用于光纖通信的集成光學器件介紹

　　集成光學發(fā)展初期，田炳耕曾對集成光學作了三條定義：（1）光波導能限制光束在其中傳播。（2）利用光波導可制成各種光波導器件；（3）將光波導和光波導器件集成起來可構成有特定功能的集成光路。 集成光學在一開始就將光纖通信作為其主要應用目標之一。

　　集成光學器件伴隨著光纖通信的興起和發(fā)展已經走過了幾十年。集成光學器件不僅成為光纖網絡的重要組成部分，而且也促使光纖通信容量爆炸性增長、光纖通信技術和產業(yè)的迅猛發(fā)展，加上集成光學器件技術的進一步發(fā)展和成熟還將掀起光纖通信技術及其相關產業(yè)發(fā)展的新高潮。

　　發(fā)展歷程

　　集成光學基于薄膜能夠傳輸光頻波段的電磁能的原理。故其誕生主要受微波工程和薄膜光學的影響。在1962年前，平面介質波導已應用于微波工程中，但直到1965年才由Anderson和他的研究小組把微波理論和光刻技術結合起來制作出應用于紅外區(qū)域的薄膜波導和其它平面器件和光路。1969年，貝爾實驗室的S.E Miller首次提出了“集成光學”（integrated opTIcs）的概念，宣告了大力研究和發(fā)展光通信用的完善而可靠的薄膜技術的開始。

　　上世紀70年代初，研究人員對制作波導的材料和制作工藝作了大量的研究。此間，發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）、光纖的制造技術取得了很大進展。光纖傳播損耗的降低加速了光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。70年代晚期，和光纖通信相關的技術進一步成熟，企業(yè)和研究機構開始集中發(fā)展光纖通信系統(tǒng)；對集成光學的研究反而減少了，他們認為集成光學器件的商品化在近期內難以實現。80年代研究人員開始重新關注集成光學的發(fā)展，因為光纖通信系統(tǒng)中的分立元件較難準直，且其性能又不夠穩(wěn)定。

　　平面光波導器件的分類

　　光波導是集成光學的重要基礎性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質中。用集成光學工藝制成的各種平面光波導器件，有的還要在一定的位置上沉積電極，兩端接上電壓，用以控制在波導中傳輸的光波的相位或強度。然后，光波導再與光纖或光纖陣列耦合。激光信號在光波導中耦合、傳輸、調制。

　　光波導器件按其組成材料可分為四種基本類型：鈮酸鋰鍍鈦光波導、硅基二氧化硅光波導、InGaAsP/InP光波導和聚合物光波導。

　　LiNbO3晶體的電光、聲光及非線性光學系數較大，材料的化學性能穩(wěn)定。其晶體生長成本低且易長出大尺寸的單晶，適合制作各種調制、耦合和傳輸元件，但不能做光源和探測器。是集成光學最常用的晶體材料。

　　鈮酸鋰鍍鈦光波導的主要工藝是：首先在鈮酸鋰基體上用蒸發(fā)沉積或濺射沉積的方法鍍上鈦膜，然后進行光刻，形成所需要的光波導圖形，再進行擴散，可以采用外擴散、內擴散、質子交換和離子注入等方法來實現。最后沉積上二氧化硅保護層，制成平面光波導。該波導的損耗一般為0.2-0.5dB/cm；調制器和開關的驅動電壓一般為10V左右；一般的調制器帶寬為幾個GHz，采用行波電極的LiNbO3光波導調制器，帶寬已達50GHz以上。

　　現在對LiNbO3光波導器件的研究，主要是為了進一步提高LiNbO3調制器的工作速率以及開發(fā)具有其它功能的LiNbO3器件和集成模塊，如TI:Er:LiNbO3激光器、攙Er光波導放大器和LiNbO3光波導開關等。

　　硅基二氧化硅光波導是20世紀90年代發(fā)展起來的新技術。其制作需要沉積較厚的二氧化硅層，通過加入鍺等摻雜劑，或者是加入氮氣生成氮氧化物，可以對膜層的折射率進行調整。還可以在氧化物中加入其它物質，如加入硼和磷即可生成硼磷硅酸鹽玻璃（BPSG）。

　　國外此技術已比較成熟。其制造工藝有：火焰水解法（FHD）、化學氣相淀積法（CVD，NEC公司開發(fā)）、等離子增強CVD法（FECVD，朗訊公司開發(fā)）、反應離子蝕刻技術（RIE）、多孔硅氧化法和熔膠－凝膠法（Sol-gel）。該波導的損耗很小，約為0.02dB/cm。

　　基于磷化銦（InP）的InGaAsP/InP光波導可與InP基的有源與無源光器件及InP基微電子回路集成在同一基片上，但其與光纖的耦合損耗較大?！?/p>

　　聚合物波導的熱光系數和電光系數都比較大，很適合于研制高速光波導開關、AWG等。 聚合物材料可淀積在任何半導體材料上，為制作電光調制器提供了方便。此外，由于聚合物的相對介電系數低，為制作高速寬帶行波結構提供了方便。由于有機聚合物的制備工藝與半導體的相容，因而器件的制備非常簡單。德國HHI公司利用這種波導研制成功的AWG在25-65℃的波長漂移僅為±0.05nm。

　　需指出的是，在上述四種平面光波導器件中，除了LiNbO3平面光波導器件外，其余三種光波導器件目前都尚未成熟，仍處于研發(fā)階段。

　　光纖通信用之集成光學器件

　　目前，光纖通信中用得最多的集成光學器件主要有：光耦合器（Coupler、Splitter）、光調制器、光開關、可調諧光濾波器(OTF)等。

光耦合器

　　光耦合器是實現光信號分路/合路的功能器件，一般是對同一波長的光功率進行分路和合路。用于光纖通信的耦合器分為：光纖熔錐型耦合器、微機電元件型(MEMS)耦合器和集成光波導型耦合器。這里介紹集成光波導型耦合器。

　　采用平面光波導技術能做成不同結構與功能的集成光波導型耦合器，其主要工藝過程有：沉積、光刻、擴散。圖1所示為最簡單的Y形（1&TImes;2）分支耦合器的基本結構。