用于光纖通信的集成光學(xué)器件介紹 - 全文

　　集成光學(xué)發(fā)展初期，田炳耕曾對(duì)集成光學(xué)作了三條定義：（1）光波導(dǎo)能限制光束在其中傳播。（2）利用光波導(dǎo)可制成各種光波導(dǎo)器件；（3）將光波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件集成起來(lái)可構(gòu)成有特定功能的集成光路。 集成光學(xué)在一開(kāi)始就將光纖通信作為其主要應(yīng)用目標(biāo)之一。

　　集成光學(xué)器件伴隨著光纖通信的興起和發(fā)展已經(jīng)走過(guò)了幾十年。集成光學(xué)器件不僅成為光纖網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，而且也促使光纖通信容量爆炸性增長(zhǎng)、光纖通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，加上集成光學(xué)器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟還將掀起光纖通信技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新高潮。

　　發(fā)展歷程

　　集成光學(xué)基于薄膜能夠傳輸光頻波段的電磁能的原理。故其誕生主要受微波工程和薄膜光學(xué)的影響。在1962年前，平面介質(zhì)波導(dǎo)已應(yīng)用于微波工程中，但直到1965年才由Anderson和他的研究小組把微波理論和光刻技術(shù)結(jié)合起來(lái)制作出應(yīng)用于紅外區(qū)域的薄膜波導(dǎo)和其它平面器件和光路。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E Miller首次提出了“集成光學(xué)”（integrated optics）的概念，宣告了大力研究和發(fā)展光通信用的完善而可靠的薄膜技術(shù)的開(kāi)始。

　　上世紀(jì)70年代初，研究人員對(duì)制作波導(dǎo)的材料和制作工藝作了大量的研究。此間，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光纖的制造技術(shù)取得了很大進(jìn)展。光纖傳播損耗的降低加速了光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。70年代晚期，和光纖通信相關(guān)的技術(shù)進(jìn)一步成熟，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始集中發(fā)展光纖通信系統(tǒng)；對(duì)集成光學(xué)的研究反而減少了，他們認(rèn)為集成光學(xué)器件的商品化在近期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。80年代研究人員開(kāi)始重新關(guān)注集成光學(xué)的發(fā)展，因?yàn)楣饫w通信系統(tǒng)中的分立元件較難準(zhǔn)直，且其性能又不夠穩(wěn)定。

　　平面光波導(dǎo)器件的分類

　　光波導(dǎo)是集成光學(xué)的重要基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長(zhǎng)量級(jí)尺寸的介質(zhì)中。用集成光學(xué)工藝制成的各種平面光波導(dǎo)器件，有的還要在一定的位置上沉積電極，兩端接上電壓，用以控制在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ南辔换驈?qiáng)度。然后，光波導(dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合。激光信號(hào)在光波導(dǎo)中耦合、傳輸、調(diào)制。

　　光波導(dǎo)器件按其組成材料可分為四種基本類型：鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)、硅基二氧化硅光波導(dǎo)、InGaAsP/InP光波導(dǎo)和聚合物光波導(dǎo)。

　　LiNbO3晶體的電光、聲光及非線性光學(xué)系數(shù)較大，材料的化學(xué)性能穩(wěn)定。其晶體生長(zhǎng)成本低且易長(zhǎng)出大尺寸的單晶，適合制作各種調(diào)制、耦合和傳輸元件，但不能做光源和探測(cè)器。是集成光學(xué)最常用的晶體材料。

　　鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)的主要工藝是：首先在鈮酸鋰基體上用蒸發(fā)沉積或?yàn)R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(lái)實(shí)現(xiàn)。最后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(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓一般為10V左右；一般的調(diào)制器帶寬為幾個(gè)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。

　　現(xiàn)在對(duì)LiNbO3光波導(dǎo)器件的研究，主要是為了進(jìn)一步提高LiNbO3調(diào)制器的工作速率以及開(kāi)發(fā)具有其它功能的LiNbO3器件和集成模塊，如Ti:Er:LiNbO3激光器、攙Er光波導(dǎo)放大器和LiNbO3光波導(dǎo)開(kāi)關(guān)等。

　　硅基二氧化硅光波導(dǎo)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。其制作需要沉積較厚的二氧化硅層，通過(guò)加入鍺等摻雜劑，或者是加入氮?dú)馍傻趸铮梢詫?duì)膜層的折射率進(jìn)行調(diào)整。還可以在氧化物中加入其它物質(zhì)，如加入硼和磷即可生成硼磷硅酸鹽玻璃（BPSG）。

