光纤通信用集成光学器件概览

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作者：郦炬烽、袁一方、虞洋、陶伟、侯建伟
　　集成光学发展初期，田炳耕曾对集成光学作了三条定义：（1）光波导能限制光束在其中传播。（2）利用光波导可制成各种光波导器件；（3）将光波导和光波导器件集成起来可构成有特定功能的集成光路。 集成光学在一开始就将光纤通信作为其主要应用目标之一。
5 C% U$ V0 T7 U8 ?- A4 n: Z　　集成光学器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走过了几十年。集成光学器件不仅成为光纤网络的重要组成部分，而且也促使光纤通信容量爆炸性增长、光纤通信技术和产业的迅猛发展，加上集成光学器件技术的进一步发展和成熟还将掀起光纤通信技术及其相关产业发展的新高潮。
) _* U# r6 v  \& b. v& U　　发展历程
/ i; g( ?7 b0 a3 P% ?3 W　　集成光学基于薄膜能够传输光频波段的电磁能的原理。故其诞生主要受微波工程和薄膜光学的影响。在1962年前，平面介质波导已应用于微波工程中，但直到1965年才由Anderson和他的研究小组把微波理论和光刻技术结合起来制作出应用于红外区域的薄膜波导和其它平面器件和光路。1969年，贝尔实验室的S.E Miller首次提出了“集成光学”（integrated optics）的概念，宣告了大力研究和发展光通信用的完善而可靠的薄膜技术的开始。
: C, A, M, t( e( z2 }# {　　上世纪70年代初，研究人员对制作波导的材料和制作工艺作了大量的研究。此间，发光二极管（LED）、激光二极管（LD）、光纤的制造技术取得了很大进展。光纤传播损耗的降低加速了光纤通信系统的发展。70年代晚期，和光纤通信相关的技术进一步成熟，企业和研究机构开始集中发展光纤通信系统；对集成光学的研究反而减少了，他们认为集成光学器件的商品化在近期内难以实现。80年代研究人员开始重新关注集成光学的发展，因为光纤通信系统中的分立元件较难准直，且其性能又不够稳定。
9 k: J- p; [- y; D2 }2 c　　平面光波导器件的分类
9 W6 H7 [1 J; r$ @2 d, ]) a6 C　　光波导是集成光学的重要基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中。用集成光学工艺制成的各种平面光波导器件，有的还要在一定的位置上沉积电极，两端接上电压，用以控制在波导中传输的光波的相位或强度。然后，光波导再与光纤或光纤阵列耦合。激光信号在光波导中耦合、传输、调制。
- J3 H) g0 S) [( [　　光波导器件按其组成材料可分为四种基本类型：铌酸锂镀钛光波导、硅基二氧化硅光波导、InGaAsP/InP光波导和聚合物光波导。
6 N& ~: `# m! u1 _5 S　　LiNbO3晶体的电光、声光及非线性光学系数较大，材料的化学性能稳定。其晶体生长成本低且易长出大尺寸的单晶，适合制作各种调制、耦合和传输元件，但不能做光源和探测器。是集成光学最常用的晶体材料。
　　铌酸锂镀钛光波导的主要工艺是：首先在铌酸锂基体上用蒸发沉积或溅射沉积的方法镀上钛膜，然后进行光刻，形成所需要的光波导图形，再进行扩散，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。最后沉积上二氧化硅保护层，制成平面光波导。该波导的损耗一般为0.2-0.5dB/cm；调制器和开关的驱动电压一般为10V左右；一般的调制器带宽为几个GHz，采用行波电极的LiNbO3光波导调制器，带宽已达50GHz以上。
# z  n1 Q+ q& c9 _9 D, }3 T( c( d　　现在对LiNbO3光波导器件的研究，主要是为了进一步提高LiNbO3调制器的工作速率以及开发具有其它功能的LiNbO3器件和集成模块，如Ti:Er:LiNbO3激光器、搀Er光波导放大器和LiNbO3光波导开关等。
# ], F8 I1 R- Y　　硅基二氧化硅光波导是20世纪90年代发展起来的新技术。其制作需要沉积较厚的二氧化硅层，通过加入锗等掺杂剂，或者是加入氮气生成氮氧化物，可以对膜层的折射率进行调整。还可以在氧化物中加入其它物质，如加入硼和磷即可生成硼磷硅酸盐玻璃（BPSG）。
　　国外此技术已比较成熟。其制造工艺有：火焰水解法（FHD）、化学气相淀积法（CVD，NEC公司开发）、等离子增强CVD法（FECVD，朗讯公司开发）、反应离子蚀刻技术（RIE）、多孔硅氧化法和熔胶－凝胶法（Sol-gel）。该波导的损耗很小，约为0.02dB/cm。
　　基于磷化铟（InP）的InGaAsP/InP光波导可与InP基的有源与无源光器件及InP基微电子回路集成在同一基片上，但其与光纤的耦合损耗较大。　
8 v- E- O! `( p0 o, B6 `　　聚合物波导的热光系数和电光系数都比较大，很适合于研制高速光波导开关、AWG等。 聚合物材料可淀积在任何半导体材料上，为制作电光调制器提供了方便。此外，由于聚合物的相对介电系数低，为制作高速宽带行波结构提供了方便。由于有机聚合物的制备工艺与半导体的相容，因而器件的制备非常简单。德国HHI公司利用这种波导研制成功的AWG在25-65℃的波长漂移仅为±0.05nm。
　　需指出的是，在上述四种平面光波导器件中，除了LiNbO3平面光波导器件外，其余三种光波导器件目前都尚未成熟，仍处于研发阶段。
　　光纤通信用之集成光学器件
& I  _$ U; x$ d" {* Z　　目前，光纤通信中用得最多的集成光学器件主要有：光耦合器（Coupler、Splitter）、光调制器、光开关、可调谐光滤波器(OTF)等。
　　光耦合器
　　光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路和合路。用于光纤通信的耦合器分为：光纤熔锥型耦合器、微机电元件型(MEMS)耦合器和集成光波导型耦合器。这里介绍集成光波导型耦合器。
　　采用平面光波导技术能做成不同结构与功能的集成光波导型耦合器，其主要工艺过程有：沉积、光刻、扩散。图1所示为最简单的Y形（1×2）分支耦合器的基本结构。
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. H0 ^) F$ c* U6 D5 e0 G　　集成光波导耦合器
- B1 M# o# Z8 O! M$ j. Y2 B　　光调制器
" n8 j1 x$ _# A+ O　　a）LiNbO3光波导调制器
& p0 [5 F2 v% L% D　　光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。
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　　MZI行波电极LiNbO3电光调制器
　　MZI光波导通常是采用Ti内扩散或质子交换工艺制作的。行波电极通常采用不对称条状线（ASL）和共平面波导（CPW）电极。
% C# O- P0 [8 H' P　　b) 硅基光波导调制器
　　硅基光波导调制器是借助硅晶体的电光效应对光信号进行调制的半导体电光调制器。然而，硅的电光效应十分微弱。增大电光效应的最佳办法是借助于载流子注入来实现折射率和/或光吸收率变化（⊿n和/或⊿α）。图3是一种硅绝缘体（SOI）电光调制器结构示意图，这是一种基于大截面单模凸条光波导的光强调制器，其工作原理建立在自由载流子等离子弥散和波导消失效应的基础上。凸条光波导由SOI上的硅光波导层构成。
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% Z& z& ]+ f& C% m2 s7 ~6 \9 |* _6 Q　　SOI光强调制器
# |6 K; ~0 ]4 w/ }" H; M　　c) 聚合物光波导调制器
　　聚合物光波导调制器通常是制作在玻璃或硅材料上，其光波导为MZI型。聚合物光波导是通过旋转涂复聚合物溶物、热固化、光刻和反应离子刻蚀等工艺制作的，底部和顶部电极是通过蒸发Cr/Au制作的。
) i2 N/ K: J0 H0 Q! C% J　　光开关
　　光开关是光交换的核心器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。高速光纤通信系统中，需要大量的1×N、N×N光开关。光开关的实现方法有：微机电光开关（MEMS）、热光开关、电光开关、液晶光开关等。下面介绍电光开关和热光开关。
1 U- u! `4 G; s+ N2 T　　a) 电光开关
　　电光开关利用波导材料的电光效应对波导折射率进行调制，通过改变光程达到开关的目的。适合制作光纤通信系统的光开关的典型材料有Si、GaAs、InP。
　　电光开关可以分为三类：定向耦合器型、干涉型、Y分支型。
9 i3 i/ x. z1 L. ]% o; b; W　　定向耦合器型电光开关由一对靠得很近的条形光波导以及分布在条形光波导上的表面电极构成。通过注入电流改变波导臂的折射率，从而导致两个相邻波导之间的能量耦合来实现传输通道的切换。耦合器的耦合长度与相邻波导间的间距决定着波导间的能量耦合比。图4为定向耦合器型光开关的结构示意图。

