（光学工程专业论文）光通信中基于半导体工艺的硅基光波导技术的研究.pdf

浙江大学琐士论文 y5 8 9 0 9 0 摘要 光 通 l -i 术 a速 发 展， 其中 集成 7- 9光 波19 15 件 是 光日 豫 信系 统 中 釜关 重 要m 组成部分， 而 硅基 二氧化 硅/氮氧化硅光波导 器件由 于 其损耗小、 与 半导 体 工艺 a容 等优点 广泛应用于光通信 系统。 本 文 对 硅 基 光 波导 进行了 理论 分 祈和 模 拟设 计 ， 从 光 波 导 的 理 论 基 础和 模式 分 析入 手， 介绍了 束传 播 法、 有限 差分 法、 有效 折 射率 法 在光 波 导 理 论计 算中 的 应用。 应m基于完美匹配层边界条 件 ( p 邹 轰 - b 3 m广角有w差分束传播方法 ( f d - b p m ) ， 分析了 介质光波导 的 表面粗 糙度对波导 性能 的影响。 在计 算中 采用 高效的非均匀网格法， 并用 ( 2 ， 2 ) 阶p a d d 近似的广角b p m 时光在表面粗糙的直 r导 中豹传输毒 警 性 进行了 计 算模 拟。 - 1 9 7 7 年，贝 尔实验室和日 本电 报电 话公司几乎同时 研制成功寿命达1 0 0 万小时的 半导 体激光器， 从而 有了 真正实用的激光器。 1 9 7 7 年， 世界上第一 条光纤通信系 统在美国芝加哥市投入商用， 速率为4 5 m b l s . 进入实用阶段以 后， 光纤通信的应 用发展极为迅速。 7 0 年代的 光纤通信系统主要是用多模光纤， 应用光纤的短波长 8 5 0 n m 波 段; s o 年代以 后逐渐改 用长波长1 3 1 0 n m波段， 光纤逐渐采 用单 模 光纤; 进入9 0 年代以 后， 传输波长又从1 3 1 0 n m转向更长的1 5 5 0 n m波段， 并且开始使 用光纤放大器、波分复用 ( wd m) 技术等技术， 通信容量和中继距离继续成倍 增长， 成为长途通信线路的骨千。 1 ， 1 . 3 光通信系统的构 成 一 个典型的光 纤 通信系 统是由 光源、 光放大器、 光纤、 光接收 器几 部分构 成， 如鬓卜 3 所示。 信号 ( 通常是数字信号) 被光发送器调制到光频上， 光波在光纤 中 携带信号传输到远处， 光接收器通过光电 转换把信号再次从光波上取下， 实现 了信息的远距离传输。在一长 距离光纤通信系统， 通常需要光放大器增强光能量， 使光载波能够传输更长的距离， 发送器后紧接的是功率放大器， 光纤链路中放置 线路放大器， 接收器前通常设有前置放大器。 线路放大器可以 级联多个， 可以 实 现上千公里的无电中继的光传输。 钾t i c a # f 比 r o p t i - l 仙e r 圈卜 3 光 纤通信系 统的 基本 组成 现阶段的光通信系统一般都是应用了 波分复用 技术的系统， 把多 个波长复 合 浙江大学硕士论文 到同 一根光纤上进行传输的技术， 成为波分复用 ( w d m ) 。 1 9 9 5 年开始， w d m 技术 的发展进入了 快车道， 特别是基于掺饵光纤放大器( e d f a ) 的1 5 5 0 n m 窗口 密集波分 复用 ( d w d m ) 系统6 -4 。 波分复用技术的应用， 使不同 波长， 快或慢的异步和同步 数字数据及模拟信息可以 在同一根光纤上同时独立发送。 多个波长的使用不但增 加了 链路容量和灵活性， 还可以 利用信号的实际波长作为中间或最终地址实现波 长路由，而应用光分插复用器 ( o a d m)、光交叉连接器 ( o x c )和波长变换 器( t wo ， 可以实现波长交换， 从而可以构建不需要电中继的全光网络( a o n ) o 波分复用系统的基本组成是在传统的光纤通信两端增加波分复用器件， 见图 1 - 4。 很明显波分复用技术可以 大幅度提高光纤通信容量， 相当 于互不千扰的多 条光纤链路同时存在， 而不用铺设新的光纤。 这在长途光纤通信系统中显得更为 重要， 因为长距离的光缆工程建设耗费的成本极高， 特别是海底光缆， 建设和维 护都很困难。另外，光放大器等一些设备可以在链路中共享，节约了成本. o p t i c a l fi b e ro p ti c a l fi b e r d i g i 目 s i g 阔 d ig i t a l 5 1 包 n a i t ra n s m itte rr e c e iv e r 图1 - 4应用了波分复用技术的光通信系统 ， . 1 . 4 光纤通信的 特点 i ) 传 输频 带宽， 通 信容 量 大。 光 通 信使 用的 光 波 频 率 在 1 0 14 h z 左 右， 大 大 高 于 微 波 频 率1 护h z 和电 缆 通 信的 频率1 0 3 h z - 1 0 6 h z 。 载波 频 率 越高 ， 所能 承 载的通信容量也越大。 图1 - 5显示了光纤用于传输信号的频段。 远距离传输主要 使用s + c 十 l三个波段， 总计可使用频率范围 达3 5 t , 随着光线损耗峰的消除， 以 及激光器和光放大器覆盖的波段的扩展， 光纤通信可使用的带宽还有更大潜力可 以挖掘。 ( 2 ) 光纤损耗低， 传输距离长。 