1、第 21 卷 ,第 3 期2004 年 7 月深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERINGVol121 ,No13J uly 2004文章編號(hào) : 100022618 (2004) 0320189207【兩院學(xué)術(shù)論壇】支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)王 啟 明(集成光電子國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 , 北京 100083)摘要 : 從密集波分復(fù)用 (DWDM) 光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求出發(fā) , 評(píng)述目前支撐光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性光子器件的發(fā)展現(xiàn)狀 , 指出光器件集成芯片 、光電子系統(tǒng)集成芯片 , 尤其是以 S

2、i 為平臺(tái)的系統(tǒng)集成芯片和規(guī)模化產(chǎn)品 技術(shù)的研發(fā)是未來光電子的發(fā)展趨向.關(guān)鍵詞 : 光網(wǎng)絡(luò) ; 光器件 ; 光子集成 ; 光電子集成中圖分類號(hào) : TN 929111文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A光網(wǎng)絡(luò) Tb/ s 級(jí)傳輸?shù)淖罴堰x擇.對(duì) DWDM 光網(wǎng)絡(luò)中的信道間隔 , ITU2T 已給出 了標(biāo)準(zhǔn) , 至少為 100 GHz ( 即 018 nm 波長(zhǎng)) , 隨著技術(shù) 的 進(jìn) 步 , 還 將 按 幾 何 級(jí) 數(shù) 成 倍 減 小. 由 于 DWDM 多通道光波長(zhǎng)如此緊鄰 , 且解復(fù)用后在空間 分布上也非常靠近 , 因此在對(duì)通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí) , 波 長(zhǎng)的精確對(duì)準(zhǔn)與近鄰?fù)ǖ来當(dāng)_的抑制是需要解決的 重要課題.112

3、 信息上下載路與靈活分插復(fù)用傳送信息的多址上下載路與靈活分插復(fù)用功能 是光網(wǎng)絡(luò)有別于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的關(guān)鍵所在. 基于電子功能的上下話路分插復(fù)用 (ADM) 已滿足不了當(dāng)前 的需求 , 必須采用高速率全光操作 , 因此全光上下 載路分插復(fù)用 (OADM) 已提上日程. AWG 依然是 實(shí)現(xiàn)分插復(fù)用的基礎(chǔ) , 而光開關(guān)陣列則最終完成用 戶與網(wǎng)絡(luò)的連接. 開關(guān)響應(yīng)速率的快慢決定了網(wǎng)絡(luò) 與用戶間運(yùn)作聯(lián)系的實(shí)時(shí)性需求 , 計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí) 性要求至少達(dá)納秒 ( ns) 的響應(yīng) , 高速光開關(guān)陣列的研發(fā)將是提升網(wǎng)絡(luò)功能水平的重要標(biāo)志.113 網(wǎng)際間信息的共享與交換未來的光網(wǎng)絡(luò)不僅將成為國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的 關(guān)鍵

4、, 也是全球信息一體化的基礎(chǔ). 無論哪一個(gè)地區(qū)或國家的網(wǎng)絡(luò)都將是開放式的. 網(wǎng)際交換是網(wǎng)絡(luò)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對(duì)器件的需求1光網(wǎng)絡(luò)是未來國家信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心. 它以最大限度服務(wù)于廣大用戶日益增長(zhǎng)的信息需求為宗 旨. 用戶對(duì)信息需求是多樣化的并隨時(shí)不斷變化 , 光網(wǎng)絡(luò)必須具有對(duì)大容量多媒體信息傳送的完全兼容與充分透明. 未來的光網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)以數(shù)字化表 征為基礎(chǔ)的多媒體寬帶綜合服務(wù)網(wǎng) , 其基本功能構(gòu) 架可分解為 : 超高速率 、大容量信息比特的加載與傳送 , 用戶信息需求的上下載路與靈活的分插復(fù) 用 , 網(wǎng)際間信息的快速交換與共享以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸 信道的高效經(jīng)濟(jì)路由選擇 4 部分.111 超高速率 、大容

5、量信息比特的加載與傳送Tb/ s 級(jí)信息比特量的傳送是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的起 點(diǎn). 目前用于單通道傳輸?shù)陌雽?dǎo)體激光源 ( 包括驅(qū)動(dòng)電路的速率) 信息加載能力只達(dá) 40 Gb/ s. 從技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性考慮 , 企圖突破 100 Gb/ s 的門坎已相當(dāng)困難. 波分復(fù)用技術(shù)是唯一可行的出路 ,窗口的實(shí)現(xiàn)為此奠定了基礎(chǔ).全波高密集度 、高質(zhì)量的波分復(fù)用器的發(fā)展將為其關(guān)鍵. 基于 SiO22Si 體系的波導(dǎo)光柵陣列 ( AWG)能滿足這一要求 , 是實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用 ( DWDM)收稿日期 : 20032 122 25 ; 修回日期 : 20042 042 26基金項(xiàng)目 : 國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (

