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基于平面光波导技术的光分插复用器的研究 基于平面光波导技术的光分插复用器的研究 李明( 微电子学与固体电子学) 指导老师：吴亚明研究员 摘要 光通信网络发展的必然趋势是全光网，全光网的发展水平取决于光器件的进 展。光分插复用器( o a d m ) 是波分复用( w d m ) 系统的核心器件，是全光网发 展到环形与网状结构的标志性器件。基于平面光波导技术的o a d m 具有体积小、成 本低、性能高等优点，符合光器件集成化的发展方向。因此研究基于平面光波导技 术的光分插复用器具有非常重要的意义。 本论文以o a d m 器件作为研究对象，在平面光波导与波导光栅的基本原理以及 零祸合器o a d 器件的基本原理与设计方法的基础上，主要研究了波导g r a g g 光栅 辅助的耦合器型o a d m 器件的设计与优化以及o a d m 器件的实验制作。 论文首先研究了零耦合器型o a d m 器件的基本原理与设计方法，特别是y 分支 的串扰特性与斜光栅的耦合特性。对于y 分支结构的理论分析，论文首次采用正交 模式与波导模式相结合的方法。该理论简单、直观，计算结果与有限差分光束传播 方法( f d b p m ) 模拟结果相吻合。 论文首次提出了一种基于斜光栅辅助的对称耦合器型o a d m 器件。通过增强对 称耦合器的两种正交模式在光栅区域模场分布的相似性，使斜光栅的自耦合作用与 互耦合作用同时达到最优，从而保证o a d m 器件在输入与上载端口获得低的回波以 及低的串扰。 论文首次提出一种降低o a d m 器件回波的回波峰值波长设计法。它利用w d m 信 号的特性，将器件的工作波长设计到w d m 信道内，回波蜂值波长设计到w d m 信道外， 使得器件的回波大大降低，工艺容差显著增加。它适用于不同类型的o a d m 器件， 为实现高性能、大工艺容差的o a d m 器件的设计提供了一种可行的技术方案。 论文首次提出了基于斜光栅辅助的非对称耦合器型o a d m 器件的设计。它运用 复合波导的三维正交模式，对器件的三种结构进行理论分析以优化结构，并运用回 波峰值设计法，降低了器件的回波，扩大了器件的工艺容差。 论文在国内首先进行了u v 写入波导b r a g g 光栅的实验，较为系统地研究了相 中国科学院上海微系统与信息技术研宄所博士学位论文 i 摘要 位掩膜法写入的波导b r a g g 光栅的特性。 沦文首次制作了基于波导b r a g g 光栅的非对称耦合器型o a d m 器件。经测试其 插损为7 d b ，串扰为一2 3 d b ，回波为一2 2 d b 。实验结果也验证了回波峰值波长设计法 的正确性。笔者对实验结果进行了分析，对下一步的工作进行了展望，确定了改进 方向与措施。 关键词：硅基二氧化硅材料，平面光波导，波导布拉格光栅，光分插复用器 中国科学院上海擞系统与信息技术研究所博士擘住论文 i i 基于平面光波导技术的光命橘复用嚣的研究 r e s e a r c ho no p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e rb a s e do i lp l a n a r l i g h t w a v ec i r c u i tt e c h n o l o g y l im i n g ( m i c r o e l e c t r o n i c s d ir e c t e db yw u a n ds o li ds t a t ee l e c tr o n i c s ) y a m i n g ，p r o f e ss o r a b s t r a c t t h ep r o g r e s so fo p t i c a ld e v i c e sd e t e r m i n e st h ed e v e l o p m e n ts t a g eo ft h ea l lo p t i c a l n e t w o r k ( a o n ) ，w h i c hi st h en e c e s s a r yd e v e l o p m e n tt r e n do f t h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) ，t h ek e yc o m p o n e n to ft h ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m a r k st h ed e v e l o p m e n to ft h e a o ni n t or i n g - o rm e s h s t r u c t u r e t h eo a d m sb a s e do np l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c 、 t e c h n o l o g yh a v et h ea d v a n t a g e so fs m a l ls i z e ，l o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c ea n da c c o r d w i t ht h ed i r e c t i o no ft h eo p t i c a ld e v i c e st o w a r di n t e g r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a t s i g n i f i c a n c et os t u d yt h eo a d m s b a s e do np l ct e c h n o l o g y b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r i e so ft h ep l c sa n dt h ew a v e g u i d eb r a g gg r a t i n g s ( w b g s ) a sw e l la st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d so fan u l l c o u p l e r - b a s e d o a d m ，s o m ei m p r o v e dd e s i g nm e t h o d sf o r o p t i m i z i n g t h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o u p l e r - b a s e do a d m sa r es t u d i e di nd e t a i l s e x p e r i m e n t a ls t u d i e so ft h ef a b r i c a t i o no f a l lo a d ma r ea l s oc a r r i e do u t t h eb a s i cp f i n c i f l e sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d so fan u l l c o u p l e r - b a s e do a d ma r c , s t u d i e df i r s t l y , e s p e c i a l l yi nt h ec r o s s t a l ko fay - b r a n c hs t r u c t u r ea n dt h ec o u p l i n g p r o p e r t i e so fat i l t e dg r a t i n g t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fay - b r a n c hs t r u c t u r e ，b a s e do n t h ec o m b i n a t i o no fn o r m a lm o d e sa n dw a v e g u i d em o d e s ，i sp r e s e n t e df o rt h ef i r s tt i m e t h i sm e t h o di sb r i e fi uf o r ma n de a s yt ou n d e r s t a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev a l i d a t e d b yt h eb e a n ap r o p a g a t i o nm e t h o d an o v e ld e s i g no fa no a d mb a s e do nat i l t g r a t i n g - a s s i s t e ds y m m e t r i cc o u p l e ri s p r o p o s e d b yi n c r e a s i