实用的光纤一般是石英 ( s i 0 2 ) 光纤， 要减 小损耗，主要靠提高s i o 2 材料的纯度。目 前的石英光纤在光波长1 5 5 0 = 附近 的 衰减有最低点， 可低至0 .2 d b l k m以 下， 接近理论极限值. 图 1 - 4显示了 石英 光纤的 损耗曲线。 随着制造技术的 提高， 光纤的 损耗在不断减小， 而且1 3 8 0 n m附 裂蜀嗜一d 涮i s i t * ! 裂t ，魄皿掣秆s i 蛹 鼍乎魄嚣：、 4 一一一塑鎏盔堂矍主鲨奎 近的水峰也犬犬降低，可以达到长距离传输的要求。同时由于损耗低，中继距离 研以很长，在通信线路中可减少中继站数量，降低成本且提高了通信质量。 删姻一和哪 图l 一5 不同波长的光在光纤中的损耗 ( 3 ) 光纾为非金属奔矮材料。不受黾磁干抗。秀曩不向孙界辐射电磁波，不 会造成电磁干抗和信遥之闻雏串音，函越具有很高的遥信质量。 ( 4 ) 光宝千通信具有良好的保密性。光纤中的信号不辐射电磁波，也很难被分 路，因此光信号极难被窃取和侦听。 ( 5 ) 光纤线径细，重璧辍。光纾直径鼠霄o i m m 左右，毒成光缆鹾直径较细， 煎量轻，敷设线缆时，空间利用率很高。 ( 6 ) 制作光纤的材料8 i 0 2 ，资源非常半富，相比较筒言，金属线缆的资源是 有限的。 ( 7 ) 光纤成本低廉。尤其是近2 年，由于批量生产的技术不断提高，以及园 黼各大光纾生产商的剧烈竞争，光纤的谨价饕常低。炮外，光纡还其有抗纯学瘸 饿、抗雷啬的特点。 当然，光纾本身也有缺点，如质地脆、机械强度低，要求比较好的切断、连 接技术，分路、耦合拢较麻烦等。架设鞠施工的成本比较高。 t 1 5 光纤通信发展的晨望 光纤通倍技术自2 0 世纪8 0 年代投入商用以来，从传统的准同步数字体系( p n h ) 发展兔弱步数字体系( s d h ) 。壶于w 测豹爨瑗，s 蹋氇惫 每稠络边缘弗淘融合豹多 5 激 堇大学硬论文 业务平台转溅，如基于s d h 、d w d m 等的多她务传送平台( m s t p ) 。光纤的应用从 也从干线网一步步延伸到揍入网。波分簸用技术方瓤也日渐成熟，太规模投入 巍港，并遴一步蠹超夫器蠢、超长甄离波势夏露系统发震。璋2 为了适戚发展、变革和觉争需要，利用当今最新拽术发展成聚，人们提出了 下一步网络发展豹总体设想釉思路，称之为下一代网络( n g n ) ，按照i t u t 建议 g ，n g n ，o v e r v i e w 戆最蠢定义，n g n 霆纂予分篷鹣强络+ 缝够挺供氛稽毫痿盈务在 内的所有业箨：能够利用多种宽带且服务质量( q o s ) 保证的传送披术：其业务相 关功能与其传送技术相独娆；n g n 使用户以自由接入剿不同的业务提供商；n g n 支持透露移动性，竞诲势用户提交始终如一薜，普邂存在嚣鼗务。珂嚣下一筏阏 涉及的内容十分广泛，不同专业和背景的人都在应用。从网络角腋，实际涉及了 从于线网、城域阚、接入网、用户驻地刚到各种业务阁的所有网络鼹面。下一代 丽终( n g n ) 酌发震霹戳攫捂海五太酸臻方彝：鞋蓑交挨鸯菝惑豁下一建交换秘、 以3 g 为代表的下一代移动满信网、以i p v 6 为基础的下代互联网、多元化的宽带 接入网、以光联网为基础的下一代传送网。在下一代网络( n g n ) 中，光通信 掩挎渍不可替霞薛重要箨爆，寒来竞蘧信登薅赣着全觉鼷( a o n ) 鼢方囊发展。 随着1 3 0 0 t 6 5 0 姗全波光纤的开靛、光线路放火器e d f a 、挝娆光纤放大器 歉各种复用技术、s d h 光传送网技术的发鼹，使通信姻实现全光化成为可能。全 党瓣是搭蘩感麸滚蔫点戮舀翡= 毒熹酶穗输完垒在毙域避行，簿垒部袋蒋竞渡蔽拳 究成信息的传输和交换的徽带网络。他包括光传输、光放大、光褥生、光选路、 光交换、光栉储、光信息处理等先进的念光技术。由予省去了光电转换环节，全 党惩不蔽繁终了大量宠毫转捩褛誓，丽盛出于漠豫了鬻赛瓶囊，客量胃望夫疆度 扩展，随之带来的透明憔逝可以使其支持各种客户朦信号。 全光网有如下特点： 1 ) 充分掰焉了毙纾瀚警宽资源，夺摄夫瓣转狳器量霾掇努的臻徐震囊。 ( 2 ) 全光网最重要的优点是他的开放性，全光网络的本质是完全透明的， 即对不间速率、协议、调制频率鞠制式的信号间时兼容，并允许几代设螽 p d h s d h a t m 甚至予球菝零茭存予一个竞翳蒸礁设麓。 ( 3 ) 全光网不仅扩大t 网络容量，而且利用o a d m 可实现在不同的节点灵洒 地上、”f 波长，利用o x c 实现波长路由选择动态鬟掏、网阃基连、自愈功 6 捧 选大学骥圭论文 能。 ( 4 ) 采用碰波长通道v w p 技术，解决了网络的可扩展性，节约阚络资源。 全光网络鹣一个最薪发袋趋势是弓l 入警动波长配鬻凌能，帮鸯麓交挟光圈终 ( a s o n ) ，智能化的光传输网络使光网络从静态光联网溅向自动交换光网络，所带 来熬主要好处肖：允许将网络黉源动态她分配给路由，缩短了业务屡丹级扩容时 闽，明显增翻渡务层节煮静泣务量受蓠；其有可扩袋鹣僖令袋力集，快遥瓣监务 撮供和拓展，俦举低维护管理运营费用；光层的快速业舞恢复能力，减少了用于新 技术配置管理舶运行支持系统软件豹需要，只嚣维护1 个动态数据艨，也减少了 人工窭错税会，还可鞋弓l 入巍靛、篮务癸黧，诸魏按需鬻宽监务、波长懿发、波繁 出相、分级的带宽业务、动态波长分配襁用业务、动态路由分配、光层虚拟专用 网( v p n ) 等，傥传统的传送阈向业务网方向演进。” 