6、 G2000036603 , 90104003) ; 國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目 (69896260)作者簡(jiǎn)介 : 王啟明 (19342) , 男 ( 漢族) , 福建省泉州市人 , 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員 , 中國科學(xué)院院士.E2mail : qmwang red1semi1ac1cn一體化的關(guān)鍵接口. 它既類同于上下載路 , 又與之有重大區(qū)別 : 首先網(wǎng)絡(luò)交換對(duì)實(shí)時(shí)性要求更高. 不 同地區(qū)的不同網(wǎng)戶對(duì)信息的需求千差萬別 , 網(wǎng)絡(luò)必須能滿足其最高需求 , 納秒響應(yīng)的光開關(guān)是光交換(OXC) 系統(tǒng)所必需的. 其次 , 網(wǎng)際交換對(duì)應(yīng)著眾 多用戶 ( 盡管大部分用戶可通過地區(qū)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā))

7、, 光 開關(guān)矩陣的集成度遠(yuǎn)比 OADM 大得多 , 它通過眾多長(zhǎng)) , 能滿足光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求. 目前可加載 40Gb/ s 的這類 DFB2EA 集成光源已研究成功 , 開始在 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用 , 商用系統(tǒng)上普遍使用的則是 10Gb/ s 的集成光源. 當(dāng)前的研究課題是在集成光源中 實(shí)現(xiàn)微調(diào)諧功能 , 以符合 ITU2T 標(biāo)準(zhǔn)的要求.212 波分復(fù)用與解復(fù)用器復(fù)用器應(yīng)是一種具備對(duì)稱功能的器件. 現(xiàn)已發(fā) 展了多種復(fù)用器 , 如多層介質(zhì)膜濾光片復(fù)用器 、光 纖光柵復(fù)用器等.然而 , 它們的損耗隨著復(fù)用通道的增加而增 大 , 因而滿足不了 DWDM 的密集復(fù)用傳輸 , 一般只 適用于 32 個(gè)通道

8、以下 , 如在局域網(wǎng)或接入網(wǎng)中上 下載路分插復(fù)用使用.SiO22Si 系的 AWG 是目前用于 DWDM 光網(wǎng)絡(luò)的理想選擇. 從技術(shù)上看 , 它的復(fù)用路數(shù)幾乎不受限 制 , 只要增加彎曲波導(dǎo)的路數(shù) (一般為通道數(shù)的 10 倍) 即能達(dá)到. 同時(shí)它的制備工藝幾乎與微電子工 藝完全兼容 , 可大規(guī)模生產(chǎn). 只是必須解決 SiO2 厚 層 (如 50 m 厚) 的無應(yīng)力生長(zhǎng) , 否則將會(huì)引入偏 振色散. 另一個(gè)難點(diǎn)則是必須保證波長(zhǎng)與通道精確 對(duì)準(zhǔn) , 同時(shí)具有平坦的響應(yīng)特性 , 必要時(shí)還應(yīng)具備 適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)可調(diào)諧功能. 隨著技術(shù)的進(jìn)步 , 這些難 點(diǎn)將會(huì)一一得到突破. 目前實(shí)驗(yàn)室研制的 SiO2/ S

9、i AWG 復(fù)用通道已達(dá) 1 000 ×1 000 水平. 60 ×60 復(fù)用 信道的 AWG 產(chǎn)品也已問市 , 但價(jià)格昂貴. 盡管這 樣 , 有不少光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已開始使用 AWG 復(fù)用/ 解復(fù) 用器 , 而在未來的 DWDM 光網(wǎng)中 , 它則是不可缺少 的關(guān)鍵器件. 用于上下載路分插復(fù)用的復(fù)用/ 解復(fù) 用器 , 通道數(shù)可不必很大 , 造價(jià)降低到用戶能普遍 接受 的 水 平 為 其 關(guān) 鍵. 因 此 , Si 基 SOI AWG 和 Polymer/ Si AWG 是目前關(guān)注的另一重要發(fā)展方向.213 窄譜帶響應(yīng)的高速光電檢測(cè)器面對(duì)光網(wǎng)絡(luò)中高密集度 DWDM 的低串?dāng)_解復(fù)用

10、需求 , 必須在常規(guī)的光電檢測(cè)器前面加上可調(diào)諧窄通帶濾波器. 由分立元器件的組合可以滿足此要求 , 但體積太大 , 有附加損耗 , 造價(jià)高. 再則 , 這 些檢測(cè)器在空間安置上必須非常緊湊 , 這就要求對(duì)眾多檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)線列陣集成. 使用分立元器件的組 合無法滿足上述要求. 共振腔增強(qiáng)型 ( RCE) 光電 檢測(cè)器由此應(yīng)運(yùn)而生. 它是在很薄 ( 幾倍波長(zhǎng)的線 度) 的有源吸收層的上下面分別做上 DBR 鏡 , 由 此構(gòu)成一個(gè) F2P 諧振腔. F2P 腔具有銳選模特性 ,光波導(dǎo)形成一個(gè)很大規(guī)模的樹枝狀網(wǎng)絡(luò) ,的積累是一個(gè)有待解決的問題.114傳輸信息的路由選擇波導(dǎo)損耗光網(wǎng)絡(luò)體系必須具備快速識(shí)別網(wǎng)

