平面光波導(dǎo)集成光學(xué)器件的研究

平面光波導(dǎo)集成光學(xué)器件的研究

在電子技術(shù)領(lǐng)域，精細(xì)零件的發(fā)展歷史改變了電子行業(yè)的生產(chǎn)模式。同樣，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，目前，各種光學(xué)元素都已成為未來(lái)的集成光學(xué)方法，這也極大地改變了傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)的現(xiàn)狀，對(duì)軍事和民用信息系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了重大影響。在集成光學(xué)的拼圖板塊中,光有源器件中的發(fā)光源已經(jīng)采用半導(dǎo)體激光器,薄弱之處是光無(wú)源器件.平面光波導(dǎo)技術(shù),因采用半導(dǎo)體制程,不僅具有低成本潛力,而且具有整合器件能力,被視為集成光學(xué)拼圖中重要的一塊.本文將介紹平面光波導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況.1我國(guó)對(duì)我國(guó)困難犯罪器上的改進(jìn)材料由于平面光波導(dǎo)(PLC)是通過(guò)控制折射率來(lái)設(shè)計(jì)器件,因此材料的選擇成為重點(diǎn).目前在材料上主要有二氧化硅(Silica)、絕緣硅(SOI)、鈮酸鋰(LiNbO3)與高分子(Polymers)等數(shù)種材料.各種材料之特性,如表1所示.其中二氧化硅材料穩(wěn)定度好,其折射率與厚度控制皆較容易.從這類波導(dǎo)材料和器件研制情況來(lái)看,大Δ(Δ為波導(dǎo)芯層和限制層的相對(duì)折射率差)材料是發(fā)展的一個(gè)方向.大規(guī)模的平面光波導(dǎo)集成回路(Planarlightwavecircuit,PLC)要求各分立光波導(dǎo)器件尺寸最小化,另一方面,許多分立光波導(dǎo)器件通常由彎曲波導(dǎo)相連接.彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑?jīng)Q定了整個(gè)波導(dǎo)回路的尺寸,彎曲半徑越小,集成回路的尺寸越小.然而,彎曲半徑越小,彎曲所帶來(lái)的輻射損耗越大.由于彎曲損耗隨著Δ的增大而指數(shù)級(jí)地減小,同時(shí),大Δ的材料對(duì)光場(chǎng)的限制更強(qiáng),也有利于制作尺寸緊湊的分立波導(dǎo)器件,因而大Δ的波導(dǎo)材料成為當(dāng)前平面光波導(dǎo)器件研究的一個(gè)熱點(diǎn).LittleOptics公司報(bào)道了一種高Δ的SiON材料,采用這種材料可以大大減小傳統(tǒng)的PLC的尺寸.圖1是他們報(bào)道的實(shí)際器件.單個(gè)器件的尺寸只有5mm×5mm.與傳統(tǒng)的Ge摻雜SiO2波導(dǎo)材料制作的AWG相比,器件性能并沒(méi)有下降.例如,表征材料折射率和厚度變化的filternoisefloor小于-55dB,隨機(jī)相差低于8nm.鈮酸鋰的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度高,適合做光調(diào)變器等.不過(guò)因鈮酸鋰是屬雙折射率材料,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后,極化模態(tài)色散(Polarization-modedispersion;PMD)較嚴(yán)重.新型聚合物材料是平面波導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)方向.傳統(tǒng)的SiO2平面波導(dǎo)技術(shù)具有損耗低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),但由于高溫工藝引起的材料雙折射,SiO2基器件通常具有大的偏振依賴性,同時(shí),SiO2的熱光系數(shù)較小,無(wú)法制作數(shù)字熱光開(kāi)關(guān),更不能制作電光調(diào)制器件.與之相比,聚合物材料通常具有較大的熱光系數(shù)和電光系數(shù),可以制作低串?dāng)_、低偏振依賴性、帶寬大的數(shù)字光開(kāi)關(guān).聚合物波導(dǎo)器件的不利之處在于其較大的損耗.由于光通信器件對(duì)于器件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛,目前平面光波導(dǎo)的材料在穩(wěn)定度方面仍有疑慮,所以如何提高材料穩(wěn)定度是未來(lái)工作的重點(diǎn).2光導(dǎo)數(shù)和光正截面的選擇平面光波導(dǎo)器件根據(jù)不同的材料,而有不同的制程.首先是用二氧化硅為材料,在制程中可分為兩種,一是化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition;CVD)結(jié)合反應(yīng)離子蝕刻(ReactiveIonEtching;RIE),二是火相水解沉積(FlameHydrolysisDeposition;FHD)同樣結(jié)合反應(yīng)離子蝕刻來(lái)做平面光波導(dǎo)器件.利用化學(xué)氣相沉積CVD做PLC的技術(shù)是由AT&T最早開(kāi)發(fā)出來(lái).其方法是在氣體中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),沉積到硅晶圓上形成低折射率薄膜,再摻入硅化合物(SiO2-P2O5),形成折射率薄膜.