自动交换光潮络( a s o n ) 将首先在长途骨干网和藏城骨干网中褥至口应稻，进 而逐步向网络边缘渗透。考虑到引入独或控制平面所带来的网络建设成本，具有 突整矗s 麟蟹憝驰耀络节点w 匏不会大量部署在网络边缘( 魏翅络接入层) 。在网 络边缘的一个w 能的选择怒：由s d he c c 提供a s o n 控隶4 平面所需的传输带宽，如 需要还应进一步对a s o n 智能进行适当的裁减以降低资源占用，最终实现具有高性 馀院豹餐黪必臻竣萤点。珏 光网络研究的另一个热点是宽带无源光网络技术b ，无源光网络( p o n ) 技 术是为了支持点到多点应用而发展起来的光接入技术。由于采用光纤作为传输媒 矮，势蓑曩无滚毙分配弱，p o n 避免了羚部浚鍪豹邀磁予撬羁嚣凌黪嫡，鬣多了 线路和外部设备的故障率，提高了系统的可靠性，同时节约了维护成本。窄带p o n 几乎没有怎么实际应用就被宽带p o n ( b p o n ) 取代了，b p o n 目前出现t a p o n 、e p o n 移g p o n 这3 耱毅零。a p o n ( a t mp o n ) 是f s a n ( 全鲎务攘入网) 子2 0 凝纪9 0 年代孛 期开发完成，井随后确定为i t u 标准( g 9 8 3 ) 。由于存在复杂性高和数据传输效 率低等问题，因此虽然a p o n 的技术相对成熟，除了在目本有规模应用外，始终没 蠢禧嚣广泛豹纛露ee p o n ( e t h e r n e tp o n ) 燕i e e e 荛绥“淡太穗最瑟一公墼( e f m ) ” 研究组于2 0 0 0 年1 1 月通过的标准。以太网作为最流行的企事业用户揍人手段，具 肖建设成本、邋营成本较低，可扩展性好，安装维护释易等特点，舆有很大的发 震潜力。毽照，入褒怼子遂过萼冬鞋太弼穰燃这嚣爨鼓零绥合浚最终实瑗疆疆毒 7 澎江大学袋士论文 予了很大的期摄。g p o n 是f s a n 组织于2 0 0 1 年开始起草的传输速率超过1 g b s 的p o n 标准。2 0 0 3 年1 月，两个有关c p o n 豹标准( g 9 8 4 1 和g 9 8 4 2 ) 在i t u 得到通过。 g p o n 技术产室熬一个基本穗发点是：不弱靛鬏务需求辩痰不同的系绞容量。g p o n 的帧结构不赫予任何指定擞型的格式，而是基于各种用户信号原有的格式进行封 装。因此，它不但能够提供离速的比特帮，而且可以支持各种接人业务，特别是 麓够菲常有效滤支持藤奏捺成鹣数据滚豢帮t i ) m l k 务。秘g 鞠瓣穗毙，e p o n 最丈麓 问题是其承载北务的总体效率不高。由予采用8 b l o b 编码作为线路编码，这本身 就引入了2 0 的带宽损失，再加上e p o n 邋配业务的带宽利用率只有6 0 一7 0 ，从 褥使它鹣慈体效率哭骞5 0 是右。嚣g p o n 爨有离魄褥逮率( 爱裹2 4 g b s ) 、传 输时不改变原有信号格式( 即透明传输) 、很高的传输效率( 9 4 ) ，以及能够 支持多种业务( t d m 和数据) 等优点，因此该项技术一经提出即备受关注。g p o n 秘e p o n 这两耱秀素鄱不乏务舀靛支持者，究竟谁靛够农来来静应霜窜占蕹圭导遗 位尚难下定论。另外，虽然b p o n 技术无可争议的仍将怒未来宽带接入技术的发展 方向，但从当前技术发展、成本及应用需戡的实际状况看，它距离实现广泛应用 予电信接入蕊缭这一最终瓣繇餐会毒一个鞍长懿发震避程。 光通信系统的发展一方面用于上层干线的w d m 技水向城域网甚黛本地局域网 罄渗透，另一方蕊应用于下屡网络豹i ) 技术不断向上艨骨手网渗透。下一代网络 鬻定是基于l p 技术的，两基于i p 技术的光瀚络也是未来光通信发展的方向。现有 的网络架构是针对语音业务丽设计的，并不适合于i p 娥务的传送。随着i p 业务成 为阚络的主导娥务，为了减小开销，最大化粒利用传输带宽，接缓豹潮络结构将 祓i po v e rw d m 描6 网络结构模壅所取代。w d m 技术在擒离数据传送熊力的同时还 媳有不可比拟的联网优势，在从点到点w d m 系统向光联网方向的发展中，随之产 搬了i po v e rw 黼技术。i po v e r 弹蹦的基本工作原理是走纤壹接积光凝舍爨摆连， 藕合器把各波长分开或组含，输入和输溆瑞都用简单的光纤连接嚣。在发送蠕， 将不同波长的光信号组合( 复用) 进入一根光纤；在接受端，又将组合光信号分 嚣( 磐复弱) 弗送入不同鹣终端。因此i po v e r 驿渊跫一个真正的链路层数据网， 可戳通过指定波长骰旁路蘸嚣直接连袋。黼络的业务量程可以只在i p 层完成。i p o v e rw d m 光网络模型由核心光网络和连撩剿其上的i p 路由器组成，这些i p 路由器 道过动态建立的交换光路慝其他的i p 路出器穗连。i po v e rw 嘲光网络将囊着紧 8 辫汪丈学疆士论文 凑的集成模溅演进，演进澈程可分成三个阶段：i po v e r 点到点w d m 光链路，i p o v e r 波长交换光潮络鞍i po v e r 光分缎交抉魁。