光器件集成化是光网络发展的必由之路

1、光器件集成化是光网络发展的必由之路 ,作者：上海交通大学物理系光学及光子学研究所陈益新 一、历史的回顾 电子器件的集成化，即微电子和集成电路，在二十世纪为信息 和白动化技术的发展提供了坚实的基础和无限的源泉。毋庸置疑， 光子和光电子器件的集成化将会在新世纪中成为一颗光彩夺目的 技术明珠。本文仅就光网络进一步的发展离不开光器件的集成化为 例略作阐述。 假借集成电路的概念，集成光学发展初期，美籍华裔科学家田 炳耕曾对集成光学归纳了三条定义：光束能限制在光波导中传播； 利用光波导可制成各种光波导器件；将光波导和光波导器件集成起 来可构成有特定功能的集成光路。集成光学在一开始就将光纤通信 和光计算的光

2、网络作为其主要应用目标。在上世纪的七、八十年代, 对各种可能的材料和制造技术进行了广泛和大量的研究， 提出了许 许多多的光波导器件和集成光路系统。几乎所有从光源、光探测器、 光调制器到光开关等一系列光分立体器件，都有对应的集成化光波 导器件的大量研究。集成光学成为当时一个研究热点，这就是集成 光学的第一春。 但是集成光学在光纤通信光网络中的商业应用却比人们预期 的进展要缓慢，研究的热潮渐渐退去。究其原因，不仅一项新技术 的成熟需要时间，不少人以为集成光学能像集成电路发展那样快。 其实集成光学的技术难度和技术的综合性远比集成电路高。 而更主 要的原因还在于光纤通信尚处于初期，仅限于一条光纤传输一

3、个波 长、一个激光器和一个探测器的点到点的传输， 集成光学尚无“用 武之地”。 人们一直在苦苦寻求集成光学在光纤通信中如何实际应用。 二 十世纪的最后十年，随着光纤传输容量的不断攀升，又适逢 DWDM 技术出现的奇缘，使集成光学的本领得以充分施展。从而集成光学 的发展方向更为明确，集成光学的设计和工艺也更趋成熟。 如今，光纤通信已形成了错综复杂的光网络， 一根光纤中传输 数十甚至到数百个波长的光束，每一波长的高速率信号在传输过程 中要发送、合波、分波、均衡、放大、再生、交换、选择和改变路 由，还需要传输信号参数进行实时监控和动态调节等等。传统的分 立光器件无法具备如此繁多的特性和功能， 光器件

4、之间连接和耦合 也将变得难以实现。光器件和光模块的集成化无疑将是新一代光网 络的必由之路。 二、光集成技术的新发展 光集成在其白身发展过程中，由于应用方面提出的各种新要求， 以及光学固有的特点，其概念和内容已有很大的发展和扩充。 由于 光器件功能的多样性，不像集成电路那样可以在同一种材料的基板 上实现各种最佳性能的光器件，因而不仅有同一基板上的单片集成， 也需要不同材料构成的混合集成。单片集成的光子器件现在称为光 子集成回路PIC。 许多光子器件需要电路的驱动和控制，因而发展了光器件和电 子器件的集成，这已成为光集成发展的一个重要方向， 称为光电子 集成回路OEIG 光具有在传输中互不干扰的特

5、性，为了提高信息传输的密度， 集成光路不仅有二维的，也可发展三维的和一维的。光在一定条件 下可以从白由空间进入光波导，这样就可以使集成光路的范畴不只 局限于光波导，形成了白由空间集成光路。 许多光的器件要其参数动态可调、光学的精密对准以及封装， 这些都离不开微型精密的机械装置，将微机械（包括纳米机械）集成 在光学系统中将具有无可取代的地位，近年来出现的光学 MEM域 MOEMS是光集成发展的结果。 不同规模，不同形式的集成光学器件和模块已逐步在光纤通信 中得到实用，如光调制器、可调声光滤波器 （AOTF）等LiNbO3光波 导器件，激光器和电吸收调制器集成的半导体 PIC模块，SiO2/Si

6、为基的阵列波导光栅AW（M功地用于许多波长复用的 DWDM统， 通道数以千计的三维空间的 MOEMS开关，几乎已成为公认最有希 望的OXC勺解决方案。 可以预见在相当长一段时间内，不同材料和不同技术的光集成 将同时共存。根据美国CIR（通信工业者）最近预测，2005年不同材 料的光集成市场份额如表一所列。 目前这种分类和预测不一定很准确，但是从这些数据大致可看 出在未来的几年内光集成器件会有巨大的增长。 其中以磷化铜材料 的光集成器件增长最快，聚合物和二氧化硅/硅的光波导集成器件 也有明显的潜力。 ,三、光集成在光网络中应用的新时期 下面将介绍几类用于光网络中不同材料、不同技术和不同功能 的集