然后蓋上光阻,用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的方式,將其它部分蝕刻掉,最后再蓋上覆蓋層,形成波導(dǎo)光路.火相水解沉積(FHD)的技術(shù)是由NTT最早開(kāi)發(fā)出來(lái),其制程如圖2所示.此方法是利用火焰燃燒硅化合物與水蒸氣,兩者反應(yīng)后在硅基板上形成兩層高低折射率的二氧化硅薄膜.然后再利用反應(yīng)離子蝕刻蝕刻出所需的波導(dǎo)光路,最后再蓋上低折射率的覆蓋層.富士通公司報(bào)道了采用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)在純SiO2玻璃上制作的低損耗波導(dǎo).飛秒激光器的工作波長(zhǎng)為800nm,脈寬15fs,重復(fù)頻率200kHz,圖3是功率為80mW的激光直寫(xiě)制作的SiO2波導(dǎo)的傳輸特性,在工作波長(zhǎng)1580nm處傳輸損耗為0.12dB/cm,波長(zhǎng)依賴損耗為0.01dB/cm,偏振相關(guān)損耗在C段為0.02dB,在L波段為0.08dB.采用飛秒激光直寫(xiě)技術(shù),他們還制作了1×8光分束器,整個(gè)器件長(zhǎng)度為30mm,S型彎曲波導(dǎo)的彎曲半徑為50mm,輸入和輸出直波導(dǎo)分別為9.1mm,圖4是器件的輸出映像,輸出不均衡性最大為4.3dB,其原因可能是制作Y分支時(shí)由于第二次直寫(xiě)造成的分支處折射率分布不均衡所致.用鈮酸鋰材料制作平面光波導(dǎo),其制程如圖5所示,因?yàn)殁壦徜囀欠蔷€性光學(xué)材料,所以并不易蝕刻.因此在制程上,是通過(guò)UV光照射光阻,再鍍上金屬層,將光阻洗掉留下金屬部分,最后利用擴(kuò)散方式滲入鈮酸鋰之中,形成高折射率的波導(dǎo)光路.高分子材料是聚合物材料,具低成本潛力,因此也吸引眾多廠商、研究機(jī)構(gòu)投入.美國(guó)加里福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)采用極化誘導(dǎo)直寫(xiě)技術(shù)在APC-CPW1聚合物材料上首次制備了具有自對(duì)準(zhǔn)電極的Mach-Zehnder干涉型模式選擇器.相比于其它制作聚合物光波導(dǎo)器件的方法,如RIE、紫外漂洗、電子束直寫(xiě)、激光直寫(xiě)等,極化誘導(dǎo)直寫(xiě)技術(shù)工藝更加簡(jiǎn)單.圖6所示為他們采用該技術(shù)制作的MZ波導(dǎo)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖.在極化前,材料對(duì)TM和TE模式的折射率分別為1.60和1.62,極化后材料對(duì)TM和TE模式的折射率分別為1.62和1.59.制作的寬度為6μm和7μm的溝道波導(dǎo)的近場(chǎng)輸出如圖7所示,對(duì)模式的選擇比分別為18.0dB和22.9dB.制作的Mach-Zehnder干涉型調(diào)制器的半波電壓為3.5V,調(diào)制器的消光比為10dB左右.3光濾波器的固定和無(wú)源耦合對(duì)光方式的固定對(duì)于以光纖為傳輸媒介的應(yīng)用,平面光波導(dǎo)器件必須與光纖耦合.目前的方法分為分離式與固定式兩種,分離式是將光纖放在光纖夾具上,再與平面光波導(dǎo)芯片連接,連接方法可用激光器焊接、UV膠或是用倒裝芯片連接(Flip-ChipBonding)方式,來(lái)固定平面光波導(dǎo)(PLC)器件與光纖數(shù)組.激光器焊接方式需將光纖數(shù)組放在金屬殼上才能作焊接,UV膠方式則是通過(guò)紫外線照射UV膠使其固化,而此種UV膠需要是光學(xué)等級(jí)的,要求透光度高且不易老化的UV膠,才不會(huì)因光纖與波導(dǎo)光路之間有膠,而妨礙光的傳輸.倒裝芯片方式在半導(dǎo)體器件制備中將內(nèi)存晶粒直接接在印刷電路版上,用在光器件上時(shí),將激光二極管與平面光波導(dǎo)器件,放在共同基版上.而激光二極管則放在波導(dǎo)前面,采取無(wú)源耦合對(duì)光方式,形成單一器件.固定式是直接在波導(dǎo)上,蝕刻出V型或U型凹槽,將光纖放到凹槽上面,來(lái)做耦合動(dòng)作.其中V型槽又較U型槽更易固定.而V型凹槽的規(guī)格上,其兩個(gè)中心點(diǎn)的間距為250μm.但亦有廠商提出127μm的規(guī)格.4波分復(fù)用器/屬性波分復(fù)用器利用平面光波導(dǎo)技術(shù),可開(kāi)發(fā)出各種不同的集成光學(xué)產(chǎn)品,如圖8所示.主要可分為多任務(wù)器/解多任務(wù)器(Mux/DeMux),分光/耦合器(Splitter/Coupler)以及整合性器件(Hybridintegration)等.在波分復(fù)用器/密集波分復(fù)用器方面,主要可做成陣列波導(dǎo)光柵(ArrayedWaveguideGrating;AWG)芯片,利用AWG芯片來(lái)做高波道數(shù)的密集波分復(fù)用器(DWDM)產(chǎn)品.其次是整合性器件方面,則是利用倒裝芯片等方式,可將激光二極管、AWG芯片與可調(diào)式光衰減器(VOA),做成整合性的單一器件.5平面濾波器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向平面光波導(dǎo)技術(shù)將若干無(wú)源光波導(dǎo)器件制作在同一個(gè)基片上,通過(guò)平面波導(dǎo)互連,構(gòu)成一定的功能回路,是未來(lái)的DWDM光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中非常實(shí)用化的技術(shù).光器件的集成不僅使器件性能,如響應(yīng)速率、耦合效率、功耗、串?dāng)_等特性得到根本性改善,同時(shí),由