i po v e r 点到点如i l l 光链路解决 了i p 监务对带赛的渴求，僚电子瓶硬和鬟杂的弼络缩 旃黻裁了它鹩遽一步发展， i po v e r 可重构w d m 光网络将智能和光交抉引入光网络，使其经历了历史性的变 慧，但波长交换光阚终交换颗粒太粗，资源分配策略与i p 滥务的统计特性不搬褥， 髓鼠同样存在电子瓶颈闻邀；i po v e r ) 乜分组交换网怒魄分组交换技术离光层的 怒伸，既有分鳃交换高效灵活的特点，又绕开了电子瓶颈，对于未来承载i p 业务来 说是理想的必嬲络技术。 综上所述，未来的光瞬络将是一个以数字化表征为基础的多媒体宽带综合服 务网，其基本功能构架可分解为四部分，即超高速率，大容量资讯比特的载入与 糖送，用户资谖嚣求豹上下载路与灵涯豹分捶复用，涮嚣闯姿谖粒抉速交换与共 熠以及网路对传输通道的搿效经济路由选择。而光通俗技术进步的取得，是包括 光传输媒质、光电器件、光通信系统，以及网络应用镰多方面技术欺同进步的结 浆。遮羞光运绩技本遴一疹发瀑，必将辩2 l 蹩篼透信褥渡豹进步，乃至整令社会 缀济的发展产嫩巨大影响。 1 。2 集成平蕊光波导技术及器件在光通健中的应用 1 2 1 光通信发展的荚键技术 光源 按照i 彳善翡蔑莛t 惩予箨潍豹蠢售罨鼗渡波长趸蠢严格篾定豹在辫酾系统 中，各波长间隔很小( 目前窳用的波长间隔为0 8 n m ，述将进一步缩小至o 4 n m 或 慰小5 9 0 2 n m ) ，送i 此要求激光源( 主要是半导体激光器) 冉勺波长不但瓣命中i 刊一t 豹怒范，瑟基翳求波长镶稳定。掰戳零要邋一步发震波长胃选择、麓调谐、多波 长的半导体激光器光源。 光纤 全竞霹终戆逡现，霞嚣采必萃渡长穰瀵竣诗靛毙终穗经不麓灌惩垒光网络懿 嚣求即波长窗阴多而且宽( 即能容纳更多波长) ，允许注入更高的光功率( 满足每个 波长信号对光功率的要求) 摊。开发适合众光网络的光绛已经成为开发全光网络 黎镪 曼麓懿熏鼗缝藏部努。为遥应全毙瓣飞速发震懿嚣漤，裁一代器蔡特色静菲 9 浙江大学硕士论文 凑的 集成模型演进， 演进过程可分成三个阶段:i p o v e r点到点w d m 光链路，i p o v e r波长交换光网络和i p o v e r光分组交换网。i p o v e r点到点w d m 光链路解决 了i p 业务对带宽的渴求， 但电子瓶颈和复杂的网络结构限制了它的进一步发展， i p o v e r 可重构w d m 光网 络将智能和光交换引入光网 络，使其经历了历史性的变 革， 但波长交换光网络交换颗粒太粗， 资源分配策略与i p 业务的统计特性不相符， 而且同样存在电子瓶颈问题;i p o v e r 光分组交换网是电分组交换技术向光层的 延伸， 既有分组交换高效灵活的特点， 又绕开了电子瓶颈， 对于未来承载i p 业务来 说是理想的光网络技术。 综上所述， 未来的光网络将是一个以数字化表征为基础的多媒体宽带综合服 务网， 其基本功能构架可分解为四部分， 即超高速率， 大容量资讯比 特的载入与 传送， 用户资讯需求的上下载路与灵活的分插复用， 网际间资讯的快速交换与共 用以 及网路对传输通道的高 效经济路由 选择。 而光通信技术进步的取得， 是包括 光传输媒质、 光电器件、 光通信系统， 以 及网络应用等多方面技术共同进步的结 果。 随着光通信技术进一步发展， 必将对2 1 世纪通信行业的进步， 乃至整个社会 经济的发展产生巨大影响。 1 . 2 集成平面光波导技术及器件在光通信中的应用 1 . 2 . 1 光通信发展的关键技术 .光源 按照i t u - t 的规范， 用于d w d m 的光信号载波波长是有严格规定的. 在d w m d 系统 中，各波长间隔很小( 目 前实用的波长间隔为0 . 8 n m ，还将进一步缩小至0 . 4 n m 或 更小至0 . 2 n m ) ， 因此要求激光源 主要是半导体激光器) 的波长不但要命中i t u - t 的规范， 而且要求波长很稳定。 所以需要进一步发展波长可选择、 可调谐、多波 长的半导体激光器光源。 .光纤 全光网络的出现， 使原来为单波长信道设计的光纤己 经不能满足全光网络的 要求即波长窗口多而且宽 ( 即能容纳更多波长) ， 允许注入更高的 光功率( 满足每个 波长信号 对光功率的要求) 等。开发 适合全光网 络的 光纤己 经成为开发全光网 络 墓础设施的重要组成部分。 为适应全光网飞速发展的需要， 新一代各具特色的非 浙江大学硕士论文 零色散光纤己 经应运而生。 全波 石英光纤， 通过减 少与损耗相关联的 。 h 负离子，使在1 2 6 0 n m -1 6 7 5 n m 共4 1 5 n 。 的光谱带宽内能 提供低 损耗的 光纤通信。 负 色散大有效面 积光纤， 除了 负 色散 特性以 外.负 色散大有效面积光纤比 绝大多 数 光纤具有更大的 有效面积。 将光功率分散到更大的面积上减小了光纤中的光功率强度， 由此提高了 非线性功 率门限.因此允许更高的光功率射入光纤中，从而使光放大器豹间隔变得更远。 低色散斜率光纤， 减小色散斜率有两个主要的好处一 无需增加长波长的色散就能 够改善短波长的性能，井且降低了在c 波段和l 波段色散补偿的成本和复杂度。 