11、戶的功能.DWDM 技術(shù)的運(yùn)用能充分復(fù)用豐富的波長(zhǎng)資源 , 選 用不同波長(zhǎng)作為網(wǎng)戶的標(biāo)志而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)路由的方案. 然而 , 網(wǎng)戶并不是全天候工作的 , 因此網(wǎng)絡(luò)中必將存在大量的空閑通道. 從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考 慮 , 有時(shí)需要借道傳送 , 以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)的潛力.這就要求網(wǎng)絡(luò)體系具有波長(zhǎng)變換的功能. 在光交換系統(tǒng)中這是完全必需的 , 因?yàn)樵诓煌貐^(qū)網(wǎng)中 , 所 有的波長(zhǎng)都已分配給自己的網(wǎng)戶 , 不經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 , 網(wǎng)間信息是不可能及時(shí)加載的. 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的帶寬則要求能覆蓋全波段并有高速率響應(yīng). 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換也將 導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜 , 使造價(jià)升高. 因此在局域網(wǎng)中 也可以不必采用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 , 但須要求網(wǎng)戶系

12、統(tǒng)具有 發(fā)送不同通道波長(zhǎng)載波光的可調(diào)諧功能. 如何選 擇 , 需從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性考慮.關(guān)鍵性光子集成器件的研發(fā)現(xiàn)狀2光網(wǎng)絡(luò)具有服務(wù)于高速率 、大容量 、多媒體 、眾多用戶的應(yīng)用需求 , 因此一個(gè)先進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜功 能需要許多高性能的光子器件與集成芯片來支撐. 以下著重介紹其關(guān)鍵性光子器件的研發(fā)進(jìn)展.211 高速響應(yīng) 、單穩(wěn)頻 、集成化發(fā)射光源In GaAsP/ InP 量子阱半導(dǎo)體分布反饋 (DFB)激光器仍然是光網(wǎng)絡(luò)的首選光源. 盡管通過器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) , DFB 的直接調(diào)制速率已達(dá) 10 GHz , 但 要達(dá)到 40 GHz 難度極大. 頻移啁啾效應(yīng)已相當(dāng)嚴(yán) 重 , 必須采用外調(diào)制技術(shù).

13、利用量子阱中的量子限 制 (QCSE) 效應(yīng)研制的電吸收 ( EA) 調(diào)制器是首選的目標(biāo). 它不僅可以達(dá)到 100 GHz 的調(diào)制帶寬 ,而且能與 DFB 激光器實(shí)現(xiàn)單片集成 , 其發(fā)射功率下 落到 20 dB 時(shí) , 譜線寬度僅為 THz ( 即 0108 nm 波第 3 期王啟明 : 支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)191同時(shí)對(duì)未被吸收的入射光通過腔內(nèi)多次往返 , 起到多光程吸收增強(qiáng)的作用. 這種器件結(jié)構(gòu)與垂直腔面 發(fā)射激光器 (VCSEL) 一樣 , 尤其適宜于大規(guī)模集 成和批量生產(chǎn). 采用外延生長(zhǎng)或低溫鍵合技術(shù) , 將適宜的吸收層構(gòu)置在上下 DBR 間 ( 如多層 SiO2/ S

14、i) , 形成 F2P 腔 , 從而實(shí)現(xiàn)全波段的窄帶可調(diào)諧檢 測(cè)功能 , 這是引人關(guān)注的重要發(fā)展. 我們借助自己的 SOR 專利技術(shù) , 以應(yīng)變層 Si017 Ge013/ Si MQW 材料 為吸收層 , 已實(shí)現(xiàn)對(duì) 113 m 光的窄帶探測(cè) , 響應(yīng)譜 FWHM < 6 nm , 外量子效率 > 412 % . 通過結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和工藝上的完善 , 性能還可有更大的提 高. Si 基窄帶檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn) , 為全 Si 化光接收機(jī)的系統(tǒng)芯片集成 ( system on chip , SOC) 奠定了基礎(chǔ).214 可調(diào)諧窄通帶光學(xué)濾波器可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器是光網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的 重要器件之

