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 本本文介绍绍了平面面波导技技术及器器件的发发展情况况，并概概要指出出了平面面波导光光器件的的市场前前景和发发展方向向。 关键键词 PPLC、PPolyymerr、InnP、AAWG 1概述述 光波导导是集成成光学重重要的基基础性部部件，它它能将光光波束缚缚在光波波长量级级尺寸的的介质中中，长距距离无辐辐射的传传输。平平面波导导型光器器件，又又称为光光子集成成器件。其其技术核核心是采采用集成成光学工工艺根据据功能要要求制成成各种平平面光波波导，有有的还要要在一定定的位置置上沉积积电极，然然后光波波导再与与光

2、纤或或光纤阵阵列耦合合，是多多类光器器件的研研究热点点。 22技术种种类 按材材料可分分为四种种基本类类型：铌铌酸锂镀镀钛光波波导、硅硅基沉积积二氧化化硅光波波导、IInGaaAsPP/InnP光波波导和聚聚合物（PPolyymerr）光波波导。 LLiNbbO3晶晶体是一一种比较较成熟的的材料，它它有极好好的压电电、电光光和波导导性质。除除了不能能做光源源和探测测器外，适适合制作作光的各各种控制制、耦合合和传输输元件。铌铌酸锂镀镀钛光波波导开发发较早，其其主要工工艺过程程是：首首先在铌铌酸锂基基体上用用蒸发沉沉积或溅溅射沉积积的方法法镀上钛钛膜，然然后进行行光刻，形形成所需需要的光光波导图图

3、形，再再进行扩扩散，可可以采用用外扩散散、内扩扩散、质质子交换换和离子子注入等等方法来来实现。并并沉积上上二氧化化硅保护护层，制制成平面面光波导导。该波波导的损损耗一般般为0.2-00.5ddB/ccm。调调制器和和开关的的驱动电电压一般般为100V左右右；一般般的调制制器带宽宽为几个个GHzz，采用用行波电电极的LLiNbbO3光光波导调调制器，带带宽已达达50GGHz以以上。 硅硅基沉积积二氧化化硅光波波导是220世纪纪90年年代发展展起来的的新技术术，主要要有氮氧氧化硅和和掺锗的的硅材料料，国外外已比较较成熟。其其制造工工艺有：火焰水水解法（FFHD）、化化学气相相淀积法法（CVVD，日

4、日本NEEC公司司开发）、等等离子增增强CVVD法（美美国Luucennt公司司开发）、反反应离子子蚀刻技技术RIIE多孔孔硅氧化化法和熔熔胶凝凝胶法（SSol-gell）。该该波导的的损耗很很小，约约为0.02ddB/ccm。 基基于磷化化铟（IInP）的的InGGaAssP/IInP光光波导的的研究也也比较成成熟，它它可与IInP基基的有源源与无源源光器件件及InnP基微微电子回回路集成成在同一一基片上上，但其其与光纤纤的耦合合损耗较较大。 聚合物物光波导导是近年年来研究究的热点点。该波波导的热热光系数数和电光光系数都都比较大大，很适适合于研研制高速速光波导导开关、AAWG等等。采用用极化

5、聚聚合物作作为工作作物质，其其突出优优点是材材料配置置方便、成成本很低低。同时时由于有有机聚合合物具有有与半导导体相容容的制备备工艺而而使得样样品的制制备非常常简单。聚聚合物通通过外场场极化的的方法可可以获得得高于铌铌酸锂等等无机晶晶体的电电光系数数。德国国HHII公司利利用这种种波导研研制成功功的AWWG在225-665的波长长漂移仅仅为00.055nm。几几乎任何何材料都都可以作作为聚合合物的衬衬底。成成本低廉廉，发展展前景看看好。 此此外，为为了得到到更好的的光波导导性能，许许多研究究机构正正在探索索在新型型材料上上的波导导制造方方法。目目前，有有机无机机混合纳纳米材料料的平面面光波导导

6、已研制制成功，兼兼具有机机与无机机材料的的优点，如如性能稳稳定可靠靠、加工工容易、能能依需求求调控光光学性能能等。由由于新材材料具有有感光特特性，在在制造工工艺上以以显影方方式直接接做出的的导光线线路，将将能进一一步应用用以低成成本的简简单工艺艺，更可可大幅减减少器件件制造商商的设备备投入成成本。 3产品品开发情情况 目前前，光通通信应用用最多的的平面光光波导器器件主要要包括有有：各类类光耦合合器（CCoupplerr、Spplittterr）、平平面波导导阵列光光栅（AAWG）、iinteerleeaveer、大大端口数数矩阵光光开关(Swiitchh)、阵阵列型可可变光衰衰减器（VVOA）

