平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)

1、平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)2004-08-22 吳國鋒 中國電子科技集團(tuán)第34研究所摘要 本本文介紹紹了平面面波導(dǎo)技技術(shù)及器器件的發(fā)發(fā)展情況況，并概概要指出出了平面面波導(dǎo)光光器件的的市場前前景和發(fā)發(fā)展方向向。 關(guān)鍵鍵詞 PPLC、PPolyymerr、InnP、AAWG 1概述述 光波導(dǎo)導(dǎo)是集成成光學(xué)重重要的基基礎(chǔ)性部部件，它它能將光光波束縛縛在光波波長量級級尺寸的的介質(zhì)中中，長距距離無輻輻射的傳傳輸。平平面波導(dǎo)導(dǎo)型光器器件，又又稱為光光子集成成器件。其其技術(shù)核核心是采采用集成成光學(xué)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，然然后光波波導(dǎo)再與與光

2、纖或或光纖陣陣列耦合合，是多多類光器器件的研研究熱點(diǎn)點(diǎn)。 22技術(shù)種種類 按材材料可分分為四種種基本類類型：鈮鈮酸鋰鍍鍍鈦光波波導(dǎo)、硅硅基沉積積二氧化化硅光波波導(dǎo)、IInGaaAsPP/InnP光波波導(dǎo)和聚聚合物（PPolyymerr）光波波導(dǎo)。 LLiNbbO3晶晶體是一一種比較較成熟的的材料，它它有極好好的壓電電、電光光和波導(dǎo)導(dǎo)性質(zhì)。除除了不能能做光源源和探測測器外，適適合制作作光的各各種控制制、耦合合和傳輸輸元件。鈮鈮酸鋰鍍鍍鈦光波波導(dǎo)開發(fā)發(fā)較早，其其主要工工藝過程程是：首首先在鈮鈮酸鋰基基體上用用蒸發(fā)沉沉積或?yàn)R濺射沉積積的方法法鍍上鈦鈦膜，然然后進(jìn)行行光刻，形形成所需需要的光光波導(dǎo)圖圖

3、形，再再進(jìn)行擴(kuò)擴(kuò)散，可可以采用用外擴(kuò)散散、內(nèi)擴(kuò)擴(kuò)散、質(zhì)質(zhì)子交換換和離子子注入等等方法來來實(shí)現(xiàn)。并并沉積上上二氧化化硅保護(hù)護(hù)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，帶帶寬已達(dá)達(dá)50GGHz以以上。 硅硅基沉積積二氧化化硅光波波導(dǎo)是220世紀(jì)紀(jì)90年年代發(fā)展展起來的的新技術(shù)術(shù)，主要要有氮氧氧化硅和和摻鍺的的硅材料料，國外外已比較較成熟。其其制造工工藝有：火焰水水解法（FFHD）、化化學(xué)氣相相淀積法法（CVVD，日

4、日本NEEC公司司開發(fā)）、等等離子增增強(qiáng)CVVD法（美美國Luucennt公司司開發(fā)）、反反應(yīng)離子子蝕刻技技術(shù)RIIE多孔孔硅氧化化法和熔熔膠凝凝膠法（SSol-gell）。該該波導(dǎo)的的損耗很很小，約約為0.02ddB/ccm。 基基于磷化化銦（IInP）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(diǎn)點(diǎn)。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)、AAWG等等。采用用極化

5、聚聚合物作作為工作作物質(zhì)，其其突出優(yōu)優(yōu)點(diǎn)是材材料配置置方便、成成本很低低。同時時由于有有機(jī)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。聚聚合物通通過外場場極化的的方法可可以獲得得高于鈮鈮酸鋰等等無機(jī)晶晶體的電電光系數(shù)數(shù)。德國國HHII公司利利用這種種波導(dǎo)研研制成功功的AWWG在225-665的波長長漂移僅僅為00.055nm。幾幾乎任何何材料都都可以作作為聚合合物的襯襯底。成成本低廉廉，發(fā)展展前景看看好。 此此外，為為了得到到更好的的光波導(dǎo)導(dǎo)性能，許許多研究究機(jī)構(gòu)正正在探索索在新型型材料上上的波導(dǎo)導(dǎo)制造方方法。目目前，有有機(jī)無機(jī)機(jī)混合納納米材料料的平面面光波導(dǎo)導(dǎo)

6、已研制制成功，兼兼具有機(jī)機(jī)與無機(jī)機(jī)材料的的優(yōu)點(diǎn)，如如性能穩(wěn)穩(wěn)定可靠靠、加工工容易、能能依需求求調(diào)控光光學(xué)性能能等。由由于新材材料具有有感光特特性，在在制造工工藝上以以顯影方方式直接接做出的的導(dǎo)光線線路，將將能進(jìn)一一步應(yīng)用用以低成成本的簡簡單工藝藝，更可可大幅減減少器件件制造商商的設(shè)備備投入成成本。 3產(chǎn)品品開發(fā)情情況 目前前，光通通信應(yīng)用用最多的的平面光光波導(dǎo)器器件主要要包括有有：各類類光耦合合器（CCoupplerr、Spplittterr）、平平面波導(dǎo)導(dǎo)陣列光光柵（AAWG）、iinteerleeaveer、大大端口數(shù)數(shù)矩陣光光開關(guān)(Swiitchh)、陣陣列型可可變光衰衰減器（VVOA）