现 代长 途 光纤 i m 信系 统 工作 在 第兰 波长 窗口 ( c 波黝, 将 来的 系 统工 作 在 第四 波 长窗口 ( l 波段) 。在 这些区 域低色散斜率 光纤的色散 可以 克服四 披混频效应和交 叉相位调制，问时能够防止脉冲扭曲过度而需要使用昂 贵的色散补偿器件。 对光纤特性的不同 要求取决 于光纤用于 何种网 络。 海 底光缆网传输的 距离最 长， 为了 满足系统的高 可靠性因而 在网 络中使 用了 大凳的昂 贵的 光放大器。 具有 负色散特性和大有效面积的光纤减少了对昂贵的光放大器的需求， 因此能够大量 的节约成本。 陆 地长途光 缆网， 采用非零 色散光纤和 每个信 道速率为i o g i7 1 s 方 案 己 被 广泛的公 认为 每比 特成本最低的 传输方式。 城域网 可以 从一根光纤中 容纳尽 可能 多的 波长中 受益， 而 全波 光纤能够容纳比 普通色散非 位移光纤多 4 0 % 的波 长， 所以适合用于城域网中。 .光探侧器、放大器 面对光网 路中高密集 度d w d m 的低串 扰解复用需 求， 必须在常规的光电 检 测器前面加上窄通带滤波器。 由分立元器件的组合可以 满足此要求， 但体积太大， 有附加损耗， 造价高。 再则. 这些检测器在空间安置上必须非常紧凑， 这就要求 对众多检测器实 现线列阵集成. 使用分立元器件的组合无法满足上述要求。 共振 腔 增强? l ( r c b ) 光电 检 测器由 此 应运 而 生。 它 是 在 很薄 ( 几 倍 波长 的 线 度 的 有 源 吸收 层的上 下面分别做上 d b r 镜， 由 此构成一个f - p 谐 振腔。 f - p 腔具有锐选模特 性， 同时 对未被吸收的入射光 通过腔内 多次往返， 起到了 多光程吸收 增强的 效果。 这 种 器件结 构 与 垂 直腔面 发 射 雷 射器 ( v c s b l 一 样， 尤 其 适 宜于 大 规模集 成和 批 量生 产。 采用外 延生 长或低温 键合技术， 将适宜的 吸收层构 置在上下d b r 间 ( 如 多 层s i o 1 s i ) , 形成f - p 腔，从而实现全波段的窄带可调 谐检测功能， 是一个引 入 关 注的重 要发展。 s i 基窄带 检测器的实 现， 为全 s i 让 光接收机的系统晶片 集成 浙江大学硕士论文 ( s o c ) 奠 定了 舞 a， 它 将 促 进 低 造 价 规 模 产 业 的 发 展。 1 7 d w d m 为提高通信容量所做出 的历史 性贡献是以 光 放大器的 成功应用为 前提 的， 要拓展新的 通信波段首先得开发出 达到该 波段的实 用化光放大 器， 即 要求光 放大器具有增益高、 增益带宽且平坦、 增益与偏振无关、 有大的饱和输出 功率、 有低的噪声指数、 结构紧凑、 价格便宜等。 掺饵光纤放大器( e d f a ) 和光纤喇曼放 大 器 ( f r a ) ia ;6 波长 范围内 的 放大 技 术是 今 后 研究 的 一 个重点 。 . 波分复用与解复用 复用器应是一种具备对称功能的器件， 已经发展了多种复用器， 例如， 多层 介质膜滤光片复用器， 光纤光栅复 用器 等。 然而， 由 于它们的损耗随着复用通道 的增加而增大， 满足不了 d wd m的密集复用传输， 一般只适用于3 2 个通道以 下， s i 基氧化硅阵列波导光栅器件 ( a wg ) 是目 前用干d w d m光网路的理想选 择。 从 技术 上看， 它的复 用路 数儿乎不受限 制， 只要增加 弯曲 波导的 路 数 - 般为 通 道数的1 0 倍 ) 即能 达到。 而 在 未 来的 d w d m 光网 中. 它 则是 不 可 缺少的 关 键 器件。 h 前发展的 梳状分离 器( l n t e r l e a v e r ) 能够将偶数与奇 数传输模分开， 它与 a w g 的 结合将能 减缓 在高密 集度d w d m中 a wg 承受的 压力。 除 此之外， s 邃s o l ( s i l ic o n - o n - i n s u la t o r ) a w g 和 s i 基 p o ly m e r a w g 是目 前 关 注 的 另 两 个 重 要 的 发 展方向。 . 波长路由、交 换 对于波分复用光通信系统 而言， 全光波 长变换器是 光波波长路由 系统的 核心 器件。 目 前 用 来实现波长 变换的 方案有若干 种， 如: 基于半导体光放大器 ( s o a ) 的波 长变换器; 利用带 有可 饱和 吸收段的d b r ( 分 布b r a g g 反射胜) 激光器的波长 变换 器; 利 用光 纤的 x (3 ) 通过四 波 混 频 ( b w m ) 机理 实 现波 长 变换: 利 用二 阶 非 线性光学晶体的频率 ( 波长) 变换。 ， 光插分复 用 ( o a d m ) 和光交 叉互 联 ( o x c ) 是自 由 波长全光网 ( a o n ， 中 路由 交换得以实 现的 关键技术。图 1 - 6 和图1 - 7 分别是o a d m 和。 x c 的模块原 理图， 光开关起着上下路信号和不同 光路间交叉互联的作用 是o a d m 和me 的核心器件。 