15、一 , 而可集成化的發(fā)展則是實(shí)用化追求的目標(biāo). 窄帶濾波器在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 , 不僅是信道光的甄別檢測(cè)的需求 , 同時(shí)也是獲得滿足 ITU2T 信道間隔標(biāo)準(zhǔn)的載波光束的重要途徑. 對(duì)濾波器除 了要求窄通帶 (如 < nm) 外 , 寬頻域可調(diào)諧以及小 型化可兼容集成對(duì)實(shí)用化系統(tǒng)的應(yīng)用也很重要. 已發(fā)展的多層介質(zhì)膜濾光片 、聲光濾波器 、Bragg 光 柵光纖濾波器等很難同時(shí)滿足上述要求.半導(dǎo)體光濾波器 , 尤其是 Si 基材料研制的光濾波器 , 有可能滿足實(shí)用化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的需求 ,因而是人們關(guān)注的一個(gè)重要發(fā)展方向.我們?cè)?Si 襯底上成功地研制了 2 種可調(diào)諧光學(xué) 濾波器 , 即微機(jī)

16、械 MOEMS 可調(diào)諧濾波器和 F2P 腔熱光 ( TO) 可調(diào)諧濾波器 , 它們都能滿足寬頻域連 續(xù)可調(diào)諧的要求. MOEMS 可調(diào)諧光濾波器是在 Si襯底上 , 運(yùn)用表面微機(jī)械加工技術(shù)做成懸掛式平板電容結(jié)構(gòu). 上下平板表面根據(jù)中心波長(zhǎng) 0 的需求 分別做上尺寸適宜的 SiO2 多層介質(zhì)膜 , 供作高反射 率的 DBR 反射鏡 , 于是該 MOEMS 結(jié)構(gòu)便組成了一 個(gè)空氣隙 F2P 諧振腔 , 空氣隙的厚度 L 0 按半波長(zhǎng)設(shè) 計(jì).外加電壓 V 施加于上下平板間時(shí) , 由于靜電力F 的作用 , 平板的間距 L 0 (即腔長(zhǎng)) 發(fā)生微小變化其中 , 為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù).透射譜的響應(yīng)半寬

17、FWHM 與 F2P 腔的 Q 值有靈 敏的關(guān)系 :2( 1 -R R )01 2FWHM = 2n( 2)2) 1/ 4( RR1其中 , R 、R 分別為上下 DBR 的反射率 ; n 為腔內(nèi)1 2折射率.對(duì)空氣隙 n = 1 ,已對(duì) 113m 、1155m 波段實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波運(yùn)作. 當(dāng)外加電壓從 0 變化到 50 V時(shí) , 在 113m 中心波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了 90 nm 的寬調(diào)諧運(yùn) 作 , 但 FWHM 比理論設(shè)計(jì)值 2 nm 大一個(gè)多量級(jí)(32 nm) , 這是由于腔長(zhǎng)度起伏引起多模運(yùn)作所致.若將鏡面面積由 150 m ×150 m 減小為 15 m ×15m , 預(yù)計(jì)

18、腔長(zhǎng)的起伏效應(yīng)將能大幅度得到改善. 這 類寬頻域可調(diào)諧濾波器的制作工藝比較精細(xì) , 但它與現(xiàn)在的 Si 微電子工藝可兼容 , 能實(shí)現(xiàn) OEIC 單片集成. 它比較適用于寬頻域可調(diào)諧光束的獲取.我們采用 Si 全平面工藝技術(shù)研制成功另一種基 于熱光 ( TO) 效應(yīng)的可調(diào)諧濾波器. 在 Si 襯底表 面生長(zhǎng)符合要求的 SiO2/ Si 或 Al2O3/ Si DBR 反射器 ,再用我們的 SOR 專利技術(shù)將薄片的 Si 材料低溫鍵合在上面 , 經(jīng)減薄拋光 , 表面生長(zhǎng) SiO2 掩膜 , 刻出 正 、負(fù) 2 個(gè)電極孔后 , 做出金屬接觸電極 , 刻出通 光窗口并在窗口表面蒸鍍上部的 DBR 反射

19、鏡 , 便 構(gòu)成一個(gè)以 Si 為腔體材料的 F2P 腔. 窗口面積為 20 m ×100m , 腔長(zhǎng)根據(jù)要求設(shè)定為 30 m. 注入電 流由電極孔橫向流經(jīng) Si 腔體 , 使腔體溫度細(xì)微增n- 4- 1高 , Si 材料有大的熱光系數(shù) ,= 2 ×10K,T它將導(dǎo)致折射率的增大 , 由此引起中心波長(zhǎng)的紅移.與 n 的關(guān)系如下 :0( 3)=nnSi實(shí)驗(yàn)得到濾波峰半寬 FWHM 為 015 nm , 與理論值估計(jì)一致. 當(dāng)加熱電流由 0 逐漸增加到 57 mA 時(shí) , 在 113m 波段可調(diào)諧濾波范圍達(dá) 23 nm , 響應(yīng) 時(shí)間為 300 s , 相應(yīng)功率耗散為 19 mW