　　國(guó)外此技術(shù)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，NEC公司開(kāi)發(fā)）、等離子增強(qiáng)CVD法（FECVD，朗訊公司開(kāi)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。

　　基于磷化銦（InP）的InGaAsP/InP光波導(dǎo)可與InP基的有源與無(wú)源光器件及InP基微電子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大?！?/p>

　　聚合物波導(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(kāi)關(guān)、AWG等。 聚合物材料可淀積在任何半導(dǎo)體材料上，為制作電光調(diào)制器提供了方便。此外，由于聚合物的相對(duì)介電系數(shù)低，為制作高速寬帶行波結(jié)構(gòu)提供了方便。由于有機(jī)聚合物的制備工藝與半導(dǎo)體的相容，因而器件的制備非常簡(jiǎn)單。德國(guó)HHI公司利用這種波導(dǎo)研制成功的AWG在25-65℃的波長(zhǎng)漂移僅為±0.05nm。

　　需指出的是，在上述四種平面光波導(dǎo)器件中，除了LiNbO3平面光波導(dǎo)器件外，其余三種光波導(dǎo)器件目前都尚未成熟，仍處于研發(fā)階段。

　　光纖通信用之集成光學(xué)器件

　　目前，光纖通信中用得最多的集成光學(xué)器件主要有：光耦合器（Coupler、Splitter）、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、可調(diào)諧光濾波器(OTF)等。

光耦合器

　　光耦合器是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路/合路的功能器件，一般是對(duì)同一波長(zhǎng)的光功率進(jìn)行分路和合路。用于光纖通信的耦合器分為：光纖熔錐型耦合器、微機(jī)電元件型(MEMS)耦合器和集成光波導(dǎo)型耦合器。這里介紹集成光波導(dǎo)型耦合器。

　　采用平面光波導(dǎo)技術(shù)能做成不同結(jié)構(gòu)與功能的集成光波導(dǎo)型耦合器，其主要工藝過(guò)程有：沉積、光刻、擴(kuò)散。圖1所示為最簡(jiǎn)單的Y形（1×2）分支耦合器的基本結(jié)構(gòu)。

　　集成光波導(dǎo)耦合器

　　光調(diào)制器

　　a）LiNbO3光波導(dǎo)調(diào)制器

　　光纖通信系統(tǒng)的調(diào)制器主要是LiNbO3光波導(dǎo)調(diào)制器。LiNbO3光波導(dǎo)調(diào)制器是利用電光效應(yīng)對(duì)光波的相位、強(qiáng)度或偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制的器件。對(duì)高速系統(tǒng)而言，最常見(jiàn)的LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder干涉儀（MZI）型行波電極強(qiáng)度光調(diào)制器，圖2是其結(jié)構(gòu)示意圖。這種調(diào)制器采用了MZI的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和行波電極結(jié)構(gòu)，不僅可獲得很高的工作速度，而且調(diào)制信號(hào)的頻率啁啾非常小。

　　MZI行波電極LiNbO3電光調(diào)制器

　　MZI光波導(dǎo)通常是采用Ti內(nèi)擴(kuò)散或質(zhì)子交換工藝制作的。行波電極通常采用不對(duì)稱條狀線（ASL）和共平面波導(dǎo)（CPW）電極。

　　b) 硅基光波導(dǎo)調(diào)制器

　　硅基光波導(dǎo)調(diào)制器是借助硅晶體的電光效應(yīng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的半導(dǎo)體電光調(diào)制器。然而，硅的電光效應(yīng)十分微弱。增大電光效應(yīng)的最佳辦法是借助于載流子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率和/或光吸收率變化（⊿n和/或⊿α）。圖3是一種硅絕緣體（SOI）電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖，這是一種基于大截面單模凸條光波導(dǎo)的光強(qiáng)調(diào)制器，其工作原理建立在自由載流子等離子彌散和波導(dǎo)消失效應(yīng)的基礎(chǔ)上。凸條光波導(dǎo)由SOI上的硅光波導(dǎo)層構(gòu)成。

　　SOI光強(qiáng)調(diào)制器

　　c) 聚合物光波導(dǎo)調(diào)制器

　　聚合物光波導(dǎo)調(diào)制器通常是制作在玻璃或硅材料上，其光波導(dǎo)為MZI型。聚合物光波導(dǎo)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂復(fù)聚合物溶物、熱固化、光刻和反應(yīng)離子刻蝕等工藝制作的，底部和頂部電極是通過(guò)蒸發(fā)Cr/Au制作的。

　　光開(kāi)關(guān)