目 前 光开关种类繁多， 在技术上甚至处于无序竞争 状态，但是微机械 ( m e m s ) 开 关和波导开关前景光明， 技术相对成熟. m e m s 由 于 得到 l u c e n t 和 n o r t e l 的 支 持， 发 展迅猛，已 经 实现了 6 4 6 6 4 的开关阵列， 在开 关损耗、串 扰、 消光比 等性 能 上优势明显， 但是它的开 关速度只 有毫秒量级， 不 适合高速切换的 要求， m e m s 浙江大学硕士论文 的机械转动装置也存在着磨损和可靠性的问题。 波导开关恰恰能弥补这些不足。 经过科研人员近年来的努力， 波导开关在综合性能上取得了 飞速进展， 并且开始 步入商品化阶段。 波导开关利用导波光学原理， 使信号光在介质光路中 进行传输， 同时通过热效应或者电效应来改变介质折射率， 达到光路通断或者改变光传播方 向的目的。波导开关随着光波导和光集成技术的进步衍生出不同的类型。 2 0 图1 - 6 o a d m 模块 空间浇 开关 位 分幼盆脚肠 t3fernxnenxxtnxngxc 图1 - 7 o x ( : 模块 1 . 2 . 2 平面光波导技术及器件应用 光器件和光电 子器件技术的发展方向是光集成 ( p i c ) 和光电集成 ( o e i c ) , 滤江大学颈士论文 的机械转动城鼹也存在着磨损和可靠性的问题。波导开关恰恰能弥补这些不足。 缀过科研人员避年来的努力，波导开关在综合性能上取得了飞速进展，并且开始 多入亵鑫纯除敬。波导嚣关零l 建毒渡走学瓣理，毽售号您在公覆毙踌审进行黄辕， 同时通过热效_ 陂或者电效戚来改变介质折射率，达到光路通断或者改变光传播方 向的目的。波母开关随着光波导和光集成技术的进步衍生出不同的类型。2 0 围i - 60 a d m 摸捷 窑翱沌汗荚 圈l 一7 。x c 模块 1 2 2 平面光波导技术及器件应用 光器 孛秘涎奄子器佟按拳戆发爱方彝建毙集成( p i c ) 耪走电集蔽( o e i c ) 。 1 2 澎汪大学骥论文 光波导是集成光学重要的熬础性部件，落能将光波柬瓣在光波长量驶尺寸的介质 中，长距离凳辐射的传输。平面波导型光器件，又称为光子集成器件。其技术核 ，猃是采霜集袋党学工艺撮擐凌耱要求牵8 竣各种平蘸淹波导，舂魏还鬟在一定酶袋 嚣上沉积电极，然后光波导辩与光纤或光纤阵列耦合，是多类光器件的研究热点， 光通信系统巾应用的许多器件都是平硒光波导器件，乜通信要走囱垒光网，突破 “龟子蘸颈”静采缚，蓄笼这篓嚣箨需螫滋一参发展，域熬超来，澎藏像毫予嚣 器件一样的低成本，规模化生产。 平面光波导按材料可分为四种基本类型：铌酸镪镀钛光波导、张基沉积二氧 纯硅光波导、i n g a a s p i n p 必波导察聚念镌( p o l y m e r ) 鬼波导。 l i n b 0 3 龋体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。 除了不能做光源和搽测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输麓彳牛。铌酸镪 镀铰光渡每嚣发较翠，箕童鬟工艺过稷怒：首先在镊羧键萋俸土鼷蒸发沉积或溅 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，褥进行扩散， 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。并沉积上二氧化 麓保护层。制成早蟊强滚替。该滚导豹旗耗一般为0 2 - 0 5 d b c m 。调翻嚣移嚣关 的驱动电压一般为i o v 左右：般的调制器带宽为几个g h z ，采用行波电极的 l i n b 0 3 光波鼯调制器，带宽已达5 0 g h z 以上。 建基淀耪二氧毒乏硅宠波霉是2 0 蓬纪年代发震趱泉静薪技术，主要有氮襞 化硅和掺锗的醚材料，国外已i 比较成熟。其制造工艺脊：火焰水解法( f h d ) 、 化学气相淀积法( c v d ，日本n e c 公司开发) 、等离予璃强c v d 法( 美国l u c e n t 公霹开发) 、爱痘离子 交轰l 技术p i e 多孑l 疆襞位法霾熔胶一凝胶法( s 0 1 g e l ) 。该 波导的损耗很小，约为0 0 2 d b c m 。 基于磷化铟( i | l p ) 的i n g a a s p n p 光波导豹研究也鼓：较成熟，它可与i n p 潦黪有源与无源毙器粹及i n p 基徽电子溺赣集成在弼一基片主，餐箕与先纤静糕 含损耗较大。 聚合物光波导是近年来骈究的热点。该波导的热光系数和电光系数都比较 大，镶适合予毒舞翻嵩速宠滚鼯开关、a w g 等。采蔫裰亿聚台褥俸为工作物质。 款突出优点魑材料配置方便、成本很低。同时由于有机聚合物具有与半导体相容 的制各工艺而使得样品的制备非常简单。聚合物通过外场极化的方法可以获褥裔 1 3 浙江大学琰士论文 于铌酸锂等无机晶体的电光系数。德国h h i 公司利用这种波导研制成功的a w g 彼2 5 6 5 ( 3 的波长漂移仅为土0 0 5 r i m 。几乎任何材料都可以作为聚合物的衬底。 戒零舔纛，发袋菸景番努。 此外，为了得到更好的光波导性能，许多研究机构派在探索在新测材料上的 波导制造方法。