平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)

1、平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)2004-08-22 吳國鋒中國電子科技集團(tuán)第 34 研究所 摘要本文介紹了平面波導(dǎo)技術(shù)及器件的發(fā)展情況， 并概要指出了平面波導(dǎo)光器件的市場前景和發(fā)展 方向。關(guān)鍵詞 PLC、Polymer 、InP 、AWG1 概述光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件， 它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中， 長距離無輻 射的傳輸。平面波導(dǎo)型光器件，又稱為光子集成器件。其技術(shù)核心是采用集成光學(xué)工藝根據(jù)功能要求 制成各種平面光波導(dǎo)，有的還要在一定的位置上沉積電極，然后光波導(dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合，是 多類光器件的研究熱點(diǎn)。2 技術(shù)種類按材料可分為四種基本類型： 鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)、 硅基沉

2、積二氧化硅光波導(dǎo)、 InGaAsP/InP 光波 導(dǎo)和聚合物（ Polymer ）光波導(dǎo)。LiNbO3 晶體是一種比較成熟的材料，它有極好的壓電、電光和波導(dǎo)性質(zhì)。除了不能做光源和探 測器外， 適合制作光的各種控制、 耦合和傳輸元件。 鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)開發(fā)較早， 其主要工藝過程是： 首先在鈮酸鋰基體上用蒸發(fā)沉積或濺射沉積的方法鍍上鈦膜， 然后進(jìn)行光刻， 形成所需要的光波導(dǎo)圖 形，再進(jìn)行擴(kuò)散，可以采用外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、質(zhì)子交換和離子注入等方法來實現(xiàn)。并沉積上二氧化硅 保護(hù)層，制成平面光波導(dǎo)。 該波導(dǎo)的損耗一般為 0.2-0.5dB/cm 。調(diào)制器和開關(guān)的驅(qū)動電壓一般為 10V 左右；一般的調(diào)制器帶寬

3、為幾個 GHz ，采用行波電極的 LiNbO3 光波導(dǎo)調(diào)制器，帶寬已達(dá) 50GHz 以 上。硅基沉積二氧化硅光波導(dǎo)是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來的新技術(shù)，主要有氮氧化硅和摻鍺的硅材 料，國外已比較成熟。其制造工藝有：火焰水解法（ FHD ）、化學(xué)氣相淀積法（ CVD ，日本 NEC 公 司開發(fā)）、等離子增強(qiáng) CVD 法（美國 Lucent 公司開發(fā)）、反應(yīng)離子蝕刻技術(shù) RIE 多孔硅氧化法和 熔膠凝膠法（ Sol-gel ）。該波導(dǎo)的損耗很小，約為 0.02dB/cm ?；诹谆煟↖nP）的InGaASP/InP光波導(dǎo)的研究也比較成熟，它可與 InP基的有源與無源光器 件及 InP 基微

4、電子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大。聚合物光波導(dǎo)是近年來研究的熱點(diǎn)。 該波導(dǎo)的熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大， 很適合于研制高速 光波導(dǎo)開關(guān)、 AWG 等。采用極化聚合物作為工作物質(zhì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是材料配置方便、成本很低。同聚合物通過外場極化的時由于有機(jī)聚合物具有與半導(dǎo)體相容的制備工藝而使得樣品的制備非常簡單。方法可以獲得高于鈮酸鋰等無機(jī)晶體的電光系數(shù)。德國HHl公司利用這種波導(dǎo)研制成功的 AWG在25-65 C的波長漂移僅為士0.05nm。幾乎任何材料都可以作為聚合物的襯底。成本低廉，發(fā)展前景看好。此外，為了得到更好的光波導(dǎo)性能，許多研究機(jī)構(gòu)正在探索在新型材料上的波導(dǎo)制造方法。目前

