平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)

1、平面波導(dǎo)導(dǎo)技術(shù)及及器件發(fā)發(fā)展動態(tài)態(tài)20044-088-222 吳國國鋒 中中國電子子科技集集團第334研究究所摘要 本文介介紹了平平面波導(dǎo)導(dǎo)技術(shù)及及器件的的發(fā)展情情況，并并概要指指出了平平面波導(dǎo)導(dǎo)光器件件的市場場前景和和發(fā)展方方向。 關(guān)關(guān)鍵詞 PLCC、Poolymmer、InPP、AWWG 11概述 光光波導(dǎo)是是集成光光學重要要的基礎(chǔ)礎(chǔ)性部件件，它能能將光波波束縛在在光波長長量級尺尺寸的介介質(zhì)中，長距離離無輻射射的傳輸輸。平面面波導(dǎo)型型光器件件，又稱稱為光子子集成器器件。其其技術(shù)核核心是采采用集成成光學工工藝根據(jù)據(jù)功能要要求制成成各種平平面光波波導(dǎo)，有有的還要要在一定定的位置置上沉積積電極，

2、然后光光波導(dǎo)再再與光纖纖或光纖纖陣列耦耦合，是是多類光光器件的的研究熱熱點。 2技術(shù)術(shù)種類 按按材料可可分為四四種基本本類型：鈮酸鋰鋰鍍鈦光光波導(dǎo)、硅基沉沉積二氧氧化硅光光波導(dǎo)、InGGaAssP/IInP光光波導(dǎo)和和聚合物物（Poolymmer）光波導(dǎo)導(dǎo)。 LiiNbOO3晶體體是一種種比較成成熟的材材料，它它有極好好的壓電電、電光光和波導(dǎo)導(dǎo)性質(zhì)。除了不不能做光光源和探探測器外外，適合合制作光光的各種種控制、耦合和和傳輸元元件。鈮鈮酸鋰鍍鍍鈦光波波導(dǎo)開發(fā)發(fā)較早，其主要要工藝過過程是：首先在在鈮酸鋰鋰基體上上用蒸發(fā)發(fā)沉積或或濺射沉沉積的方方法鍍上上鈦膜，然后進進行光刻刻，形成成所需要要的光波波

3、導(dǎo)圖形形，再進進行擴散散，可以以采用外外擴散、內(nèi)擴散散、質(zhì)子子交換和和離子注注入等方方法來實實現(xiàn)。并并沉積上上二氧化化硅保護護層，制制成平面面光波導(dǎo)導(dǎo)。該波波導(dǎo)的損損耗一般般為0.2-00.5ddB/ccm。調(diào)調(diào)制器和和開關(guān)的的驅(qū)動電電壓一般般為100V左右右；一般般的調(diào)制制器帶寬寬為幾個個GHzz，采用用行波電電極的LLiNbbO3光光波導(dǎo)調(diào)調(diào)制器，帶寬已已達500GHzz以上。 硅基沉沉積二氧氧化硅光光波導(dǎo)是是20世世紀900年代發(fā)發(fā)展起來來的新技技術(shù)，主主要有氮氮氧化硅硅和摻鍺鍺的硅材材料，國國外已比比較成熟熟。其制制造工藝藝有：火火焰水解解法（FFHD）、化學學氣相淀淀積法（CVDD，

4、日本本NECC公司開開發(fā)）、等離子子增強CCVD法法（美國國Luccentt公司開開發(fā)）、反應(yīng)離離子蝕刻刻技術(shù)RRIE多多孔硅氧氧化法和和熔膠凝膠法法（Sool-ggel）。該波波導(dǎo)的損損耗很小小，約為為0.002dBB/cmm。 基于于磷化銦銦（InnP）的的InGGaAssP/IInP光光波導(dǎo)的的研究也也比較成成熟，它它可與IInP基基的有源源與無源源光器件件及InnP基微微電子回回路集成成在同一一基片上上，但其其與光纖纖的耦合合損耗較較大。 聚合物物光波導(dǎo)導(dǎo)是近年年來研究究的熱點點。該波波導(dǎo)的熱熱光系數(shù)數(shù)和電光光系數(shù)都都比較大大，很適適合于研研制高速速光波導(dǎo)導(dǎo)開關(guān)、AWGG等。采采用極化