20、/ nm. 由于 這是一類電 熱調(diào)諧型器件 , 其功耗比 MOEMS 要 大 , 且只能單向調(diào)諧 , 調(diào)諧范圍也不及前者 , 但由 于它屬平面結(jié)構(gòu) , 制作工藝簡(jiǎn)單并與其他 Si 器件工 藝可兼容 , 因此根據(jù)集成功能的需求完全可以實(shí)現(xiàn)Si 基單片集成. 它與 Si 基長(zhǎng)波長(zhǎng)光電探測(cè)器的結(jié)L , 導(dǎo)致諧振腔模式線性移動(dòng) ,調(diào)諧的目的.從而達(dá)到可0 = L( 1)L 0合 , 更適用于對(duì)多信道光的可調(diào)諧甄別檢測(cè) , 尤其適用于光網(wǎng)絡(luò)中信道的甄別下載.215 集成光開關(guān)陣列基于電光、磁光 、聲光 、熱光等物理效應(yīng)的光 開關(guān)器件已有很長(zhǎng)一段研發(fā)歷史 , 有些分立器件已應(yīng)用在光通信系統(tǒng)中 , 但集成化

21、的問題并未解決 ,造價(jià)也很高 , 開關(guān)速度也都比較慢. 未來的發(fā)展除 提高開關(guān)響應(yīng)速度外 , 還需大幅度降低造價(jià) , 以適 應(yīng)用戶的經(jīng)濟(jì)承受度. 光網(wǎng)絡(luò)中光開關(guān)是以矩陣形 態(tài)運(yùn)作的 , 同時(shí)光開關(guān)又必須借助電能的驅(qū)動(dòng) , 因此光開關(guān)矩陣的光電子集成 (OEIC) 勢(shì)在必行. 它 不僅有利于提高速度 , 穩(wěn)定性能 , 同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn) 、降低造價(jià)的必由之路. 從上述觀點(diǎn)考 慮 , Si 基光開關(guān)的研發(fā)應(yīng)是一個(gè)重要的方向. 目前 Si 基 光 開 關(guān) 主 要 有 2 類 , 一 類 是 基 于 微 機(jī) 械 (MEMS) 的光開關(guān) , 它是用微機(jī)械靜電馬達(dá)帶動(dòng)微 小反射鏡來實(shí)現(xiàn)的. 利用現(xiàn)有

22、Si 微電子工藝已研制 出 256 ×256 Si 基 MEMS 光開關(guān)矩陣 , 有些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 已采用了這類光開關(guān) , 但開關(guān)速度僅達(dá)若干毫秒 , 滿足不了網(wǎng)際光交換的需求 , 且穩(wěn)定性和可靠度還 存在問題 , 造價(jià)也很高昂.另一類則是基于熱光 ( TO) 效應(yīng)和電光 ( EO)效應(yīng)的 Si 基光開關(guān). 這類光開關(guān)大都做成 M2Z 干 涉儀的結(jié)構(gòu). 制作在 Si 基片上 SiO2 波導(dǎo) TO 型 M2Z 光開關(guān)是已成熟的一種. SiO2 有比較大的熱光系 數(shù) , 且導(dǎo)熱系數(shù)又很小 , 因此開關(guān)功耗可以做小. 但導(dǎo)熱系數(shù)小 , 卻使開關(guān)熱弛豫時(shí)間拖長(zhǎng) , 一般也 為毫秒量級(jí). 目前研發(fā)

23、的 TO 光開關(guān)矩陣已達(dá)規(guī)模 化 , 并開始應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) , 但造價(jià)仍不 低. 采用 Si 基 SOI 基片制作的 TO 光開關(guān) , 由于 Si 的熱導(dǎo)系數(shù)比 SiO2 大得多 ( 約 3 個(gè)數(shù)量級(jí)) , 因此 開關(guān)的熱弛豫時(shí)間可大幅度降低 , 但需要付出熱功 耗的代價(jià). 我們研制的這種開關(guān) , 在 015 W 熱功耗 下運(yùn)作 , 開關(guān)時(shí)間可低達(dá) 10s.電光型 EO 光開關(guān) , 可望達(dá)到小于納秒級(jí)開關(guān) 時(shí)間. 然而由于 Si 的 Pockel 效應(yīng)很弱 , 電光系數(shù)極 小 , 難以滿足 EO 開關(guān)的要求. 運(yùn)用納米技術(shù)和能 帶工程改性是一個(gè)重要的研究方向. Polymer 材料的 電

24、光系數(shù)很大 , 電光響應(yīng)時(shí)間可達(dá)皮秒級(jí) , 是一個(gè) 非常誘人的研發(fā)方向 , 需要解決的問題是材料的穩(wěn) 定性.216 寬帶波長(zhǎng)變換器基于半導(dǎo)體光放大器 ( SOA) 運(yùn)作的波長(zhǎng)變換 器 , 是比較成功的一種. 波長(zhǎng)變換的功能即利用SOA 的非線性增益和均勻展寬特性. 它有 3 類工作模式 , 即 : 交叉增益調(diào)制 XGM ; 交叉相位調(diào)制 XPM 和 4 波混頻 FWM. 最有發(fā)展前途的是交叉相位調(diào)制 的工作模式. 將 2 個(gè)性能相同的半導(dǎo)體光放大器 SOA1 、SOA2 通過 3 dB 定向耦合器組成一個(gè) M2Z 干涉儀 , 試探光c 經(jīng)耦合器分束 , 同時(shí)入射到兩臂的SOA 中. 盡管它們都