5、，有機(jī)無機(jī)混合納米材料的平面光波導(dǎo)已研制成功，兼具有機(jī)與無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，如性能穩(wěn)定可靠、加 工容易、能依需求調(diào)控光學(xué)性能等。由于新材料具有感光特性，在制造工藝上以顯影方式直接做出的 導(dǎo)光線路，將能進(jìn)一步應(yīng)用以低成本的簡單工藝，更可大幅減少器件制造商的設(shè)備投入成本。3產(chǎn)品開發(fā)情況目前，光通信應(yīng)用最多的平面光波導(dǎo)器件主要包括有：各類光耦合器( Coupler、SPlitter )、 平面波導(dǎo)陣列光柵(AWG )、interleaver、大端口數(shù)矩陣光開關(guān)(SWitCh)、陣列型可變光衰減器(VoA )、 可調(diào)諧光濾波器(OTF)、EDWA及可調(diào)諧增益均衡器等。(1) 光耦合器硅基SiO2光波導(dǎo)技術(shù)

6、制作的1 XN分支光功率分配器(SPIitter )是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一種基本應(yīng) 用，它具有傳統(tǒng)光纖耦合器所無法相比的小尺寸與高集成度，而且?guī)拰挕⑼ǖ谰鶆蛐院?。日本NHK推岀的 IXN(N=4,8,16,32)系列圖 11x32 SPlltter Deviceffi 2 16x16 CclUPlerArrav波導(dǎo)耦合器(圖1、圖2)具有均勻性好(£2.2dB,N=32DL指標(biāo)低(£ 0.3dB,N=3216)、的特點(diǎn)，分別可用于1260-1360和1480-1580波段。而NXN(N=4、8、16)星型耦合器的耦合比可實 現(xiàn)20%到80%.的定制。法國光子集成公司Teem在

7、2003初推岀的基于平面波導(dǎo)技術(shù)的NXN系列8x(1x2),16x(1x2),4x(1x8),8x(1x4),2x(1x16)等分路器陣列，尺寸只有 70x13x5.6mm ,是 FBT 同類 產(chǎn)品尺寸的1/10 ,具有非常小的插損和回?fù)p指標(biāo)， 并已經(jīng)通過TeICordiaGR-1209 和GR-1221測試(2) 平面波導(dǎo)陣列光柵(AWG )陣列波導(dǎo)光柵是基于干涉原理形成的波分復(fù)用器件，其基本結(jié)構(gòu)由3部分組成：輸入/輸岀光波導(dǎo)陣列、自由傳播區(qū)平板波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)陣列。彎曲波導(dǎo)之間有固定光程差，使得不同波長的光信號在輸岀自由傳播區(qū)干涉，并從不同輸岀波導(dǎo)口輸岀。目前平面波導(dǎo)型WDM器件有各種實現(xiàn)方

8、案，其中比較典型的稱為龍骨型的平面波導(dǎo)AWG器件最為普遍，如圖3所示。該類器件通路數(shù)大、緊湊、易于批量生產(chǎn)，但帶內(nèi)頻響尚不夠平坦。AWG是第一個將平面波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于商品化的元件。其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅膜層，再利用微影制程(Photolithography )及反應(yīng)式離子蝕刻法(RIE)定義岀陣列波導(dǎo)及分光元件等，然后在最上層覆以保護(hù)層即可完成。 AWG的制作材料除SiO2Si夕外，InGaAsPInP 和Polymer/Si 也常被采用。InGaASP/InP系的AWG被看好的原因在于它尺寸小并能與 InP基有源與無源光子器件 及InP基微電子回路集成在同一基片上。首先提岀AWG概念的

9、荷蘭人在兩年前制作岀了有別于龍骨型的AWG結(jié)構(gòu)圖 3 AWJ4為荷蘭微系統(tǒng)技術(shù)公司(mikrosystemtechnik)在TiO2Al2O3平面波導(dǎo)上采用"自聚焦傳輸光柵(self-focussingTransmissionGrating)” 制作的垂直錐形波導(dǎo) AWG ,由于 TiO2 和 Al2O3 有較高的折射率差，其通道間隔可以作的很窄(典型值為0.3nm )SlBPoFI BubslratDPtartf«( WaMitgvide-focii9ng grstigCUIPUt flbr4iIA pl*ma½hAdgrocv«»InPUl