( J* a1 O( P" s" A　　定向耦合器型光开关
8 f  _- t) v' E$ f　　干涉型电光开关分为MZI型和X交叉型，使用最多的是MZI型，它由一个2×2的MZI和两个3dB定向耦合器组成。输入定向耦合器把输入光一分为二并进入MZI的两个波导臂传输，在传输期间，通过电极两端的电压，改变波导臂的折射率，使两个波导臂的光束产生相位差。当具有不同相位的两束光汇集于输出定向耦合器时，两束光发生干涉，通过控制干涉的状态（相长或相消干涉），达到切换输出端口的目的。X交叉型开关也属于干涉型电光开关，它是通过交叉部的模式间的干涉实现光的开/关。图5为MZI型和X交叉型光开关的结构示意图。

　　干涉型光开关
8 p$ r& E% o# c　　Y分支型电光开关由输入/输出单模光波导、线性Y分支型波导和Y分支上的电极构成。这种电光开关是通过Y分支的两个输出分支波导的折射率变化，实现数字式输出，故有时将这种光开关称之为数字光开关。
　　b) 热光开关
! t: G5 A$ B# I" h; @7 G9 l　　热光开关是基于热光效应的光开关，所谓热光效应是指光介质的光学性质随温度的变化而发生变化的物理效应。对半导体热光开关而言，典型的材料是Si和SiO2。热光开关的最大优点是可制作光开关矩阵，基于MZI的热光开关是制作光开关矩阵的首选结构。
5 f& m5 n  W- R5 x) k4 }　　结束语
　　在各种集成光学器件中，用于光纤通信的器件已经取得了长足的进步，并具有了一定的规模。但是，光纤通信的发展呼唤着功能更全、指标更先进的集成光学器件。在现阶段纤维光学和集成光学将共同发展、互为补充；分立器件和集成光学器件将长期共存，但趋势是集成化。
, y2 d6 K6 J, F- ]- s　　现在，集成光学器件还处于研究开发阶段的初期，集成的规模、器件的性能、市场的规模远不能和微电子器件相比。但作为21世纪光通信网的关键元件，集成光学器件肯定将占据很重要的地位。