7、、可可調(diào)諧光光濾波器器(OTTF)、EEDWAA及可調(diào)調(diào)諧增益益均衡器器等。 （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（SSpliitteer）是是平面波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)構(gòu)的一種種基本應(yīng)應(yīng)用，它它具有傳傳統(tǒng)光纖纖耦合器器所無法法相比的的小尺寸寸與高集集成度，而而且?guī)拰拰?、通通道均勻勻性好。日日本NHHK推出出的1 x NN (NN = 4,88,166,322)系列列 波導(dǎo)耦耦合器（圖圖1、圖圖2）具具有均勻勻性好（2.22dB,N=332）,PDLL指標(biāo)低低(00.3ddB,NN=322、166)的特特點(diǎn)，分分別可用用于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實(shí)實(shí)現(xiàn)200% 到到 800%.的的定制。 法法國光子子集成公公司Teeem在在20003初推推出的基基于平面面波導(dǎo)技技術(shù)的NNx NN 系列列8x(1x22), 16xx(1xx2), 4xx(1xx8), 8xx(1xx4), 2xx(1xx16)等分路路器陣列列，尺寸寸只有770 xx 133 x 5.66 mmm，是FFBT同同類產(chǎn)品品尺寸的的1/110，具具有非常常小的插插損和回回?fù)p指標(biāo)標(biāo)，并已已經(jīng)通過過Tellcorrdiaa GRR-12209 和 GGR-112211測試。（2）平面波導(dǎo)陣

9、列光柵（AWG） 陣列波導(dǎo)光柵是基于干涉原理形成的波分復(fù)用器件，其基本結(jié)構(gòu)由3部分組成：輸入/輸出光波導(dǎo)陣列、自由傳播區(qū)平板波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)陣列。彎曲波導(dǎo)之間有固定光程差,使得不同波長的光信號在輸出自由傳播區(qū)干涉,并從不同輸出波導(dǎo)口輸出。目前平面波導(dǎo)型WDM器件有各種實(shí)現(xiàn)方案，其中比較典型的稱為龍骨型的平面波導(dǎo)AWG器件最為普遍，如圖3所示。該類器件通路數(shù)大、緊湊、易于批量生產(chǎn)，但帶內(nèi)頻響尚不夠平坦。 AWG是第一個將平面波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于商品化的元件。其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅膜層，再利用微影制程（Photolithography）及反應(yīng)式離子蝕刻法（RIE）定義出陣列波導(dǎo)及分光元件等，然后在

10、最上層覆以保護(hù)層即可完成。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與InP基有源與無源光子器件及InP基微電子回路集成在同一基片上。 首先提出AWG概念的荷蘭人在兩年前制作出了有別于龍骨型的AWG結(jié)構(gòu)。 4為荷蘭微微系統(tǒng)技技術(shù)公司司（miikroo syysteemteechnnik）在在TiOO2/AAl2OO3平面面波導(dǎo)上上采用“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，

11、由由于TiiO2和和 All2O33有較高高的折射射率差，其其通道間間隔可以以作的很很窄（典典型值為為0.33 nmm）。 AWGG光波導(dǎo)導(dǎo)的通道道數(shù)由最最初的116通道道已發(fā)展展到4000個通通道，最最高記錄錄為NTTT利用用兩種類類型的AAWG的的串聯(lián)連連接法(寬分波波帶寬的的前級+窄通道道間隔的的后級)首次實(shí)實(shí)現(xiàn)了110000個通道道。目前前商用流流行的仍仍以400通道為為主流。 （3）IInteerleeaveer 圖為為荷蘭TTwennte大大學(xué)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(shí)現(xiàn)了了 Inn

12、terrleaaverr功能，可可將500 GHHz間隔隔的波長長交錯分分離，信信道隔離離度可達(dá)達(dá)30ddB。（4）大端端口數(shù)矩矩陣光開開關(guān)(SSwittch) 平面波波導(dǎo)型開開關(guān)主要要包含熱熱光開關(guān)關(guān)、電光光開關(guān)和和全內(nèi)反反射型開開關(guān)。 熱熱光開關(guān)關(guān)是利用用硅波導(dǎo)導(dǎo)的熱感感應(yīng)折射射率變化化制作的的，其MMZ腔腔由二個個3dBB耦合器器和二個個波導(dǎo)臂臂組成的的，其中中一臂上上加有熱熱光相移移薄膜加加熱器。通通過受熱熱和非受受熱實(shí)現(xiàn)現(xiàn)開關(guān)功功能。 電電光開關(guān)關(guān)與熱光光開關(guān)的的波導(dǎo)結(jié)結(jié)構(gòu)相似似，但采采用電折折變效應(yīng)應(yīng)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對波導(dǎo)導(dǎo)臂的光光程差調(diào)調(diào)制。由由于Sii材料為為中心反反演對稱稱結(jié)構(gòu)，泡泡