5、化聚合物物作為工工作物質(zhì)質(zhì)，其突突出優(yōu)點點是材料料配置方方便、成成本很低低。同時時由于有有機聚合合物具有有與半導(dǎo)導(dǎo)體相容容的制備備工藝而而使得樣樣品的制制備非常常簡單。聚合物物通過外外場極化化的方法法可以獲獲得高于于鈮酸鋰鋰等無機機晶體的的電光系系數(shù)。德德國HHHI公司司利用這這種波導(dǎo)導(dǎo)研制成成功的AAWG在在25-65的波長長漂移僅僅為00.055nm。幾乎任任何材料料都可以以作為聚聚合物的的襯底。成本低低廉，發(fā)發(fā)展前景景看好。 此外，為了得得到更好好的光波波導(dǎo)性能能，許多多研究機機構(gòu)正在在探索在在新型材材料上的的波導(dǎo)制制造方法法。目前前，有機機無機混混合納米米材料的的平面光光波導(dǎo)已已研制成

6、成功，兼兼具有機機與無機機材料的的優(yōu)點，如性能能穩(wěn)定可可靠、加加工容易易、能依依需求調(diào)調(diào)控光學學性能等等。由于于新材料料具有感感光特性性，在制制造工藝藝上以顯顯影方式式直接做做出的導(dǎo)導(dǎo)光線路路，將能能進一步步應(yīng)用以以低成本本的簡單單工藝，更可大大幅減少少器件制制造商的的設(shè)備投投入成本本。 33產(chǎn)品開開發(fā)情況況 目前，光通信信應(yīng)用最最多的平平面光波波導(dǎo)器件件主要包包括有：各類光光耦合器器（Cooupller、Spllittter）、平面面波導(dǎo)陣陣列光柵柵（AWWG）、intterlleavver、大端口口數(shù)矩陣陣光開關(guān)關(guān)(Swwitcch)、陣列型型可變光光衰減器器（VOOA）、可調(diào)諧諧光濾波波

7、器(OOTF)、EDDWA及及可調(diào)諧諧增益均均衡器等等。 （1）光光耦合器器 硅基SSiO22光波導(dǎo)導(dǎo)技術(shù)制制作的11N 分支光光功率分分配器（Spllittter）是平面面波導(dǎo)結(jié)結(jié)構(gòu)的一一種基本本應(yīng)用，它具有有傳統(tǒng)光光纖耦合合器所無無法相比比的小尺尺寸與高高集成度度，而且且?guī)拰拰挕⑼ǖ赖谰鶆蛐孕院?。日日本NHHK推出出的1 x NN (NN = 4,88,166,322)系列列 波導(dǎo)導(dǎo)耦合器器（圖11、圖22）具有有均勻性性好（2.22dB,N=332）,PDLL指標低低(00.3ddB,NN=322、166)的特特點，分分別可用用于12260-13660和114800-15580波波段。

8、而而Nx N (N = 4、8、116)星星型耦合合器的耦耦合比可可實現(xiàn)220% 到 880%.的定制制。 法國國光子集集成公司司Teeem在220033初推出出的基于于平面波波導(dǎo)技術(shù)術(shù)的Nxx N 系列88x(11x2), 116x(1x22), 4x(1x88), 8x(1x44), 2x(1x116)等等分路器器陣列，尺寸只只有700 x 13 x 55.6 mm，是FBBT同類類產(chǎn)品尺尺寸的11/100，具有有非常小小的插損損和回損損指標，并已經(jīng)經(jīng)通過TTelccorddia GR-12009 和和 GRR-12221測測試。（2）平平面波導(dǎo)導(dǎo)陣列光光柵（AAWG） 陣列波波導(dǎo)光柵柵是

9、基于于干涉原原理形成成的波分分復(fù)用器器件，其其基本結(jié)結(jié)構(gòu)由33部分組組成：輸輸入/輸輸出光波波導(dǎo)陣列列、自由由傳播區(qū)區(qū)平板波波導(dǎo)和彎彎曲波導(dǎo)導(dǎo)陣列。彎曲波波導(dǎo)之間間有固定定光程差差,使得得不同波波長的光光信號在在輸出自自由傳播播區(qū)干涉涉,并從從不同輸輸出波導(dǎo)導(dǎo)口輸出出。目前前平面波波導(dǎo)型WWDM器器件有各各種實現(xiàn)現(xiàn)方案，其中比比較典型型的稱為為龍骨型型的平面面波導(dǎo)AAWG器器件最為為普遍，如圖33所示。該類器器件通路路數(shù)大、緊湊、易于批批量生產(chǎn)產(chǎn)，但帶帶內(nèi)頻響響尚不夠夠平坦。 AWGG是第一一個將平平面波導(dǎo)導(dǎo)技術(shù)應(yīng)應(yīng)用于商商品化的的元件。其做法法為在硅硅晶圓上上沉積二二氧化硅硅膜層，再利用用微

