Anderson、用于光纤通信的集成光学器件介绍

　　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。

　　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。

　　发展历程

　　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。

　　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。

　　平面光波导器件的分类

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。　

　　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

　　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&TImes;2）分支耦合器的基本结构。