用于光纖通信的集成光學(xué)器件概覽

集成光學(xué)發(fā)展初期，田炳耕曾對集成光學(xué)作了三條定義：（1）光波導(dǎo)能限制光束在其中傳播。（2）利用光波導(dǎo)可制成各種光波導(dǎo)器件；（3）將光波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件集成起來可構(gòu)成有特定功能的集成光路。 集成光學(xué)在一開始就將光纖通信作為其主要應(yīng)用目標(biāo)之一。集成光學(xué)器件伴隨著光纖通信的興起和發(fā)展已經(jīng)走過了幾十年。集成光學(xué)器件不僅成為光纖網(wǎng)絡(luò)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(shù)和產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，加上集成光學(xué)器件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和成熟還將掀起光纖通信技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新高潮。 發(fā)展歷程 集成光學(xué)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(xué)的影響。在1962年前，平面介質(zhì)波導(dǎo)已應(yīng)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(shù)結(jié)合起來制作出應(yīng)用于紅外區(qū)域的薄膜波導(dǎo)和其它平面器件和光路。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的s.e miller首次提出了“集成光學(xué)”（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(shù)的開始。 上世紀(jì)70年代初，研究人員對制作波導(dǎo)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(shù)取得了很大進(jìn)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(guān)的技術(shù)進(jìn)一步成熟，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開始集中發(fā)展光纖通信系統(tǒng)；對集成光學(xué)的研究反而減少了，他們認(rèn)為集成光學(xué)器件的商品化在近期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。80年代研究人員開始重新關(guān)注集成光學(xué)的發(fā)展，因?yàn)楣饫w通信系統(tǒng)中的分立元件較難準(zhǔn)直，且其性能又不夠穩(wěn)定。 平面光波導(dǎo)器件的分類 光波導(dǎo)是集成光學(xué)的重要基礎(chǔ)性部件，它能將光波束縛在光波長量級尺寸的介質(zhì)中。用集成光學(xué)工藝制成的各種平面光波導(dǎo)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(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ǖ南辔换驈?qiáng)度。然后，光波導(dǎo)再與光纖或光纖陣列耦合。激光信號在光波導(dǎo)中耦合、傳輸、調(diào)制。 光波導(dǎo)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(dǎo)、硅基二氧化硅光波導(dǎo)、ingaasp/inp光波導(dǎo)和聚合物光波導(dǎo)。 linbo3晶體的電光、聲光及非線性光學(xué)系數(shù)較大，材料的化學(xué)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(diào)制、耦合和傳輸元件，但不能做光源和探測器。是集成光學(xué)最常用的晶體材料。 鈮酸鋰鍍鈦光波導(dǎo)的主要工藝是：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)。最后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0.2-0.5db/cm；調(diào)制器和開關(guān)的驅(qū)動電壓一般為10v左右；一般的調(diào)制器帶寬為幾個(gè)ghz，采用行波電極的linbo3光波導(dǎo)調(diào)制器，帶寬已達(dá)50ghz以上。 現(xiàn)在對linbo3光波導(dǎo)器件的研究，主要是為了進(jìn)一步提高linbo3調(diào)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(dǎo)放大器和linbo3光波導(dǎo)開關(guān)等。 硅基二氧化硅光波導(dǎo)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新技術(shù)。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?dú)馍傻趸?，可以對膜層的折射率進(jìn)行調(diào)整。還可以在氧化物中加入其它物質(zhì)，如加入硼和磷即可生成硼磷硅酸鹽玻璃（bpsg）。 國外此技術(shù)已比較成熟。其制造工藝有：火焰水解法（fhd）、化學(xué)氣相淀積法（cvd，nec公司開發(fā)）、等離子增強(qiáng)cvd法（fecvd，朗訊公司開發(fā)）、反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)（rie）、多孔硅氧化法和熔膠－凝膠法（sol-gel）。該波導(dǎo)的損耗很小，約為0.02db/cm。 基于磷化銦（inp）的ingaasp/inp光波導(dǎo)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?！【酆衔锊▽?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。 聚合物材料可淀積在任何半導(dǎo)體材料上