7、、可可调谐光光滤波器器(OTTF)、EEDWAA及可调调谐增益益均衡器器等。 （1）光光耦合器器 硅基SSiO22光波导导技术制制作的11N 分支光光功率分分配器（SSpliitteer）是是平面波波导结构构的一种种基本应应用，它它具有传传统光纤纤耦合器器所无法法相比的的小尺寸寸与高集集成度，而而且带宽宽宽、通通道均匀匀性好。日日本NHHK推出出的1 x NN (NN = 4,88,166,322)系列列 波导耦耦合器（图图1、图图2）具具有均匀匀性好（2.22dB,N=332）,PDLL指标低低(00.3ddB,NN=322、166)的特特点，分分别可用用于12260-13660和11480

8、0-15580波波段。而而Nx N (N = 4、88、166)星型型耦合器器的耦合合比可实实现200% 到到 800%.的的定制。 法法国光子子集成公公司Teeem在在20003初推推出的基基于平面面波导技技术的NNx NN 系列列8x(1x22), 16xx(1xx2), 4xx(1xx8), 8xx(1xx4), 2xx(1xx16)等分路路器阵列列，尺寸寸只有770 xx 133 x 5.66 mmm，是FFBT同同类产品品尺寸的的1/110，具具有非常常小的插插损和回回损指标标，并已已经通过过Tellcorrdiaa GRR-12209 和 GGR-112211测试。（2）平面波导阵

9、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/输出光波导阵列、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出自由传播区干涉,并从不同输出波导口输出。目前平面波导型WDM器件有各种实现方案，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）定义出阵列波导及分光元件等，然后在

10、最上层覆以保护层即可完成。AWG的制作材料除SiO2/Si外，InGaAsP/InP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。 首先提出AWG概念的荷兰人在两年前制作出了有别于龙骨型的AWG结构。 4为荷兰微微系统技技术公司司（miikroo syysteemteechnnik）在在TiOO2/AAl2OO3平面面波导上上采用“自自聚焦传传输光栅栅（seelf-foccusssingg Trranssmisssioon GGrattingg）”制制作的垂垂直锥形形波导AAWG，

11、由由于TiiO2和和 All2O33有较高高的折射射率差，其其通道间间隔可以以作的很很窄（典典型值为为0.33 nmm）。 AWGG光波导导的通道道数由最最初的116通道道已发展展到4000个通通道，最最高记录录为NTTT利用用两种类类型的AAWG的的串联连连接法(宽分波波带宽的的前级+窄通道道间隔的的后级)首次实实现了110000个通道道。目前前商用流流行的仍仍以400通道为为主流。 （3）IInteerleeaveer 图为为荷兰TTwennte大大学的研研究人员员在SiiON波波导上采采用非对对称马-择（MMachh- ZZehnnderr）干涉涉仪和环环行共振振腔技术术实现了了 Inn

12、terrleaaverr功能，可可将500 GHHz间隔隔的波长长交错分分离，信信道隔离离度可达达30ddB。（4）大端端口数矩矩阵光开开关(SSwittch) 平面波波导型开开关主要要包含热热光开关关、电光光开关和和全内反反射型开开关。 热热光开关关是利用用硅波导导的热感感应折射射率变化化制作的的，其MMZ腔腔由二个个3dBB耦合器器和二个个波导臂臂组成的的，其中中一臂上上加有热热光相移移薄膜加加热器。通通过受热热和非受受热实现现开关功功能。 电电光开关关与热光光开关的的波导结结构相似似，但采采用电折折变效应应来实现现对波导导臂的光光程差调调制。由由于Sii材料为为中心反反演对称称结构，泡泡

13、克尔效效应极弱弱，电光光系数很很小，因因此难以以利用场场致折变变效应，只只能利用用Si材材料中的的等离子子色散效效应，于于是Sii波导层层中需要要制备pp-n结结，以实实现高浓浓度载流流子的注注入。IInGaaAsPP/InnP材料料有较强强的泡克克尔效应应和较大大的电光光系数而而成为该该类开关关的研究究热点。 全全内反射射型开关关又叫气气泡开关关，利用用了热毛毛细现象象。是在在波导的的交叉点点上垂直直形成窄窄矩形槽槽，槽内内封入少少量折射射率匹配配油，薄薄膜金属属加热器器淀积在在槽的端端上，通通过加热热使槽内内的油产产生气泡泡以改变变波导交交叉点的的折射率率来实现现开关功功能。 日日本NTT