10、影制制程（PPhottoliithoograaphyy）及反反應(yīng)式離離子蝕刻刻法（RRIE）定義出出陣列波波導(dǎo)及分分光元件件等，然然后在最最上層覆覆以保護護層即可可完成。AWGG的制作作材料除除SiOO2/SSi外，InGGaAssP/IInP和和Pollymeer/SSi也常常被采用用。InnGaAAsP/InPP系的AAWG被被看好的的原因在在于它尺尺寸小并并能與IInP基基有源與與無源光光子器件件及InnP基微微電子回回路集成成在同一一基片上上。 首先先提出AAWG概概念的荷荷蘭人在在兩年前前制作出出了有別別于龍骨骨型的AAWG結(jié)結(jié)構(gòu)。 4為荷蘭蘭微系統(tǒng)統(tǒng)技術(shù)公公司（mmikrro ss

11、ysttemttechhnikk）在TTiO22/All2O33平面波波導(dǎo)上采采用“自自聚焦傳傳輸光柵柵（seelf-foccusssingg Trranssmisssioon GGrattingg）”制制作的垂垂直錐形形波導(dǎo)AAWG，由于TTiO22和 AAl2OO3有較較高的折折射率差差，其通通道間隔隔可以作作的很窄窄（典型型值為00.3 nm）。 AWWG光波波導(dǎo)的通通道數(shù)由由最初的的16通通道已發(fā)發(fā)展到4400個個通道，最高記記錄為NNTT利利用兩種種類型的的AWGG的串聯(lián)聯(lián)連接法法(寬分分波帶寬寬的前級級+窄通通道間隔隔的后級級)首次次實現(xiàn)了了10000個通通道。目目前商用用流行的的

12、仍以440通道道為主流流。 （3）IInteerleeaveer 圖為為荷蘭TTwennte大大學的研研究人員員在SiiON波波導(dǎo)上采采用非對對稱馬-擇（MMachh- ZZehnnderr）干涉涉儀和環(huán)環(huán)行共振振腔技術(shù)術(shù)實現(xiàn)了了 Innterrleaaverr功能，可將550 GGHz間間隔的波波長交錯錯分離，信道隔隔離度可可達300dB。（4）大大端口數(shù)數(shù)矩陣光光開關(guān)(Swiitchh) 平面面波導(dǎo)型型開關(guān)主主要包含含熱光開開關(guān)、電電光開關(guān)關(guān)和全內(nèi)內(nèi)反射型型開關(guān)。 熱光開開關(guān)是利利用硅波波導(dǎo)的熱熱感應(yīng)折折射率變變化制作作的，其其MZZ腔由二二個3ddB耦合合器和二二個波導(dǎo)導(dǎo)臂組成成的，其其

13、中一臂臂上加有有熱光相相移薄膜膜加熱器器。通過過受熱和和非受熱熱實現(xiàn)開開關(guān)功能能。 電光光開關(guān)與與熱光開開關(guān)的波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)相似，但采用用電折變變效應(yīng)來來實現(xiàn)對對波導(dǎo)臂臂的光程程差調(diào)制制。由于于Si材材料為中中心反演演對稱結(jié)結(jié)構(gòu)，泡泡克爾效效應(yīng)極弱弱，電光光系數(shù)很很小，因因此難以以利用場場致折變變效應(yīng)，只能利利用Sii材料中中的等離離子色散散效應(yīng)，于是SSi波導(dǎo)導(dǎo)層中需需要制備備p-nn結(jié)，以以實現(xiàn)高高濃度載載流子的的注入。InGGaAssP/IInP材材料有較較強的泡泡克爾效效應(yīng)和較較大的電電光系數(shù)數(shù)而成為為該類開開關(guān)的研研究熱點點。 全內(nèi)內(nèi)反射型型開關(guān)又又叫氣泡泡開關(guān)，利用了了熱毛細細現(xiàn)象。

14、是在波波導(dǎo)的交交叉點上上垂直形形成窄矩矩形槽，槽內(nèi)封封入少量量折射率率匹配油油，薄膜膜金屬加加熱器淀淀積在槽槽的端上上，通過過加熱使使槽內(nèi)的的油產(chǎn)生生氣泡以以改變波波導(dǎo)交叉叉點的折折射率來來實現(xiàn)開開關(guān)功能能。 日本本NTTT已制作作了166166的熱光光開關(guān)和和3232的的全內(nèi)反反射型開開關(guān)，消消光比可可達500dB以以上。 （5）陣列型型可變光光衰減器器（VOOA） 首首先將聚聚合物光光元件產(chǎn)產(chǎn)品通過過嚴格的的Tellcorrdiaa標準的的Gemmfirre公司司推出的的基于熱熱光聚合合物波導(dǎo)導(dǎo)的VOOA系列列產(chǎn)品中中有8端端口和116端口口兩種，且8端端口VOOA具有有關(guān)斷功功能，兩兩者

