平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)精編

平面波導(dǎo)技術(shù)及器件發(fā)展動態(tài)精編第34研究所摘要本文介紹了平面波導(dǎo)技術(shù)及器件的發(fā)展情況，并概要指出了平面波導(dǎo)光器件的市場前景和發(fā)展方向。關(guān)鍵詞PLC、Polymer、InP、AWG光波導(dǎo)是集成光學(xué)重要的基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中，長距離無輻射的傳輸。平面波導(dǎo)型光器件，又稱為光子集成器件。其技術(shù)核心是采用集成光學(xué)工藝根據(jù)功能要求制成各種平面光波導(dǎo)，有的還要在一定的位置上沉積電極，然后光波導(dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合，是多類光器件的研究熱點(diǎn)。 (Polymer)光波導(dǎo)。LiNbO3晶體是一種比較成熟的材料，它有極好的壓電、電光和波導(dǎo)性質(zhì)。除了不能做光源和探測器外，適合制作光的各種控制、耦合和傳輸元件。鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)開發(fā)較早，其主要工藝過程是：首先在鈮酸鋰基體上用蒸發(fā)沉積或?yàn)R射沉積的方法鍍上鈦膜，然后進(jìn)行光刻，形成所需要的光波導(dǎo)圖形，再進(jìn)行擴(kuò)散，可以采用外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散、質(zhì)子交換和離子注入等方法來實(shí)現(xiàn)。并沉積上二氧化硅保護(hù)層，制成平面光波導(dǎo)。該波導(dǎo)的損耗一般為。調(diào)的驅(qū)動電壓一般為10V左右；一般的調(diào)制器帶有氮氧化硅和摻鍺的硅材料，國外已比較成熟。其制造工藝有：火焰水解法(FHD)、化學(xué)氣相淀積和熔膠－凝膠法(Sol-gel)。該波導(dǎo)的損耗很小，約為基于磷化銦(InP)的InGaAsP/InP光波導(dǎo)的研究也比子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大。聚合物光波導(dǎo)是近年來研究的熱點(diǎn)。該波導(dǎo)的熱光系數(shù)和電光系數(shù)都比較大，很適合于研制高速光波導(dǎo)開關(guān)、AWG等。采用極化聚合物作為工作物質(zhì)，其突出優(yōu)點(diǎn)是材料配置方便、成本很低。同時由于有機(jī)聚合物具有與半導(dǎo)體相容的制備工藝而使得樣品的制備非常簡單。聚合物通過外場極化的方法可以獲得高于鈮酸鋰等無機(jī)晶體的電光系的波長漂移僅為±。幾乎任何材料都可以作為聚合物的襯底。成本低廉，發(fā)展前景看好。此外，為了得到更好的光波導(dǎo)性能，許多研究機(jī)構(gòu)正在探索在新型材料上的波機(jī)無機(jī)混合納米材料的平面光波導(dǎo)靠、加工容易、能依需求調(diào)控光學(xué)性能等。由于新材料具有感光特性，在制造工藝上以顯影方式直接做出的導(dǎo)光線光通信應(yīng)用最多的平面光波導(dǎo)器件主要包括有：各類光耦合器(Coupler、Splitter)、平面波導(dǎo)陣列光柵(AWG)、interleaver、大端口數(shù)矩陣光開關(guān)(Switch)、陣列型可變光衰減器(VOA)、可調(diào)諧光濾波器(OTF)、EDWA及可調(diào)諧增益均衡器等。(1)光耦合器硅基 (Splitter)是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一種基本應(yīng)用，它具有傳統(tǒng)光纖耦合器所無法相比的小尺寸與高集成度，而且?guī)?,8,16,32)系列波導(dǎo)耦合器(圖1、圖2)具有均勻性好(￡,N=32),PDL指標(biāo)低(￡,N=32、16)的特點(diǎn)，分別可用星型耦合器的耦合比可實(shí)現(xiàn)20%到80%.的定制。8x(1x4),2x(1x16)等分路器陣列，尺寸只有70x13x損指標(biāo)，并已經(jīng)通過TelcordiaGR-1209和GR-1221測試。(2)平面波導(dǎo)陣列光柵(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，然后在最上層覆以首先提出AWG概念的荷蘭人在兩年前制作出了有別于龍骨4為荷蘭微系統(tǒng)技術(shù)公司(mikrosystemtechnik)在TiO2/Al2O3平面波導(dǎo)上采用“自聚焦傳輸光柵(self-focussingTransmissionGrating)”制作的垂直錐形波隔可以作的很窄(典型值為nm)。