14、T已制制作了116116的热热光开关关和322322的全内内反射型型开关，消消光比可可达500dB以以上。 （5）阵阵列型可可变光衰衰减器（VVOA） 首首先将聚聚合物光光元件产产品通过过严格的的Tellcorrdiaa标准的的Gemmfirre公司司推出的的基于热热光聚合合物波导导的VOOA系列列产品中中有8端端口和116端口口两种，且且8端口口VOAA具有关关断功能能，两者者均尺寸寸小，功功耗低。今今年初，GGemffiree在完成成了对AAvannex位位于苏格格兰Liivinngstton的的平面硅硅波导线线路业务务部门的的收购后后，最近近又传出出完成了了对拥有有有源平平面硅处处理工艺

15、艺-雪崩崩二极管管技术的的NovvaCrrysttalss公司的的收购。这这将使GGemffiree成为全全面掌握握平面波波导技术术的领先先者。 （6）可可调谐光光滤波器器(OTTF) 该该类器件件大多利利用铌酸酸锂良好好的电光光特性，在在单片平平面波导导结构上上实现可可调谐滤滤波功能能。上世世纪末，美美国物理理研究所所在氟化化聚合物物平面波波导上掩掩模形成成布拉格格光栅，成成功地实实现了在在1.555 m波段段11nnm的可可调谐滤滤波，串串音-220 ddB，插插损3.2 ddB。 （7）EEDWAA EDWWA一般般由内嵌嵌制作在在Er33+:YYb3+共掺杂杂玻璃基基片上的的光波导导组

16、成。光光波导结结构能够够将泵浦浦光能量量约束在在截面积积非常小小、长度度较长的的区域内内，只需需使用数数厘米长长高浓度度的掺铒铒增益介介质，就就可以得得到常规规掺铒光光纤几十十倍的单单位长度度光增益益。法国国Teeem光子子公司于于19998年末末首先发发布采用用非刻蚀蚀或沉积积的离子子交换法法，在玻玻璃薄片片而不是是在硅片片上制作作波导，具具有非常常低的偏偏振和损损耗特性性。随后后，美国国Norrthsstarr光子公公司及JJDSUU也采用用了此技技术。丹丹麦NKKT集成成公司推推出的CC带(115288-15562nnm)220dBB高增益益EDWWA，采采用了9980nnm/1100m

17、mW泵源源，可单单片集成成多个放放大器。随随后，TTeemm光子公公司和NNKT集集成公司司同时发发布采用用PECCVD制制造技术术，基于于mullti-souurcee aggreeemennt(MMSA)发展的的4端口口全集成成EDWWA，每每端口可可达100dBmm的输出出。美国国Inpplanne光子子公司也也推出类类似产品品。此外外NKTT公司还还可提供供4及88端口可可以分别别控制的的EDWWA，且且采用的的是非致致冷的9980nnm泵源源，其可可靠性测测试通过过了Teelcoordiia GGR-113122标准。 （8）可可调谐增增益均衡衡器 IBBM苏黎黎士实验验室在SSiO

18、NN波导上上制作非非对称马马-择腔腔，采用用加热一一个波导导臂的方方法可动动态控制制EDFFA光放放大器的的增益，如如图6所所示。采采用7个个这样的的结构级级联，可可实现增增益平坦坦度小于于0.55 dBB。 4主要供应应商及市市场情况况 目前平平面波导导类光器器件的主主要供应应商包括括：美国国Inpplanne、NNeoPPhottoniics、WWaveeguiide、 Avaanexx 、MMoleecullar Nannovaatioon、GGemffiree、Oppticcwavve、LLighhtcoonneect 、Liighttechh、Cyypreess、BBelll Laa

19、bs、LLighhtwaave Miccrossysttemss、JDDSU、WWaveeSpllittter；英国BBookkhamm 、BBNR Eurropee、Teerahherttz ；法国 Teeem、LLET；丹麦NNKT Inttegrratiion；日本SSENKKO（扇扇港）、 NTTT、欧姆姆龙、CCenttrall Gllasss及加拿拿大北电电网络、MMetrroPhhotooniccs等。 据据市场调调研公司司EleectrroniiCasst（美美）在220022年末的的一项市市场分析析报告称称，20010年年前，平平面波导导光器件件的增长长率将会会达到两两位数，而而到20006年年前，将