13、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)，只只能利用用Si材材料中的的等離子子色散效效應(yīng)，于于是Sii波導(dǎo)層層中需要要制備pp-n結(jié)結(jié)，以實(shí)實(shí)現(xiàn)高濃濃度載流流子的注注入。IInGaaAsPP/InnP材料料有較強(qiáng)強(qiáng)的泡克克爾效應(yīng)應(yīng)和較大大的電光光系數(shù)而而成為該該類開關(guān)關(guān)的研究究熱點(diǎn)。 全全內(nèi)反射射型開關(guān)關(guān)又叫氣氣泡開關(guān)關(guān)，利用用了熱毛毛細(xì)現(xiàn)象象。是在在波導(dǎo)的的交叉點(diǎn)點(diǎn)上垂直直形成窄窄矩形槽槽，槽內(nèi)內(nèi)封入少少量折射射率匹配配油，薄薄膜金屬屬加熱器器淀積在在槽的端端上，通通過加熱熱使槽內(nèi)內(nèi)的油產(chǎn)產(chǎn)生氣泡泡以改變變波導(dǎo)交交叉點(diǎn)的的折射率率來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)開關(guān)功功能。 日日本NTT

14、T已制制作了116116的熱熱光開關(guān)關(guān)和322322的全內(nèi)內(nèi)反射型型開關(guān)，消消光比可可達(dá)500dB以以上。 （5）陣陣列型可可變光衰衰減器（VVOA） 首首先將聚聚合物光光元件產(chǎn)產(chǎn)品通過過嚴(yán)格的的Tellcorrdiaa標(biāo)準(zhǔn)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，且且8端口口VOAA具有關(guān)關(guān)斷功能能，兩者者均尺寸寸小，功功耗低。今今年初，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

15、藝-雪崩崩二極管管技術(shù)的的NovvaCrrysttalss公司的的收購。這這將使GGemffiree成為全全面掌握握平面波波導(dǎo)技術(shù)術(shù)的領(lǐng)先先者。 （6）可可調(diào)諧光光濾波器器(OTTF) 該該類器件件大多利利用鈮酸酸鋰良好好的電光光特性，在在單片平平面波導(dǎo)導(dǎo)結(jié)構(gòu)上上實(shí)現(xiàn)可可調(diào)諧濾濾波功能能。上世世紀(jì)末，美美國物理理研究所所在氟化化聚合物物平面波波導(dǎo)上掩掩模形成成布拉格格光柵，成成功地實(shí)實(shí)現(xiàn)了在在1.555 m波段段11nnm的可可調(diào)諧濾濾波，串串音-220 ddB，插插損3.2 ddB。 （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

16、成。光光波導(dǎo)結(jié)結(jié)構(gòu)能夠夠?qū)⒈闷制止饽芰苛考s束在在截面積積非常小小、長度度較長的的區(qū)域內(nèi)內(nèi)，只需需使用數(shù)數(shù)厘米長長高濃度度的摻鉺鉺增益介介質(zhì)，就就可以得得到常規(guī)規(guī)摻鉺光光纖幾十十倍的單單位長度度光增益益。法國國Teeem光子子公司于于19998年末末首先發(fā)發(fā)布采用用非刻蝕蝕或沉積積的離子子交換法法，在玻玻璃薄片片而不是是在硅片片上制作作波導(dǎo)，具具有非常常低的偏偏振和損損耗特性性。隨后后，美國國Norrthsstarr光子公公司及JJDSUU也采用用了此技技術(shù)。丹丹麥NKKT集成成公司推推出的CC帶(115288-15562nnm)220dBB高增益益EDWWA，采采用了9980nnm/1100m

17、mW泵源源，可單單片集成成多個放放大器。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(dá)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(biāo)準(zhǔn)。 （8）可可調(diào)諧增增益均衡衡器 IBBM蘇黎黎士實(shí)驗(yàn)驗(yàn)室在SSiO

18、NN波導(dǎo)上上制作非非對稱馬馬-擇腔腔，采用用加熱一一個波導(dǎo)導(dǎo)臂的方方法可動動態(tài)控制制EDFFA光放放大器的的增益，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(shí)現(xiàn)增增益平坦坦度小于于0.55 dBB。 4主要供應(yīng)應(yīng)商及市市場情況況 目前平平面波導(dǎo)導(dǎo)類光器器件的主主要供應(yīng)應(yīng)商包括括：美國國Inpplanne、NNeoPPhottoniics、WWaveeguiide、 Avaanexx 、MMoleecullar Nannovaatioon、GGemffiree、Oppticcwavve、LLighhtcoonneect 、Liighttechh、Cyypreess、BBelll Laa

19、bs、LLighhtwaave Miccrossysttemss、JDDSU、WWaveeSpllittter；英國BBookkhamm 、BBNR Eurropee、Teerahherttz ；法國 Teeem、LLET；丹麥NNKT Inttegrratiion；日本SSENKKO（扇扇港）、 NTTT、歐姆姆龍、CCenttrall Gllasss及加拿拿大北電電網(wǎng)絡(luò)、MMetrroPhhotooniccs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(dá)到兩兩位數(shù)，而而到20006年年前，將