10、 brcIn PIMmI>tddSiol I M jO. I SiOJ pi*nar WaVUQUIde圖4垂直錐形波導(dǎo)A即AWG光波導(dǎo)的通道數(shù)由最初的16通道已發(fā)展到400個通道，最高記錄為NTT利用兩種類型的AWG的串聯(lián)連接法(寬分波帶寬的前級+窄通道間隔的后級)首次實現(xiàn)了 1000個通道。目前商用流行 的仍以40通道為主流。(3) Interleaver圖為荷蘭TWente大學(xué)的研究人員在SiON波導(dǎo)上采用非對稱馬-擇(MaCh-Zehnder )干涉儀 和環(huán)行共振腔技術(shù)實現(xiàn)了 Interleaver功能，可將50GHz間隔的波長交錯分離，信道隔離度可達(dá) 30dB。(4) 大端口數(shù)

11、矩陣光開關(guān)(SWitCh)平面波導(dǎo)型開關(guān)主要包含熱光開關(guān)、電光開關(guān)和全內(nèi)反射型開關(guān)。熱光開關(guān)是利用硅波導(dǎo)的熱感應(yīng)折射率變化制作的，其M - Z腔由二個3dB耦合器和二個波導(dǎo)臂組成的，其中一臂上加有熱光相移薄膜加熱器。通過受熱和非受熱實現(xiàn)開關(guān)功能電光開關(guān)與熱光開關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似，但采用電折變效應(yīng)來實現(xiàn)對波導(dǎo)臂的光程差調(diào)制。由于Si 材料為中心反演對稱結(jié)構(gòu)，泡克爾效應(yīng)極弱，電光系數(shù)很小，因此難以利用場致折變效應(yīng)，只能利 用 Si 材料中的等離子色散效應(yīng)，于是 Si 波導(dǎo)層中需要制備 p-n 結(jié)，以實現(xiàn)高濃度載流子的注入。 InGaAsP/InP 材料有較強(qiáng)的泡克爾效應(yīng)和較大的電光系數(shù)而成為該類開關(guān)

12、的研究熱點(diǎn)。全內(nèi)反射型開關(guān)又叫氣泡開關(guān)，利用了熱毛細(xì)現(xiàn)象。是在波導(dǎo)的交叉點(diǎn)上垂直形成窄矩形槽，槽 內(nèi)封入少量折射率匹配油， 薄膜金屬加熱器淀積在槽的端上， 通過加熱使槽內(nèi)的油產(chǎn)生氣泡以改變波 導(dǎo)交叉點(diǎn)的折射率來實現(xiàn)開關(guān)功能。日本NTT已制作了 16 ' 1的熱光開關(guān)和32 ' 3的全內(nèi)反射型開關(guān)，消光比可達(dá) 50dB以上。（5）陣列型可變光衰減器（ VOA ）首先將聚合物光元件產(chǎn)品通過嚴(yán)格的 Telcordia 標(biāo)準(zhǔn)的 Gemfire 公司推出的基于熱光聚合物波導(dǎo) 的 VOA 系列產(chǎn)品中有 8 端口和 16 端口兩種，且 8 端口 VOA 具有關(guān)斷功能，兩者均尺寸小，功耗 低。