25、對(duì) SOA 的光增益產(chǎn)生了調(diào)制 ,但在對(duì)稱運(yùn)作下 , 兩者相位差為零 , 因此輸出端保 留c 激光輸出. 此刻若信號(hào)光s 向某一臂的 SOA1 入射 , SOA1 將產(chǎn)生附加光增益調(diào)制 , 等離子色散 效應(yīng)將使 SOA1 的折射率發(fā)生變化 , 使 SOA1 臂中對(duì)c 試探光的傳播系數(shù) (或相位) 受到調(diào)制 , 選擇適 宜的工作條件可使兩臂的相位差為. 由于相干抵 消的結(jié)果 , 干涉儀的輸出端將沒有c 激光輸出. 這 就實(shí)現(xiàn)了傳輸信息碼 s c 的波長(zhǎng)變換. XPM 模 式對(duì)自發(fā)輻射光有抑制作用 , 波長(zhǎng)變換對(duì)比度較 高 , 比較適宜于級(jí)連使用.In GaAsP/ InP MQW 基的波長(zhǎng)變換器

26、已能在 1131155 m 波段下工作 , 響應(yīng)速率可達(dá) 100 Gb/ s , 但對(duì)單個(gè) SOA 波長(zhǎng)變換器的變換帶寬則受限于 SOA 的光增益平坦帶寬. 一般可連續(xù)變換譜區(qū)在 40 nm以內(nèi) , 而石英光纖的全波窗口達(dá) 400 nm , 因此在高 密集度 DWDM 光網(wǎng)絡(luò)中 , 必須考慮不同響應(yīng)譜帶的多個(gè) SOA 級(jí)連使用. SOA 的制作工藝要求苛刻 , 造價(jià)很高 , 響應(yīng)時(shí)間為納秒量級(jí) , 不易實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)信 道同時(shí)有效轉(zhuǎn)換 , 對(duì)于有實(shí)用價(jià)值的全光交換系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn) , 仍然是一個(gè)有待解決的問題.一個(gè) 值 得 重 視 的 重 要 進(jìn) 展 是 在 周 期 極 化 的(LiNbO3) 波導(dǎo)中

27、 , 通過同時(shí)進(jìn)行級(jí)連式二階非線 性光學(xué)效應(yīng) , 實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)信道的實(shí)時(shí) 、高效波長(zhǎng)變 換 , 即 PPLN(2)(2) 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn). 之所以選 用 LiNbO3 , 是因?yàn)樗?2) 比 SiO2 大 104 105 倍 , 有很強(qiáng)的二次諧波激發(fā) ( SHG) 和差頻激發(fā) (DFG) 效應(yīng). 這就使得能采用與信號(hào)光波長(zhǎng) s 的長(zhǎng)波泵 浦光 p 經(jīng) SHG 效應(yīng)獲得足夠強(qiáng)度的倍頻 (2p ) 光 , 而幾乎同時(shí)通過與 s 頻率的信號(hào)光拍頻產(chǎn)生新的 變換光頻率c = 2p - s . 其輸出功率 Pout與運(yùn)作 條件有如下關(guān)系第 3 期王啟明 : 支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)193

28、1 2 L 4 Pp 2 PsPout 218高性價(jià)比的長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器( VC2SEL)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展既取決于社會(huì)對(duì)信息化程度的迫 切需求 , 也有賴于系統(tǒng)造價(jià)成本的降低 , 以使市場(chǎng)的開拓與用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力相匹配. 光電子器件 造價(jià)的降低是一個(gè)重要的努力方向. VCSEL 激光器(4)4其中 , PP 、PS 分別為泵浦功率與信號(hào)功率 ; 為與材料(2) 有關(guān)的歸一化變換效率 ; L 是作用長(zhǎng)度. 將 LiNbO3 波導(dǎo)做成光柵結(jié)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)變換波長(zhǎng) 的準(zhǔn)相位匹配. 它與變換波長(zhǎng)間敏感性是不強(qiáng)的 , 變換效率的提高可從適當(dāng)增大作用長(zhǎng)度和提高泵浦 功率 Pp 實(shí)現(xiàn) , 0 dB 甚至