15、均尺尺寸小，功耗低低。今年年初，GGemffiree在完成成了對AAvannex位位于蘇格格蘭Liivinngstton的的平面硅硅波導(dǎo)線線路業(yè)務(wù)務(wù)部門的的收購后后，最近近又傳出出完成了了對擁有有有源平平面硅處處理工藝藝-雪崩崩二極管管技術(shù)的的NovvaCrrysttalss公司的的收購。這將使使Gemmfirre成為為全面掌掌握平面面波導(dǎo)技技術(shù)的領(lǐng)領(lǐng)先者。 （66）可調(diào)調(diào)諧光濾濾波器(OTFF) 該類類器件大大多利用用鈮酸鋰鋰良好的的電光特特性，在在單片平平面波導(dǎo)導(dǎo)結(jié)構(gòu)上上實現(xiàn)可可調(diào)諧濾濾波功能能。上世世紀末，美國物物理研究究所在氟氟化聚合合物平面面波導(dǎo)上上掩模形形成布拉拉格光柵柵，成功功地

16、實現(xiàn)現(xiàn)了在11.555 mm波段111nmm的可調(diào)調(diào)諧濾波波，串音音-200 dBB，插損損3.22 dBB。 （7）EEDWAA EDWWA一般般由內(nèi)嵌嵌制作在在Er33+:YYb3+共摻雜雜玻璃基基片上的的光波導(dǎo)導(dǎo)組成。光波導(dǎo)導(dǎo)結(jié)構(gòu)能能夠?qū)⒈帽闷止饽苣芰考s束束在截面面積非常常小、長長度較長長的區(qū)域域內(nèi)，只只需使用用數(shù)厘米米長高濃濃度的摻摻鉺增益益介質(zhì)，就可以以得到常常規(guī)摻鉺鉺光纖幾幾十倍的的單位長長度光增增益。法法國Teeem光光子公司司于19998年年末首先先發(fā)布采采用非刻刻蝕或沉沉積的離離子交換換法，在在玻璃薄薄片而不不是在硅硅片上制制作波導(dǎo)導(dǎo)，具有有非常低低的偏振振和損耗耗特性。隨后

17、，美國NNortthsttar光光子公司司及JDDSU也也采用了了此技術(shù)術(shù)。丹麥麥NKTT集成公公司推出出的C帶帶(15528-15662nmm)200dB高高增益EEDWAA，采用用了9880nmm/1000mWW泵源，可單片片集成多多個放大大器。隨隨后，TTeemm光子公公司和NNKT集集成公司司同時發(fā)發(fā)布采用用PECCVD制制造技術(shù)術(shù)，基于于mullti-souurcee aggreeemennt(MMSA)發(fā)展的的4端口口全集成成EDWWA，每每端口可可達100dBmm的輸出出。美國國Inpplanne光子子公司也也推出類類似產(chǎn)品品。此外外NKTT公司還還可提供供4及88端口可可以分別

18、別控制的的EDWWA，且且采用的的是非致致冷的9980nnm泵源源，其可可靠性測測試通過過了Teelcoordiia GGR-113122標準。 （88）可調(diào)調(diào)諧增益益均衡器器 IBMM蘇黎士士實驗室室在SiiON波波導(dǎo)上制制作非對對稱馬-擇腔，采用加加熱一個個波導(dǎo)臂臂的方法法可動態(tài)態(tài)控制EEDFAA光放大大器的增增益，如如圖6所所示。采采用7個個這樣的的結(jié)構(gòu)級級聯(lián)，可可實現(xiàn)增增益平坦坦度小于于0.55 dBB。 4主要供供應(yīng)商及及市場情情況 目前前平面波波導(dǎo)類光光器件的的主要供供應(yīng)商包包括：美美國Innplaane、NeooPhootonnicss、Waavegguidde、 Avaanex

19、x 、MMoleecullar Nannovaatioon、GGemffiree、Oppticcwavve、LLighhtcoonneect 、Liighttechh、Cyypreess、Belll LLabss、Liighttwavve MMicrrosyysteems、JDSSU、WWaveeSpllittter；英國BBookkhamm 、BBNR Eurropee、Teerahherttz ；法國 Teeem、LLET；丹麥NNKT Inttegrratiion；日本SSENKKO（扇扇港）、 NTTT、歐歐姆龍、Cenntraal GGlasss及加加拿大北北電網(wǎng)絡(luò)絡(luò)、MeetrooPhootonnicss等。 據(jù)據(jù)市場調(diào)調(diào)研公司司EleectrroniiCasst（美美）在220022年末的的一項市市場分析析報告稱稱，20010年年前，平平面波導(dǎo)導(dǎo)光器件件的增長長率將會會達到兩兩位