13、今年初， Gemfire 在完成了對 Avanex 位于蘇格蘭 Livingston 的平面硅波導(dǎo)線路業(yè)務(wù)部門的收 購后，最近又傳出完成了對擁有有源平面硅處理工藝 - 雪崩二極管技術(shù)的 NovaCrystals 公司的收購。 這將使 Gemfire 成為全面掌握平面波導(dǎo)技術(shù)的領(lǐng)先者。（6）可調(diào)諧光濾波器 （OTF）該類器件大多利用鈮酸鋰良好的電光特性， 在單片平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)可調(diào)諧濾波功能。 上世紀(jì) 末，美國物理研究所在氟化聚合物平面波導(dǎo)上掩模形成布拉格光柵，成功地實現(xiàn)了在1.55 m波段11nm 的可調(diào)諧濾波，串音 -20dB ，插損 3.2dB 。（7）EDWAEDWA 一般由內(nèi)嵌制作在

14、 Er3+:Yb3+ 共摻雜玻璃基片上的光波導(dǎo)組成。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈闷?光能量約束在截面積非常小、長度較長的區(qū)域內(nèi)，只需使用數(shù)厘米長高濃度的摻鉺增益介質(zhì)，就可以 得到常規(guī)摻鉺光纖幾十倍的單位長度光增益。 法國 Teem 光子公司于 1998 年末首先發(fā)布采用非刻蝕 或沉積的離子交換法，在玻璃薄片而不是在硅片上制作波導(dǎo)，具有非常低的偏振和損耗特性。隨后， 美國 Northstar 光子公司及 JDSU 也采用了此技術(shù)。丹麥 NKT 集成公司推出的 C 帶 (1528-1562nm)20dB 高增益EDWA ,采用了 980nm100mW泵源，可單片集成多個放大器。隨后，Teem光子公司和NKT

15、集成公司同時發(fā)布采用 PECVD制造技術(shù)，基于multi-sourceagreement(MSA) 發(fā)展的4端口全集成 EDWA ,每端口可達(dá)10dBm 的輸岀。美國Inplane光子公司也推岀類似產(chǎn)品。此外 NKT公司還可提供4及8端口可以分別控制的 EDWA ,且 采用的是非致冷的980nm 泵源，其可靠性測試通過了 TelcordiaGR-1312 標(biāo)準(zhǔn)。(8) 可調(diào)諧增益均衡器IBM蘇黎士實驗室在SiON波導(dǎo)上制作非對稱馬-擇腔，采用加熱一個波導(dǎo)臂的方法可動態(tài)控制EDFA光放大器的增益，如圖6所示。采用7個這樣的結(jié)構(gòu)級聯(lián)，可實現(xiàn)增益平坦度小于0.5dB4主要供應(yīng)商及市場情況目前平面波導(dǎo)

16、類光器件的主要供應(yīng)商包括：美國Inplane、NeoPhotonics 、WaVegUide、AVaneX 、 MolecularNanoVation 、 Gemfire 、 OPtiCWaVe 、 LightConnect 、 LighteCh 、 CyPreSS 、 BellLabs、LightWaVeMiCrOSyStemS 、JDSU、WaVeSPIitter ；英國 Bookham、BNREUrOPe、 TerahertZ ；法國 Teem、LET；丹麥 NKTIntegration ；日本 SENKO (扇港)、NTT、歐姆龍、CentralGlass 及加拿大北電網(wǎng)絡(luò)、MetrO

17、PhOt onics 等。據(jù)市場調(diào)研公司EIeCtrOniCast (美)在2002年末的一項市場分析報告稱，2010年前，平面波 導(dǎo)光器件的增長率將會達(dá)到兩位數(shù)， 而到2006年前，將持續(xù)30多個百分點(diǎn)之高的增長率。2001年 市場總額為1.73億美元，到2011年，該市場總額將會超過42億美元。此外，CIR (美)及RHK (美) 的市場調(diào)研報告均對平面波導(dǎo)光器件的市場前景充滿信心。5結(jié)語建立在平面光波導(dǎo)(PlanarLightwaveCircuit,PLC )技術(shù)之上的光器件，具有成本低、體積小、便于批量生產(chǎn)、穩(wěn)定性好及易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn)。目前，集成光學(xué)元件已在通信、軍事、電力、天文、