平面波导技术及器件发展动态

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、AWG

1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

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。聚合物通过外场极化的方法可以获得高于铌酸锂等无机晶体的电光系数。德国HHI公司利用这种波导研制成功的AWG在25-65℃的波长漂移仅为±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，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光波导技术制作的1×N分支光功率分配器（Splitter）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 推出的1xN(N=4,8,16,32)系列

波导耦合器（图1、图2）具有均匀性好（£2.2dB,N=32）,PDL指标低(£0.3dB,N=32、16)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2003初推出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TelcordiaGR-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为荷兰微系统技术公司（mikrosystemtechnik）在TiO2/Al2O3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）。

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。