7、成光路器件和模块的新成果，它包括化合物半导体为基的PIC 和OEIC LiNbO3为基的光波导器件和集成模块、SiO2为基的光波 导器件和集成模块、聚合物为基的光波导器件和集成模块、以及二 维或三维集成的MOEMS。 1、化合物半导体为基的 PIC和OEIC 这类集成器件和模块目前较多的研究围绕适合 DWD廉统用的 多波长选择或可调谐的光源激光器，以及为提高传输速率的光电子 集成器件等。在光网络中用作集成化的收发模块。 这类光有源集成 器件在光网络中占有很大比重。 图1是一个单片集成超高速1.55mmOEICS收器。它包含一个 多模波导光电二极管（WGPD）n一个高电子迁移率晶体管（HEMT助

8、 布集成电路放大器，能用一次外延工艺生长在半绝缘的InP基板上 而后通过光刻和刻蚀工艺产生所要求的图形。制成的 OEIC接收器 的3dB带宽为46.5GHz,40Gb/s时接收灵敏度为-22.7dBm,50Gb/s 时的眼图仍能清晰张开。采用 WGPDA分布放大器的设计，理论上 的3dB带宽可达100GHz 2、LiNbO3为基的光波导器件和集成模块 LinbO3光波导器件的研究是继续提高LiNbO3光调制器的工作 速率以及开拓其它应用的器件和集成模块如 Ti:Er:LiNbO3激光器、 掺Er光波导放大器和LiNbO3光波导开关等。 图2是一类新发展的Ti:LiNbO3数字光开关（DOS）的

9、结构和截 面图。这种光开关的特点是对光的波长、偏振、折射率、温度和其 他物理参数的影响不敏感。通过优化设计，目前其性能的典型值为： 开关电压9v,串话大于45dB,光纤到光纤的插入损耗小于 4dB, 波长覆盖带宽1520 1570nm 3、SiO2为基的光波导器件和集成模块 SiO2基的AW（B了进一步改善其串话、偏振和温度特性外， 超窄间隙（如小于1GHz超密集（如1080通道和25GHz）的AWGt 了新的突破。值得注意的是多功能集成的平面光路 （PLC）如： AWG+VO/AWG日光波导开关构成的OADMX及有源和无源光波导器 件的混合集成PLC莫块如AWG+放大、光发送器、光接收器和光

10、 监控器等都有新的进展。 图3表示一个25GHzffi道间隙、能覆盖S、C和L波段、具有 1080通道的低损耗AW破分复用器，它由一个2.5THz高斯通带的 AWG一级滤波器和十个25GHzffi道间隙的1X200AWG1级滤波器 串接级联而成。图4为该器件的传输波谱。 4、聚合物为基的光波导器件和集成模块 由于高分子聚合物材料具有许多优异性能，适合于大批量生产, 成本低廉。近年来对高聚物光纤和光器件的研究取得显著成效， 开 始部分商品化。这为高聚物集成光路的发展提供了良好的基础。 应 用的材料有热塑性、热固性或光固性的，供成型用的原始材料可以 是高聚物、溶解的低聚物或液态的单聚体。制成的光波

11、导尺寸范围 可从亚微米到数百微米。其传输损耗的典型值是 840nm波长下 0.01dB/cm , 1550nm波长下0.1dB/cm。制成的光器件可以是无源的， 也可以是有源的，包括各种耦合器、滤波器、路由器、光开关、光 调制器和局聚物PLC等。 图5是一种用于ATM-PO棒统的混合集成光收发模块的照片， 它采用高聚物PLC芯片和MM晒短接线。这种结构使接收器与发送 器中间有良好的电和光的隔离，重复性能好，价格便宜，在光接入 网中用于双向宽带多媒体服务系统很有竞争力。 5、二维或三维集成的 MOEMS 在短短的过去几年中，微光机电系统（MOEMS）经从实验室的 珍品逐步地，开始应用于光通信网络

12、的试验系统。这是因为 MOEMS 已充分显示了优良的光学质量和坚固可靠， 能快速调制和开关，大 量生产后成本低廉。用此技术平台已成功地制成了可调激光器和可 调滤波器、动态增益均衡器、色散补偿器、波长插分复用器以及偏 振控制器等。特别是对大量通道光交换的解决方案，目前除了应用 MOEMS术外，尚无其它选择。 图6表示一个应用2-DMEMSF关矩阵和可调激光器所构成的 “用户可构” (clientconfigurable) 波长插分复用(WAD嶙统。用 户可以插入和分出任意一个通道(波长)进入光网络结点中的任意 一个插入或分出端口。该系统具有四端结构，矩阵开关将解复用的 输入通道、插入端口、分出端口和输出通道相连接。 插入端采用可 调激光器选择需要插入的波长。MEM微镜的两面可同时用于插入 和分出的光束，这样的操作对所有的输入波长都可以独立进行， 因 而提供了光网络的“用户可构性”，从而大大提高光网络的易管理 性和灵活性。 采用上述设计方案的8通道WAD赚统已由实