29、 3 dB 的轉(zhuǎn)換效率有望實(shí)現(xiàn). 由于它的變換過程是純光學(xué)的 , 具有實(shí)時(shí)性 , 不存在自發(fā)輻射噪聲 , 對(duì)比度高 , 并有多波長(zhǎng) 、高效率轉(zhuǎn)換優(yōu)點(diǎn) , 是很有前途的一個(gè)新突破.從集成化的角度考慮 , Polymer 也具有強(qiáng)非線性 光學(xué)的優(yōu)勢(shì) , 并可在 Si 基片上研制 , 有利于實(shí)現(xiàn) OEIC , 因而是值得探索的更具實(shí)用化的努力方向.217 短程多模干涉 ( MMI) 分束器傳統(tǒng)的光開關(guān)單元是由 2 個(gè) 3 dB Y 型波導(dǎo)耦合 器與 M2Z 開關(guān)的兩臂連接組成. 實(shí)現(xiàn)多址傳送功 能 , 需要眾多的光開關(guān)單元按樹枝狀網(wǎng)絡(luò)連接組成 大規(guī)模的光開關(guān)矩陣. 連接光波導(dǎo)的累計(jì)光程很 長(zhǎng) , 網(wǎng)

30、絡(luò)分布復(fù)雜 , 芯片面積很大 , 傳輸光的損耗很大 , 因此需要發(fā)展一種短程多址分束器. 多模干 涉耦合器能很好滿足這一需求. 它是一個(gè)適宜尺寸 的多模光波導(dǎo) , 兩側(cè)連接有輸入 、輸出用的單模光 波導(dǎo) , 由單模波導(dǎo)入射的信道光束進(jìn)入多模波導(dǎo)后 通過波導(dǎo)側(cè)壁的多次反射引起的干涉效應(yīng)在多模波導(dǎo)中的不同截面形成不同級(jí)別 、強(qiáng)度均衡的多模光 斑 , 其傳播方向 、相位與入射光波一致. 根據(jù)系統(tǒng) 的需求來確定多模波導(dǎo)的長(zhǎng)度 , 便可獲得 1 ×N 或 M ×N 自映射多模分束器或耦合器 , 從而實(shí)現(xiàn)多址 分束功能.MMI 分束器的長(zhǎng)度一般為波長(zhǎng)量級(jí) , 在 10 m 以內(nèi). 由此

31、組成的光開關(guān)矩陣 , 損耗可大幅度降 低 , 芯片面積也大大縮小. MMI 具有對(duì)稱功能 , 且 對(duì)波長(zhǎng)敏感度較弱 , 已有人用它作為小規(guī)模 ( 8 個(gè) 信道波長(zhǎng)) 的復(fù)用/ 解復(fù)用器使用 , 在 OADM 系統(tǒng)會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景.SOI Si 基材料是研發(fā) MMI 的理想選擇. 它不僅體積很小 (5 m ×5m ×80 m) , 有一個(gè) 3的襯底已研制出 256 ×256 VCSEL , 成品率很高. 借助微電子工藝又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化封裝 , 可望使售價(jià)降低到 用戶可接受的程度 ( 比現(xiàn)在的 DFB 激光器便宜 100 倍) . 不幸的是 , 現(xiàn)在的 In GaAs

32、P/ InP 基長(zhǎng)波長(zhǎng)激光 器由于 2 種材料間的折射率差很小 , 制備 90 %反射率的 DBR 至少要交替生長(zhǎng) 100 對(duì)異質(zhì)層 , 造價(jià)很高 , 工藝難度極大 , 是需要攻克的一個(gè)難關(guān). 采用低溫鍵合技術(shù)將 Al GaAs/ GaAs 或 SiO / Si 的 DBR 與2In GaAsP/ InP MQW 芯片結(jié)合一起 , 是一個(gè)有希望的研發(fā)方向 , 關(guān)鍵是要求經(jīng)鍵合后的芯片具有完美的 光學(xué)界面 , 保證諧振腔有很高的 Q 值. 如能實(shí)現(xiàn)可選波長(zhǎng)的發(fā)射功能 , 它在 OADM 和 OXC 運(yùn)作中將有重要的應(yīng)用. 這是我們正在研究的一項(xiàng)重要課 題.此外 , 支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光電子器件還有

33、 : 光 功率均衡器 、模梳狀分離器 , 以及用于泵浦摻 Er和 Tm 光纖放大器 EDFA 和 TDFA 的量子阱 980 nm大功率激光器和泵浦光纖 Raman 放大器 DRFA 的 14××nm 波長(zhǎng)系列化大功率激光器等.未來的發(fā)展趨勢(shì)3雖然現(xiàn)已研發(fā)的光子器件已能滿足當(dāng)前光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求 , 但隨著信息化社會(huì)的發(fā)展 , 傳輸信息 量的激增 , 實(shí)時(shí)性要求的提高 , 用戶數(shù)量的擴(kuò)大和 對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的重視 , 光網(wǎng)絡(luò)的功能配置必將大大增 強(qiáng) , 它將不斷地對(duì)光子器件提出新的要求 , 因此繼 續(xù)研發(fā)更高性能的光子器件是一項(xiàng)長(zhǎng)期的創(chuàng)新性任 務(wù). 優(yōu)化功能 、降低成本 、開拓市場(chǎng)

