平面波导技术及器件发展动态

1、平面波导技术及器件发展动态2004-08-22 吴国锋中国电子科技集团第 34 研究所 摘要本文介绍了平面波导技术及器件的发展情况， 并概要指出了平面波导光器件的市场前景和发展 方向。关键词 PLC、Polymer 、InP 、AWG1 概述光波导是集成光学重要的基础性部件， 它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中， 长距离无辐 射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求 制成各种平面光波导，有的还要在一定的位置上沉积电极，然后光波导再与光纤或光纤阵列耦合，是 多类光器件的研究热点。2 技术种类按材料可分为四种基本类型： 铌酸锂镀钛光波导、 硅基沉

2、积二氧化硅光波导、 InGaAsP/InP 光波 导和聚合物（ Polymer ）光波导。LiNbO3 晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探 测器外， 适合制作光的各种控制、 耦合和传输元件。 铌酸锂镀钛光波导开发较早， 其主要工艺过程是： 首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜， 然后进行光刻， 形成所需要的光波导图 形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。并沉积上二氧化硅 保护层，制成平面光波导。 该波导的损耗一般为 0.2-0.5dB/cm 。调制器和开关的驱动电压一般为 10V 左右；一般的调制器带宽

3、为几个 GHz ，采用行波电极的 LiNbO3 光波导调制器，带宽已达 50GHz 以 上。硅基沉积二氧化硅光波导是 20 世纪 90 年代发展起来的新技术，主要有氮氧化硅和掺锗的硅材 料，国外已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（ FHD ）、化学气相淀积法（ CVD ，日本 NEC 公 司开发）、等离子增强 CVD 法（美国 Lucent 公司开发）、反应离子蚀刻技术 RIE 多孔硅氧化法和 熔胶凝胶法（ Sol-gel ）。该波导的损耗很小，约为 0.02dB/cm 。基于磷化铟（InP）的InGaASP/InP光波导的研究也比较成熟，它可与 InP基的有源与无源光器 件及 InP 基微

4、电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。聚合物光波导是近年来研究的热点。 该波导的热光系数和电光系数都比较大， 很适合于研制高速 光波导开关、 AWG 等。采用极化聚合物作为工作物质，其突出优点是材料配置方便、成本很低。同聚合物通过外场极化的时由于有机聚合物具有与半导体相容的制备工艺而使得样品的制备非常简单。方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。德国HHl公司利用这种波导研制成功的 AWG在25-65 C的波长漂移仅为士0.05nm。几乎任何材料都可以作为聚合物的衬底。成本低廉，发展前景看好。此外，为了得到更好的光波导性能，许多研究机构正在探索在新型材料上的波导制造方法。目前

5、，有机无机混合纳米材料的平面光波导已研制成功，兼具有机与无机材料的优点，如性能稳定可靠、加 工容易、能依需求调控光学性能等。由于新材料具有感光特性，在制造工艺上以显影方式直接做出的 导光线路，将能进一步应用以低成本的简单工艺，更可大幅减少器件制造商的设备投入成本。3产品开发情况目前，光通信应用最多的平面光波导器件主要包括有：各类光耦合器( Coupler、SPlitter )、 平面波导阵列光栅(AWG )、interleaver、大端口数矩阵光开关(SWitCh)、阵列型可变光衰减器(VoA )、 可调谐光滤波器(OTF)、EDWA及可调谐增益均衡器等。(1) 光耦合器硅基SiO2光波导技术

6、制作的1 XN分支光功率分配器(SPIitter )是平面波导结构的一种基本应 用，它具有传统光纤耦合器所无法相比的小尺寸与高集成度，而且带宽宽、通道均匀性好。日本NHK推岀的 IXN(N=4,8,16,32)系列图 11x32 SPlltter Deviceffi 2 16x16 CclUPlerArrav波导耦合器(图1、图2)具有均匀性好(£2.2dB,N=32DL指标低(£ 0.3dB,N=3216)、的特点，分别可用于1260-1360和1480-1580波段。而NXN(N=4、8、16)星型耦合器的耦合比可实 现20%到80%.的定制。法国光子集成公司Teem在

