用于光纖通信的集成光學(xué)器件概覽

　　作者：酈炬烽,袁一方,虞洋,陶偉,侯建偉

　集成光學(xué)發(fā)展初期，田炳耕曾對集成光學(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)器件集成起來可構(gòu)成有特定功能的集成光路。 集成光學(xué)在一開始就將光纖通信作為其主要應(yīng)用目標之一。

　　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、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，貝爾實驗室的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)的開始。

　　上世紀70年代初，研究人員對制作波導(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)進一步成熟，企業(yè)和研究機構(gòu)開始集中發(fā)展光纖通信系統(tǒng);對集成光學(xué)的研究反而減少了，他們認為集成光學(xué)器件的商品化在近期內(nèi)難以實現(xiàn)。80年代研究人員開始重新關(guān)注集成光學(xué)的發(fā)展，因為光纖通信系統(tǒng)中的分立元件較難準直，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量級尺寸的介質(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南辔换驈姸�。然后，光波�?dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合。激光信號在光波導(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。其晶體生長成本低且易長出大尺寸的單晶，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)沉積或濺射沉積的方法鍍上鈦膜，然后進行光刻，形成所需要的光波導(dǎo)圖形，再進行擴散，可以采用外擴散、內(nèi)擴散、質(zhì)子交換和離子注入等方法來實現(xiàn)。最后沉積上二氧化硅保護層，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)制器帶寬為幾個GHz，采用行波電極的LiNbO3光波導(dǎo)調(diào)制器，帶寬已達50GHz以上。

　　現(xiàn)在對LiNbO3光波導(dǎo)器件的研究，主要是為了進一步提高LiNbO3調(diào)制器的工作速率以及開發(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)開關(guān)等。

　　硅基二氧化硅光波導(dǎo)是20世紀90年代發(fā)展起來的新技術(shù)。其制作需要沉積較厚的二氧化硅層，通過加入鍺等摻雜劑，或者是加入氮氣生成氮氧化物，可以對膜層的折射率進行調(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公司開發(fā))、等離子增強CVD法(FECVD，朗訊公司開發(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。

　　基于磷化銦(InP)的InGaAsP/InP光波導(dǎo)可與InP基的有源與無源光器件及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。

　　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單。德國HHI公司利用這種波導(dǎo)研制成功的AWG在25-65℃的波長漂移僅為±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、光開關(guān)、可調(diào)諧光濾波器(OTF)等。

　　光耦合器

　　光耦合器是實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進行分路和合路。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，其主要工藝過程有：沉積、光刻、擴散。圖1所示為最簡單的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)對光波的相位、強度或偏振態(tài)進行調(diào)制的器件。對高速系統(tǒng)而言，最常見的LiNbO3光調(diào)制器是Mach-Zehnder干涉儀(MZI)型行波電極強度光調(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)擴散或質(zhì)子交換工藝制作的。行波電極通常采用不對稱條狀線(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)對光信號進行調(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實現(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蒸發(fā)Cr/Au制作的。

　　光開關(guān)

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

　　a) 電光開關(guān)

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

　　電光開關(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關(guān)由一對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。通過注入電流改變波導(dǎo)臂的折射率，從而導(dǎo)致兩個相鄰波導(dǎo)之間的能量耦合來實現(xiàn)傳輸通道的切換。耦合器的耦合長度與相鄰波導(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關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　定向耦合器型光開關(guān)

　　干涉型電光開關(guān)分為MZI型和X交叉型，使用最多的是MZI型，它由一個2×2的MZI和兩個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入MZI的兩個波導(dǎo)臂傳輸，在傳輸期間，通過電極兩端的電壓，改變波導(dǎo)臂的折射率，使兩個波導(dǎo)臂的光束產(chǎn)生相位差。當具有不同相位的兩束光匯集于輸出定向耦合器時，兩束光發(fā)生干涉，通過控制干涉的狀態(tài)(相長或相消干涉)，達到切換輸出端口的目的。X交叉型開關(guān)也屬于干涉型電光開關(guān)，它是通過交叉部的模式間的干涉實現(xiàn)光的開/關(guān)。圖5為MZI型和X交叉型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　干涉型光開關(guān)

　　Y分支型電光開關(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。這種電光開關(guān)是通過Y分支的兩個輸出分支波導(dǎo)的折射率變化，實現(xiàn)數(shù)字式輸出，故有時將這種光開關(guān)稱之為數(shù)字光開關(guān)。

　　b) 熱光開關(guān)

　　熱光開關(guān)是基于熱光效應(yīng)的光開關(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)。對半導(dǎo)體熱光開關(guān)而言，典型的材料是Si和SiO2。熱光開關(guān)的最大優(yōu)點是可制作光開關(guān)矩陣，基于MZI的熱光開關(guān)是制作光開關(guān)矩陣的首選結(jié)構(gòu)。

　　結(jié)束語

　　在各種集成光學(xué)器件中，用于光纖通信的器件已經(jīng)取得了長足的進步，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、指標更先進的集成光學(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、互為補充;分立器件和集成光學(xué)器件將長期共存，但趨勢是集成化。

　　現(xiàn)在，集成光學(xué)器件還處于研究開發(fā)階段的初期，集成的規(guī)模、器件的性能、市場的規(guī)模遠不能和微電子器件相比。但作為21世紀光通信網(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。