34、始終是光電子 器件發(fā)展的主流.311 光器件集成的研發(fā)光器件集成的研發(fā)是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì) , 它包 括有源光子器件集成 , 即光子集成 ( PIC) 和無源 光波回路集成 ( PLC) 芯片的發(fā)展. 前面論及幾種關(guān)鍵性器件幾乎都是光子集成器件.工藝成熟 , 材料低廉 ,關(guān)電路實(shí)現(xiàn)單片集成 ,化生產(chǎn).更重要的是它能與微電子開從而有利于 SOC 芯片的規(guī)模光波回路集成是將若干無源光波導(dǎo)器件制作在一個(gè)基片上 , 通過平面波導(dǎo)互連 , 構(gòu)成一定的功能 回路 , 應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)體系.光器件集成不僅能使器件性能 , 如響應(yīng)速率 、 耦合效率 、功耗 、串?dāng)_等特性得到根本性改善 , 同 時(shí)也使功能芯片的穩(wěn)定性

35、 、可靠度和成品率得到大 幅度提高 , 從而也使芯片的整體造價(jià)大幅度降低.312光電子集成芯片的研發(fā)這又是一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì). 光器件的運(yùn)作離不 開電的驅(qū)動(dòng)與控制 , 因此一個(gè)完整的集成功能芯片應(yīng)包含有光子器件和電子器件的兼容集成 , 構(gòu)成一個(gè)光電子集成系統(tǒng)芯片. 業(yè)已成熟的微電子技術(shù)首 推 Si 基和 GaAs 基 2 類 , Si 基微電子無論從技術(shù)的 成熟性 、規(guī)模化程度 、性價(jià)比等方面 , 遠(yuǎn)比 GaAs基優(yōu)越 , 因此 Si 基 SOC 光電子集成芯片的發(fā)展 , 是一個(gè)夢(mèng)寐以求的目標(biāo). 除了有源光子器件 ( 激光 器和光放大器) 外 , 其余的性能優(yōu)異的無源光子器 件幾乎都可在 Si

36、的基片材料上得到實(shí)現(xiàn) , SiO2/ Si 、 SOI、Si Ge/ Si 等結(jié)構(gòu)材料為 Si 基光子器件的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間. 能帶工程和納米技術(shù)的運(yùn)用 還將會(huì)為之開創(chuàng)新局面.由此可見 , 未來的光電子集成 SOI 芯片將是以 Si 平臺(tái)為基礎(chǔ)的集成芯片. 低溫鍵合技術(shù)的運(yùn)用對(duì) 以 Si 為平臺(tái)的光電子 SOC 芯片的發(fā)展將作出重要貢獻(xiàn).313規(guī)模化產(chǎn)品技術(shù)的研發(fā)這也是未來又一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì) , 必須研究大幅度降低光電子器件與芯片成本的途徑.制造工藝的簡(jiǎn)約化 、標(biāo)準(zhǔn)化 、系列化和自動(dòng)化 是必由之路. 滿足光網(wǎng)絡(luò)各種需求的光子器件要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 , 工藝兼容性高. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化 、系列

37、化的平面工藝技術(shù) , 為產(chǎn)品研制過程自動(dòng)化打下基礎(chǔ) ,最終實(shí)現(xiàn)低成本規(guī)模化產(chǎn)品開發(fā)的遠(yuǎn)大目標(biāo).光子集成與光電子集成芯片產(chǎn)品化技術(shù)的實(shí) 無疑將使光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展走進(jìn)千家萬戶 , 為信息現(xiàn) ,化時(shí)代的來臨作出歷史性的巨大貢獻(xiàn).參考文獻(xiàn) :王啟明. 光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵性光子集成器件的研究與發(fā)展(上) J . 光纖通信 , 2001 , 23 ( 3) : 8214.王啟明. 光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵性光子集成器件的研究與發(fā)展(下) J . 光纖通信 , 2001 , 23 (4) : 8212.Ouay Eldada . 在電信和數(shù)據(jù)通信中光器件的研究進(jìn)展 J . 光學(xué)工程 , 2001 , 40 (7) : 11652

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39、6) : 6532655 (英文版) .7Research/ development and prospect of integrated photonicdevices supporting the development of optical net workWANG Qi2mingState Key Lab of Integrated Photonic DevicesInstitute of SemiconductorsThe Chinese Academy of SciencesBeijing 100083P. R. ChinaAbstract : The current trend

40、of key integrated photonic devices supporting the development of optical network is discussed第 3 期王啟明 : 支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)195based on the development need of dense wavelength division multiplexing (DWDM) . It is pointed out that the prospect offuture photoelectron technique is dependent on the research and development of optical devices IC , photoelectron IC , par2t