7、2003初推岀的基于平面波导技术的NXN系列8x(1x2),16x(1x2),4x(1x8),8x(1x4),2x(1x16)等分路器阵列，尺寸只有 70x13x5.6mm ,是 FBT 同类 产品尺寸的1/10 ,具有非常小的插损和回损指标， 并已经通过TeICordiaGR-1209 和GR-1221测试(2) 平面波导阵列光栅(AWG )阵列波导光栅是基于干涉原理形成的波分复用器件，其基本结构由3部分组成：输入/输岀光波导阵列、自由传播区平板波导和弯曲波导阵列。弯曲波导之间有固定光程差，使得不同波长的光信号在输岀自由传播区干涉，并从不同输岀波导口输岀。目前平面波导型WDM器件有各种实现方

8、案，其中比较典型的称为龙骨型的平面波导AWG器件最为普遍，如图3所示。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产，但带内频响尚不够平坦。AWG是第一个将平面波导技术应用于商品化的元件。其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层，再利用微影制程(Photolithography )及反应式离子蚀刻法(RIE)定义岀阵列波导及分光元件等，然后在最上层覆以保护层即可完成。 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与 InP基有源与无源光子器件 及InP基微电子回路集成在同一基片上。首先提岀AWG概念的

9、荷兰人在两年前制作岀了有别于龙骨型的AWG结构图 3 AWJ4为荷兰微系统技术公司(mikrosystemtechnik)在TiO2Al2O3平面波导上采用"自聚焦传输光栅(self-focussingTransmissionGrating)” 制作的垂直锥形波导 AWG ,由于 TiO2 和 Al2O3 有较高的折射率差，其通道间隔可以作的很窄(典型值为0.3nm )SlBPoFI BubslratDPtartf«( WaMitgvide-focii9ng grstigCUIPUt flbr4iIA pl*ma½hAdgrocv«»InPUl

10、 brcIn PIMmI>tddSiol I M jO. I SiOJ pi*nar WaVUQUIde图4垂直锥形波导A即AWG光波导的通道数由最初的16通道已发展到400个通道，最高记录为NTT利用两种类型的AWG的串联连接法(宽分波带宽的前级+窄通道间隔的后级)首次实现了 1000个通道。目前商用流行 的仍以40通道为主流。(3) Interleaver图为荷兰TWente大学的研究人员在SiON波导上采用非对称马-择(MaCh-Zehnder )干涉仪 和环行共振腔技术实现了 Interleaver功能，可将50GHz间隔的波长交错分离，信道隔离度可达 30dB。(4) 大端口数

11、矩阵光开关(SWitCh)平面波导型开关主要包含热光开关、电光开关和全内反射型开关。热光开关是利用硅波导的热感应折射率变化制作的，其M - Z腔由二个3dB耦合器和二个波导臂组成的，其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。通过受热和非受热实现开关功能电光开关与热光开关的波导结构相似，但采用电折变效应来实现对波导臂的光程差调制。由于Si 材料为中心反演对称结构，泡克尔效应极弱，电光系数很小，因此难以利用场致折变效应，只能利 用 Si 材料中的等离子色散效应，于是 Si 波导层中需要制备 p-n 结，以实现高浓度载流子的注入。 InGaAsP/InP 材料有较强的泡克尔效应和较大的电光系数而成为该类开关