　　光開(kāi)關(guān)是光交換的核心器件，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長(zhǎng)選擇、光分插復(fù)用、光交叉連接和自愈保護(hù)等功能。高速光纖通信系統(tǒng)中，需要大量的1×N、N×N光開(kāi)關(guān)。光開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法有：微機(jī)電光開(kāi)關(guān)（MEMS）、熱光開(kāi)關(guān)、電光開(kāi)關(guān)、液晶光開(kāi)關(guān)等。下面介紹電光開(kāi)關(guān)和熱光開(kāi)關(guān)。

　　a) 電光開(kāi)關(guān)

　　電光開(kāi)關(guān)利用波導(dǎo)材料的電光效應(yīng)對(duì)波導(dǎo)折射率進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)改變光程達(dá)到開(kāi)關(guān)的目的。適合制作光纖通信系統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)的典型材料有Si、GaAs、InP。

　　電光開(kāi)關(guān)可以分為三類：定向耦合器型、干涉型、Y分支型。

　　定向耦合器型電光開(kāi)關(guān)由一對(duì)靠得很近的條形光波導(dǎo)以及分布在條形光波導(dǎo)上的表面電極構(gòu)成。通過(guò)注入電流改變波導(dǎo)臂的折射率，從而導(dǎo)致兩個(gè)相鄰波導(dǎo)之間的能量耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸通道的切換。耦合器的耦合長(zhǎng)度與相鄰波導(dǎo)間的間距決定著波導(dǎo)間的能量耦合比。圖4為定向耦合器型光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　定向耦合器型光開(kāi)關(guān)

　　干涉型電光開(kāi)關(guān)分為MZI型和X交叉型，使用最多的是MZI型，它由一個(gè)2×2的MZI和兩個(gè)3dB定向耦合器組成。輸入定向耦合器把輸入光一分為二并進(jìn)入MZI的兩個(gè)波導(dǎo)臂傳輸，在傳輸期間，通過(guò)電極兩端的電壓，改變波導(dǎo)臂的折射率，使兩個(gè)波導(dǎo)臂的光束產(chǎn)生相位差。當(dāng)具有不同相位的兩束光匯集于輸出定向耦合器時(shí)，兩束光發(fā)生干涉，通過(guò)控制干涉的狀態(tài)（相長(zhǎng)或相消干涉），達(dá)到切換輸出端口的目的。X交叉型開(kāi)關(guān)也屬于干涉型電光開(kāi)關(guān)，它是通過(guò)交叉部的模式間的干涉實(shí)現(xiàn)光的開(kāi)/關(guān)。圖5為MZI型和X交叉型光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　干涉型光開(kāi)關(guān)

　　Y分支型電光開(kāi)關(guān)由輸入/輸出單模光波導(dǎo)、線性Y分支型波導(dǎo)和Y分支上的電極構(gòu)成。這種電光開(kāi)關(guān)是通過(guò)Y分支的兩個(gè)輸出分支波導(dǎo)的折射率變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出，故有時(shí)將這種光開(kāi)關(guān)稱之為數(shù)字光開(kāi)關(guān)。

　　b) 熱光開(kāi)關(guān)

　　熱光開(kāi)關(guān)是基于熱光效應(yīng)的光開(kāi)關(guān)，所謂熱光效應(yīng)是指光介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化而發(fā)生變化的物理效應(yīng)。對(duì)半導(dǎo)體熱光開(kāi)關(guān)而言，典型的材料是Si和SiO2。熱光開(kāi)關(guān)的最大優(yōu)點(diǎn)是可制作光開(kāi)關(guān)矩陣，基于MZI的熱光開(kāi)關(guān)是制作光開(kāi)關(guān)矩陣的首選結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　在各種集成光學(xué)器件中，用于光纖通信的器件已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并具有了一定的規(guī)模。但是，光纖通信的發(fā)展呼喚著功能更全、指標(biāo)更先進(jìn)的集成光學(xué)器件。在現(xiàn)階段纖維光學(xué)和集成光學(xué)將共同發(fā)展、互為補(bǔ)充；分立器件和集成光學(xué)器件將長(zhǎng)期共存，但趨勢(shì)是集成化。

　　現(xiàn)在，集成光學(xué)器件還處于研究開(kāi)發(fā)階段的初期，集成的規(guī)模、器件的性能、市場(chǎng)的規(guī)模遠(yuǎn)不能和微電子器件相比。但作為21世紀(jì)光通信網(wǎng)的關(guān)鍵元件，集成光學(xué)器件肯定將占據(jù)很重要的地位。

?