目前，有机既机混合纳米材料的平面光波导已研制成功，兼具有 壤与无辊麓辩鹣撬点，蟊毪缝稳定哥靠、麓王骞荔、戆嘏撵鬟求满控您学毪l 等。 由于新材料具肖感光特性，猩制造工艺上以显影方式崴接做出的导光线路，将能 进步应用以低成本的简单正艺，更可大幅减少器件制造商豹设备投入成本。 嚣蓑，巍逶薅应竭最多静平嚣必波等器终主要惫捂畜：备类先藕合器 ( c o u p l e r 、s p l i t t e r ) 、平面波导阵列光栅( a w g ) 、i n t e d e a v e r 、大端口数矩阵光 开关( s w i t c h ) 、阵列型可变光袭减器( v o a ) 、可调谐光滤波器( o t f ) 、e d w a 及 霹调谐壤薤均鬟嚣等。 ( 1 ) 光耦合器 如图卜8 所示，硅基s i 0 2 光波导技术制作的1 n 分支光功率分配器 ( s p l i t t e r ) 是警蠢波导绩蕊豹一耱基零瘦鲻，宅其京鼹统毙纾藕台器j 莠无法提魄 的小尺寸与高熬成度，而且带宽宽、通道均匀性好。 溪1 9l 1 6 y 分支毙磅攀分配嚣( s p l i t t e r ) ( 2 ) 波分复用解复用器件 基于平面波导结构的集成平面型波分簸用器，因其具有插入损耗低、尺寸小、 1 4 瀵江大学顿士论文 易与光纤耦合、工艺成熟、适于批量生产、重复性好镣优点，是波分复用器的热 门课题。其中熬耍的两种形戏是阵列波导光栅( a w g ) 和蚀刻衍射光栅( e d g ) 。 乎嚣渡嚣簿捌光舞( a w g ) 是基予予涉霖瑾形藏瓣波分复躅嚣傍，其基本 结构由3 部分组成：输入，输出光波导阵硎、自由传播区平板波导和弯曲波导阵 列。弯曲波导之间有固定光程差，使得不同波长豹光信号在输出自由传播区干涉， 募瓢不嗣簸国波导露羧窭。a w g 是第一令将平瑟波导技术窿矮予蘸麓纯熬元终。 熟做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层，蒋利用微影南0 程( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 及 眨应式离子蚀剡法( r i e ) 怒义出阵列波导及分光元件等，然后在最上层覆以保 护层帮哥完成。a w g 豹臻l 终耪辩狳s i 0 2 s i 势，i n c m a s p i n p 纛p o l y m e r s i 氇露 被采用。i n g a a s p i n p 系的a w g 被看好的原因在于鬯尺寸小并能岛i n p 基有源 与无源光子器件及l n p 基微电予回路集成在同一基片上。a w g 光波导的通道数 蠢最裙豹1 6 逶遴已发震舞4 0 0 令逶遂，瓣藏亵溪渡符熬锈疆4 8 逶遂为主流。 捌l q 平面渡导弹到光栅( a w g ) 亥l 蚀褥射毙撵( e d g ) 泼分复用器2 捅当于将传统毙裰型器俸舔缩蔓j 平面波 导的= 维空间艇。如图卜i 0 所示，器件集成在单片半导体基体上，入射光由光纤 鼯入输入波导，氍出蚀刻光拯按不同波长羽光聚焦在不同熬位置，出埝赶波导导 斑，实现波分发雳。这重酶及射光禳由戳蠢或配p 等于法掰蚀得到，匿既称之 为蚀刻衍射光栅( e d g ) 。e d g 器件核心魁闪耀光栅，熬能量利用率商，插入损 糕小，为了提离光掇的反射攀，通常在刻镞成豹光掇努袭嚣镀上金爝茨射骥，或 1 5 潺江大学颈士论文 者做成全内反射的v 型槽面。 g r a t i n g 图i - i 0 刻蚀衍射光栅( e d g ) 波分簸用器 ( 3 ) 光交错龋厢器( i n t e r l e a v e r ) i n t e r l e a v e r 兹基本工作暇毽是嚣柬必豹子涉，予涉产生了周翅救戆、覆来信 母波长整数倍的输出。通过控制干涉的边缘图案就可以选择合适的频率组输出。 换句话说，通避合适的干涉参数设计，w 以使i n t e r l e a v e r 的透射谱照梳状波的形 羧。i n t e r l e a v e r n - i 姆一束多臻遴壤号分枣残萎於戆两索，一寨包括鸯数售遴痿号， 舄一束是偶数倍道信号，使得信道之间的间隔变为原来的两倍。利用级联的 i n t e d e a v e r 可实现更宽的通道分离，然后多层级联形成波分复用器。2 2 由马赫一泽 德干涉爨( m a c h z e h n d e ri n t e r t e a v e r ，m z i ) 级联构残鹣波分复媛器懿銎1 - 1 i 掰 承，该器件可以由基予二氧化硅光波导绪构的平面集成形式实现。 圈1 1 2 级联m z 予涉型波分复用嚣 ( 4 ) 大端口数矩阵光开关( s w i t c h ) 平面波导擞开关主要包禽热光开关、魄光开关和念内反射型开关。热光开关 1 6 浙江大学硕士论文 是利用硅波导的热感应折射率变化制作的，其m z 腔由二个3 d b 耦台器和二 个波导臂组成的其中一臂上加有热光相移薄膜加热器。通过受热和非受热实现 开关功能。电光开关与热光开关的波导结构相似，但采用电折变效应来实现对波 导臂的光程差调制。