平面集成光波导器件综述

平面集成光波导器件综述1 引 言】光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年S.E.Miller首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。【2 制作器件的主要材料】制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1给出这几种材料的基本特性。InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。 SiO2 波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。【3 二氧化硅波导基本工艺】有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD） +反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）+ RIE，物理气相沉积（PVD）+ RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n=1.46, 苙 = 0.0037,由此可知，折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。【4 二氧化硅光波导器件】4.1 SiO2 PLC 的基本单元平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1） 。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n （T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT= 1X10-5时，10mm长的波导升温6.5C,即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发生变化，从而调节器件的性能。4.2几种典型的PLC器件(1)光功率分配器件由上述的直条波导的Y形分支集成在一起可以构成1XN的光功率分配器(N = 2, 4, 8, 16, 32)这是PLC中最基本的器件。例如波导构成1X8的分配器，最大插入损耗为10.3dB, 8路输出的均匀性优于1.0dB。偏振相关损耗小于0.3dB。工作波长在1.261.6祄。多路数的光功率分配器将大量应用在光接入网和CATV。光集成的功率分配器性能优良，且体积很小，实际应用中受到欢迎。(2) Mach-Zehnder 干涉仪(MZ 干涉仪)最简单的MZ干涉仪由两个3dB耦合器通过两条波导相连构成。两波导有确定的长度差芁。通常用MZ干涉仪来实现1.31/1.55祄WDM和波长无关耦合器(WIC)。利用光刻和RIE技术可以使得芁达到亚祄的精度,从而提高干涉仪的技术指标。为了提高隔离度,通过波导间隙在输出端口可装上微形滤波片。1.3/1.55祄WDM的隔离度大于45dB,插入损耗小于1.3dB。这种WDM是单纤双向收发信机中的重要部分。WIC在宽的波长范围内(1.251.56祄),两输出端的功率比与波长无关。这种功能器件可用于测试系统；与Y分支结合可形成2XN的功率分配器，其每路插入损耗与1XN器件相近。两个输入端口扩大了应用范围。(3)热光开关(TO Switch)这种器件利用SiO2的热光效应制成。最简单的2X2开关结构与MZ干涉仪相近，所不同的是，连结两个3dB耦合器的波道臂上具有热光相移单元，因此干涉特性是外界可调的，当输出耦合比从1：0变为0 : 1时，即实现了光在两输出端的转换oPIRI公司(美国)生产的2X2单模热光开关的隔离度大于15dB,速度快于2ms,插损低于1.5dB。多级串连可显著提高隔离度，但加大了器件尺寸和插入损耗。例如NEL公司(日本)的8X8开关阵的隔离度大于40dB，插入损耗近10dBo(4) 阵列波导光栅(AWG) DWDMAWG波导芯片由N个输入条形波导、N个输出条形波导、两个片状波导(一个输入，一个输出)和一 个阵列波导光栅所构成，阵列波导光栅中有数百条光波导。片状波导周围的条状波导的位置是基于凹面反 射式衍射单色仪的原理确定的。阵列波导中相邻的波导条的长度差是相同的，产生一致的光波位相差。波 导间隙中插入半波片用来提高偏振无关特性。AWG已有系列化的产品，具有不同的波长间隔，不同的通 道数，满足ITU标准。例如NEL公司0.8nm波长间距、32通道数的AWG,串扰小于-28dB,插损为4.5dB, 温度灵敏度为0.011nm/C。AWG封装采用温度自控，以提高温度稳定性。封装尺寸为100X56X16mm。集成的MXN AWG波分复用器是波分复用光传输系统中的有效器件。(5)混合光集成PLC平台目前最著名的混合光集成器件是单纤双向收发机。在硅衬底上制备SiO2波导1.3/1.55祄WDM，同时用RIE刻出LD和PD的位置。为了提高耦合效率，采用光斑尺寸变换激光器和波导光二极管探测器。这种单纤双向收发机的规模化生产可显著降低其价格，使得FTTH成为现实。NEL生产的这种收发机采用塑料外封装。出纤功率为-3dBm，跟踪误差0.5dB，响应灵敏度0.35A/W。二氧化硅光波导技术还在不断的发展中。如掺铒波导、超低损耗波导、非线性特性、耦合封装工艺简化等 等。随着技术不断改进，器件的尺寸将会更小，功能更密集。