、复用器等方面。其中，23.5%集中在国际专利分类(International Patent Classification，IPC)分类号H01S5/00，即半导体激光器或其部件的方法或设备。23.2%集中在IPC分类号H01S5/12，即具有周期性结构的谐振腔。6.5%集中在IPC分类号H01S5/042，即电激励结构。4.6%集中在IPC分类号H01S5/06，即控制激光器输出参数的装置，例如控制激活介质。

图5 全球DFB激光器专利技术分布(单位：项)

  2 DFB激光器中国专利布局

  如图6所示，截至2021年12月，DFB激光器中国专利申请达到2 129 件，合并同族共计1 917 项，呈现出逐年增加的趋势。与国际申请趋势不同的是，DFB激光器中国专利出现较晚，1995年开始出现首次申请。但随后专利数量增速明显，专利占比越来越高，可见中国市场受到专利申请人的重视，且国内的科研机构和相关企业整体上处于技术快速追赶阶段，创新活动活跃，也使得DFB激光器专利申请数量相对较多。

图6 DFB激光器近20年全球/中国专利年度申请趋势(单位：项)

  在华DFB激光器专利申请有35%处于有效状态，有效专利比例较高。审中状态的专利仅为30%，这些专利申请能否获得专利权尚不明确。而处于失效状态的专利有35%，与国际失效专利占相比，国内专利的布局更加科学与合理。

  中国本土申请人是在华DFB激光器专利的主要专利技术来源国家，美国企业在华仅布局了8%的中国DFB激光器专利，日本企业在华布局了4%的专利，国外专利权人均未开展太多DFB激光器国际专利布局。

  在DFB激光器中国专利技术分布中(见图7)，中国DFB激光器发明专利中24.3%集中在IPC分类号 H01S5/12，即具有周期性结构的谐振腔。16.5%集中在G01N21/39，即利用可调谐的激光器。9.4%集中在H01S3/067，即纤维激光器。8.1%集中在H01S5/22，即具有脊状或条状结构的。7.7%分别集中在H01S5/343，即用AⅢBⅤ族化合物的材料。对专利数据进行分析可知，中国DFB激光器专利的技术热点主要分布在探测器、光模块、波分复用、发生器、光源、二极管、隔离器、环形器、限制层等方面。

图7 DFB激光器中国专利技术分布(单位：项)

  3 DFB激光器重要专利分析

  由于分布式反馈技术发展时间长，存在较多技术路线，因此全球DFB激光器专利存在被企业间频繁引证的情况，如富士通株式会社在2003年12月30日申请的发明专利US20040151222A1，该专利方案主要保护了一种可调谐双波导DFB激光器的结构，简化了可调谐光源管理，可以根据波长动态地改变路由目的地。该件专利至今被引用超过192 次，主要的引用公司为“Soraa Laser Diode,Inc”(2020年被京瓷集团收购)，被引用使用的专利大部分布局在美国，该公司主要开发、制造和销售基于激光技术的高效、高亮度创新产品，这些产品适用于移动设备、特种照明、消费类和工业类应用。被一家公司高频次地引证，充分说明这件专利对于京瓷集团非常重要，才会以此专利为基础设置了完善的专利布局，增加保护强度。但该专利由于未交专利维护费，其权利已于2018年4月23日终止。考虑到该件专利如此高频次地被引证，以及技术的重要性，建议我国相关机构可以深入研究专利方案，确认是否具有参考借鉴或改进开发的价值。

  DFB激光器专利中还存在被披露为标准专利的情况，如2004年5月18日申请，目前由Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV机构持有的US20040258125A及同族专利US49695604、US49593704、JP2003550326、CA2468762、AU2002363828、EP1449285A2被披露为ETSI中5G、LTE、WCDMA标准专利，版本号为TS 123 271v15.1.0、TS 23.271(15.1.0)、TS 23.271(6.4.0)。该专利方案主要保护了一种用于通过多段半导体激光器在0.5 GHz至太赫兹的频率范围内产生光学微波的器件，其微波源实现了纯无源外腔无法达到的反馈强度。同时，专利权人在美国、日本、德国等主要国家也布局了该件标准专利同族，充分显示专利权人对这件专利方案的重视程度，建议我国相关机构密切关注该件标准专利是否已加入专利池组织开展专利许可收费，尽早评估市场风险并提前规避。

  4 结束语

  经过多年努力，我国部分高校、研究机构和企业已经在DFB激光器领域取得了一定的技术储备与产业积累。随着5G建设的分阶段持续推进和5G承载光模块产业的蓬勃发展，通过统筹整合我国DFB激光器产业各环节中知识产权资源、积极转化高校与科研院所的高质量DFB激光器专利到企业落地使用、鼓励我国DFB激光器科研院所与企业深度参与国际标准化工作，将会全面构建我国DFB激光器产业良性生态，提升我国DFB激光器产业在国际市场中综合实力。