由于s i 材料为中心反演对称结构，克尔效应极弱，电光系 数很小，因此难以利用场致折变效应，只能利用s i 材料中的等离子色散效应， 于是s i 波导层中需要制备p - n 结，以实现高浓度载流子的注入。i n g a a s p l n p 材 料有较强的泡克尔效应和较大的电光系数而成为该类开关的研究热点。 r c o e s 唰o n a e n r t m z i s e c t i 。n 甓器2 图卜1 1 几种典型的电光开关示意图 全内反射型开关又叫气泡开关，利用了热毛细现象。是在波导的交叉点上垂 直形成窄矩形槽，槽内封入少量折射率匹配油，薄膜金属加热器淀积在槽的端上， 通过加热使槽内的油产生气泡以改变波导交叉点的折射率来实现开关功能。 ( 6 ) 可调谐光滤波器( o t f ) 该类器件大多利用铌酸锂良好的电光特性，在单片平面波导结构上实现可调 谐滤波功能。上世纪末，美国物理研究所在氟化聚合物平面波导上掩模形成布拉 格光栅，成功地实现了在1 5 5 # m 波g t1l n m 的可调谐滤波，串音2 0d b ，插损 3 2d b 。 ( 7 ) 掺铒光波导放丈器( e d w a ) 工作在1 5 5 0 n m 光通信波段的掺e 一+ 波导放大器( e d ，a ) 是继掺铒光纤放大 1 7 囊茳大学矮士论文 器( e d f a ) 、半导体光放大器( s o a ) 研制成功以来又种具有发腿前途的光放大 器。e d w a 般由内嵌制俘在e 一：y b ”菇掺杂玻璃撼片上的光波导组成。光波 簿缮捺骚够将蓑漶旁鼗爨缝寨在薤嚣蘸嚣零枣、畏凌较羲黪嚣装蠹，熹羲夔瑟数 艇米长高浓度的掺铒增被介质，就可以樽到常规掺铸光纤几十倍的帮位长度光瀚 箍。e d w a 制造成本低、单位长度增髓随、结构滕凝、尺寸小瑙，很适合予谢 羧空溪蠹熬灵活应矮；舅瓣，e d w a 凌戆集藏蕊慧经济，宅穗够 霉容嘉薅鸯 任何损耗器件集成在一越，如隔离器、相位阵列波群、分插复用器、调制器、光 开关、光交义连接器等，从丽为集成凇鼯引进多种谢滚元件， g ) m a c h - z e h n d v r 耄蠢浚譬谖裁器 光调制器是高速长躐离光通信中必不可少的关键器件。在备种光谪带4 器中。 l i n b 0 3 ( l n ) 魄光调制器煅僻受关注的种。这是因为它其有调制辫宽宽、插入搬 耗禚、嚣潜王俸蔻蓬蠢、骥砖毫篷蒸、满淹装蓑器、线蝗动态莲嚣文、驻撬嚣繇、 调制度高、波长依赖性小以及色散小掷许多优点，撇遄合用于时分馘用和波分麓 用光传输系统。图卜1 2 为程l i n b 0 3 麟体上采用m z i 光波导制成姻电光调制龆 零蠢鋈， 掰l ”1 2 用m z i ( m a t h z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ) 锖1 1 成的电光谪喀0 器 1 。3 本文羔作 享毒薅瓷予器箨黠熹辩焦宠逶蘩黪笈攫毫赣凄爨受蛙舞蚕天嚣鼗，秃嚣攀馨 体光子集成芯片的发展贝0 将对全球信息网络体系的擞展再次作历搬性的巨大贡 献，成为支撑束来信息化社会发展的强大支柱。本文援建对基于带辱体工艺的s i 纂二羲蓰穗蕊氧证礁燕浚鼯按零赣竣下嚣量舅嚣瓣蘸究： 1 硅燕光波导的理论分析和模拟设计 从光波姆的理论基础釉模式分析入警，介绍了康传播法、有双艘势法、霄效 1 8 浙江大学硕士论文 折射率法在光波导理论计算中的应用。并且应用基于p m l 边界的广角f d b p m 法研 究了光波导的参数( 粗糙度、厚度、折射率差等) 对光场在光波导中的传输特性 ( 损耗等) 的影响。 2 硅基二氧化硅氮氧化硅光波导的工艺制作 先以硅烷、氧化二氮作为反应气体，采用等离子增强化学气相沉积( p e c v d ) 技术，不使用掺杂，在单晶硅衬底上制备了用于平面光波导的氧化硅薄膜。然后 在前面的工艺基础上，加入氨气，调整合适的工艺参数，在单晶硅衬底上制备了 用于光波导的高折射率氮氧化硅薄膜。通过棱镜耦合仪、傅立叶变换红外光谱、 扫描电子显微镜等测试手段，分析了薄膜的结构和光学特性，研究了薄膜特性( 折 射率、沉积速率、均匀性) 和工艺参量之间的关系，探讨在不使用剧毒危险性气 体g e h 4 的情况下，如何以快的生长速率获得折射率控制精确且红外投射性能满足 波导制作要求、微观表面平整，颗粒均匀的厚二氧化硅氮氧化硅薄膜。可将氧 化硅氮氧化硅薄膜制作成可用于集成光器件( a w g e d g 等) 的光波导。 参考文献 1 c j l v a i ld r i e l ，p a m v a ng r i n s v e n ，v p r o n k ，a n dw a m s n ij d e r s ，“t h e r e v o l u t i o no fa c c e s sn e t w o r k sf o rt h ei n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a y ”i e e e c o m m u n m a g ，v 0 1 3 5 ，p p 1 0 4 11 2 ，j u n e1 9 9 7 2 ，g ，h i11 ，lf e r n a n d e z ，a n dr c a d e d d u ， “b u i l d i n gt h er o a do fo p t i