NTT利用兩種類型的AWG的串聯(lián)連接法(寬分波帶寬的前級+窄通道間隔的后級)首次實(shí)現(xiàn)了1000波導(dǎo)上采用非對稱馬-擇(Mach-Zehnder)干涉儀和環(huán)行z波長交錯分離，信道隔離度可達(dá)30dB。(4)大端口數(shù)矩陣光開關(guān)(Switch)平面波導(dǎo)型開關(guān)主要包含熱光開關(guān)、電光開關(guān)和全內(nèi)熱光開關(guān)是利用硅波導(dǎo)的熱感應(yīng)折射率變化制作的，臂上加有熱光相移薄膜加熱器。通過受熱和非受熱實(shí)現(xiàn)開電光開關(guān)與熱光開關(guān)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相似，但采用電折變來實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)臂的光程差調(diào)制。由于Si材料為中心反演對稱結(jié)構(gòu)，泡克爾效應(yīng)極弱，電光系數(shù)很小，因此難以利用Si材料中的等離子色散效電光系數(shù)而成為該類開關(guān)的研究熱點(diǎn)。全內(nèi)反射型開關(guān)又叫氣泡開關(guān)，利用了熱毛細(xì)現(xiàn)象。是在波導(dǎo)的交叉點(diǎn)上垂直形成窄矩形槽，槽內(nèi)封入少量折射率匹配油，薄膜金屬加熱器淀積在槽的端上，通過加熱使槽內(nèi)的油產(chǎn)生氣泡以改變波導(dǎo)交叉點(diǎn)的折射率來實(shí)現(xiàn)開(5)陣列型可變光衰減器(VOA)的收購后，最近又傳出完成了對擁有有源平面硅處理工藝-技術(shù)的NovaCrystals公司的收購。這將使Gemfire成為全面掌握平面波導(dǎo)技術(shù)的領(lǐng)先者。(6)可調(diào)諧光濾波器(OTF)該類器件大多利用鈮酸鋰良好的電光特性，在單片平上實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波功能。上世紀(jì)末，美國物理研究所在氟化聚合物平面波導(dǎo)上掩模形成布拉格光柵，成插損dB。(7)EDWAEDWAErYb摻雜玻璃基片上的光波導(dǎo)組成。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈闷止饽芰考s束在截面積非常小、長度較長的區(qū)域內(nèi)，只需使用數(shù)厘米長高濃度的摻鉺增益介質(zhì)，就可以得到常規(guī)摻鉺光纖幾十倍的單位用非刻蝕或沉積的離子交換法，在玻璃薄片而不是在硅片上制作波導(dǎo)，具有非常低的偏振和損耗特性。隨后，美國(8)可調(diào)諧增益均衡器采用加熱一個波導(dǎo)臂的方法可動態(tài)控制EDFA光放大器的增平坦度小于dB。目前平面波導(dǎo)類光器件的主要供應(yīng)商包括：美國Inplane、NeoPhotonics、Waveguide、Avanex、MolecularNanovation、Gemfire、Opticwave、Lightconnect、Lightech、Cypress、BellLabs、LightwaveMicrosystems、JDSU、WaveSplitter；英國Bookham、BNREurope、Terahertz；法國Teem、LET；丹麥NKTIntegration；日本SENKO(扇港)、NTT、歐姆參考文獻(xiàn)據(jù)市場調(diào)研公司ElectroniCast(美)在2002年末的 (美)的市場調(diào)研報告均對平面波導(dǎo)光器件的市場前景充5結(jié)語建立在平面光波導(dǎo)(PlanarLightwaveCircuit,PLC)技術(shù)之上的光器件，具有成本低、體積小、便于批量生產(chǎn)、穩(wěn)定性好及易于與其它器件集成等優(yōu)點(diǎn)。目前，集成光學(xué)元件已在通信、軍事、電力、天文、傳感等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。為提高光波導(dǎo)元件的集成度，現(xiàn)在已有不少的研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行三維光波導(dǎo)器件的研制，其目的是進(jìn)一步增加光波導(dǎo)的