12、的研究热点。全内反射型开关又叫气泡开关，利用了热毛细现象。是在波导的交叉点上垂直形成窄矩形槽，槽 内封入少量折射率匹配油， 薄膜金属加热器淀积在槽的端上， 通过加热使槽内的油产生气泡以改变波 导交叉点的折射率来实现开关功能。日本NTT已制作了 16 ' 1的热光开关和32 ' 3的全内反射型开关，消光比可达 50dB以上。（5）阵列型可变光衰减器（ VOA ）首先将聚合物光元件产品通过严格的 Telcordia 标准的 Gemfire 公司推出的基于热光聚合物波导 的 VOA 系列产品中有 8 端口和 16 端口两种，且 8 端口 VOA 具有关断功能，两者均尺寸小，功耗 低。

13、今年初， Gemfire 在完成了对 Avanex 位于苏格兰 Livingston 的平面硅波导线路业务部门的收 购后，最近又传出完成了对拥有有源平面硅处理工艺 - 雪崩二极管技术的 NovaCrystals 公司的收购。 这将使 Gemfire 成为全面掌握平面波导技术的领先者。（6）可调谐光滤波器 （OTF）该类器件大多利用铌酸锂良好的电光特性， 在单片平面波导结构上实现可调谐滤波功能。 上世纪 末，美国物理研究所在氟化聚合物平面波导上掩模形成布拉格光栅，成功地实现了在1.55 m波段11nm 的可调谐滤波，串音 -20dB ，插损 3.2dB 。（7）EDWAEDWA 一般由内嵌制作在

14、 Er3+:Yb3+ 共掺杂玻璃基片上的光波导组成。光波导结构能够将泵浦 光能量约束在截面积非常小、长度较长的区域内，只需使用数厘米长高浓度的掺铒增益介质，就可以 得到常规掺铒光纤几十倍的单位长度光增益。 法国 Teem 光子公司于 1998 年末首先发布采用非刻蚀 或沉积的离子交换法，在玻璃薄片而不是在硅片上制作波导，具有非常低的偏振和损耗特性。随后， 美国 Northstar 光子公司及 JDSU 也采用了此技术。丹麦 NKT 集成公司推出的 C 带 (1528-1562nm)20dB 高增益EDWA ,采用了 980nm100mW泵源，可单片集成多个放大器。随后，Teem光子公司和NKT

15、集成公司同时发布采用 PECVD制造技术，基于multi-sourceagreement(MSA) 发展的4端口全集成 EDWA ,每端口可达10dBm 的输岀。美国Inplane光子公司也推岀类似产品。此外 NKT公司还可提供4及8端口可以分别控制的 EDWA ,且 采用的是非致冷的980nm 泵源，其可靠性测试通过了 TelcordiaGR-1312 标准。(8) 可调谐增益均衡器IBM苏黎士实验室在SiON波导上制作非对称马-择腔，采用加热一个波导臂的方法可动态控制EDFA光放大器的增益，如图6所示。采用7个这样的结构级联，可实现增益平坦度小于0.5dB4主要供应商及市场情况目前平面波导

16、类光器件的主要供应商包括：美国Inplane、NeoPhotonics 、WaVegUide、AVaneX 、 MolecularNanoVation 、 Gemfire 、 OPtiCWaVe 、 LightConnect 、 LighteCh 、 CyPreSS 、 BellLabs、LightWaVeMiCrOSyStemS 、JDSU、WaVeSPIitter ；英国 Bookham、BNREUrOPe、 TerahertZ ；法国 Teem、LET；丹麦 NKTIntegration ；日本 SENKO (扇港)、NTT、欧姆龙、CentralGlass 及加拿大北电网络、MetrO

17、PhOt onics 等。据市场调研公司EIeCtrOniCast (美)在2002年末的一项市场分析报告称，2010年前，平面波 导光器件的增长率将会达到两位数， 而到2006年前，将持续30多个百分点之高的增长率。2001年 市场总额为1.73亿美元，到2011年，该市场总额将会超过42亿美元。此外，CIR (美)及RHK (美) 的市场调研报告均对平面波导光器件的市场前景充满信心。5结语建立在平面光波导(PlanarLightwaveCircuit,PLC )技术之上的光器件，具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点。目前，集成光学元件已在通信、军事、电力、天文、