n gt h es i m i l a r i t yo f t h et w on o r m a lm o d e so f t h es y m m e t r i cc o u p l e r i nt h eg r a t i n gr e g i o n ，t h es i m u l t a n e o u so p t i m i z a t i o no ft h es e l f - c o u p l i n gi n t e r a c t i o n sa n d c r o s s c o u p l i n gi n t e r a c t i o n se n s u r e st h a tt h ed e v i c ec a ne n j o yt h el o wc r o s s - t a l ka n dl o w 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 t t i 摘要 b a c k - r e f l e c t i o na tb o t hi n p u ta n da d dp o r t s an o v e ld e s i g nm e t h o do ft h eb a c k r e f l e c t i o n - p e a k w a v e l e n g t h ，u s e dt ol o w e rt h e b a c k r e f l e c t i o no ft h eo a d m s ，i sp r e s e n t e d b yu t i l i z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew d m s i g n a l s ，t h ew a v e l e n g t ht ob ea d d e da n dd r o p p e di sl o c a t e dw i t h i nw d ms i g n a lc h a n n e l s ， w h i l et h ep e a kw a v e l e n g t h so ft h er e f l e c t i v es p e c t r u ma r el o c a t e do u t s i d et h ew d m s i g n a lc h a n n e l s ，s o t h a tt h eb a c k r e f l e c t i o no ft h ed e v i c ew i l lb eg r e a t l yl o w e r e d m e a n w h i l e ，t h et o l e r a n c ei nf a b r i c a t i o np r o c e s si sr e m a r k a b l ye n l a r g e d t h i sm e t h o d ， a p p l i c a b l et ot h ed i f f e r e n tk i n d so fo a d m s ，p r o v i d e saf e a s i b l ec h o i c ei nt h ed e s i g no f t h eo a d m sw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dl a r g ep r o c e s st o l e r a n c e a ni n n o v a t i v ed e s i g no fat i l t g r a t i n g - a s s i s t e da s y m m e t r i c c o u p l e r - b a s e do a d mi s p r o p o s e d b ye m p l o y i n gt h e3 - d i m m e n t i o nn o r m a lm o d e so fac o m p o s i t ew a v e g u i d e ，t h e t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h et h r e es t r u c t u r e so ft h eo a d md e v i c ei sm a d et os e l e c ta n o p t i m i z e do n e t h i s ，t o g e t h e rw i t h t h e a p p l i c a t i o no ft h eb a c k - r e f l e c t i o n - p e a k w a v e l e n g t h ，e n a b l e st h eo a d md e v i c et oo b t a i nt h el o wb a c k - r e f l e c t i o na n dt h el a r g e p r o c e s st o l e r a n c e t h ep r o c e s so fu v - w r i t t e nw a v e g u i d eb r a g gg r a t i n g ( w b g ) i se x p l o r e da n dt h e p r o p e r t i e so f t h ew b g s ，m a d eb yp h a s em a s km e t h o d ，a r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h et i l t - g r a t i n g a s s i s t e do a d md e v i c eb a s e do na na s y m m e t r i c c o u p l e r i s f a b r i c a t e df o rt h ef i r s tt i m e t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s e r t i o nl o s si sa b o u t7 d b ，t h ec r o s s t a l ki sa b o u t 一2 3d b ，a n dt h er e t u r nl o s si sa b o u t 2 2d b ，w h i c ha l s op r o v e t h eb a c k - r e f l e c t i o n p e a k w a v e l e n g t hm e t h o d a f t e rt h er e s u l t sa r ea n a l y z e d ，t h ef u r t h e r m e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o u p l e r - b a s e do a d m sa r ed i s c u s s e di n d e t a i l s k e y w o r d s ：s i l i c a - o n s i l i c o n ，p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t s ，w a v e g u i d eb r a g gg r a t i n g ， o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r 中国科学院上海撒系统与信息技术研究所博士学住论文 j v 基于平面光波导技术的先分插复用器的研宄 第一章引言 1 1 光通信的发展 光纤通信( o f c ，o p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ) 是利用光纤作为传输媒介的一种 通倩方式，其发展真诈丌始于1 9 7 0 年美国康宁公司制成低损耗的单模光纤。随着激 光技术的进步和光纤损耗的进一步降低，光纤通信迅速步入了实用化、商业化的轨道。 时至今闩，光纤通信已成为现代通信中最主要的一种传输技术，全球8 0 以上的信息 量都是通过光纤通信技术进行传送的。 光纤通信技术的发展主要经历了如下三次飞跃： 1 ) 2 0 世纪6 0 年代。半导体激光器( l d ，l a s e r d i o d e ) 的涎生和半导体光检测器的研制 成功，为光纤通信系统奠定了基础。1 9 7 0 年美国康宁公司首先研制出了用石英玻璃 制成的衰减低于2 0 d b k m 的光纤，其损耗值首次低于铜线传输，这使得光纤传输成 为可能。 2 ) 2 0 世纪7 0 年代末。19 7 9 年发现了光纤在1 3 1 0 n t o 和1 5 5 0 n m 的低损耗窗口，紧 接着单模光纤问世，光纤的衰减系数一下予降到了o 5 d b k m 以下，达到了实用化的 程度。1 9 8 0 年衰减系数进一步减小至o 2 d b k m ，接近理论值，使超大容量长距离光 纤通信成为可能。 3 ) 2 0 世纪9 0 年代。19 8 9 年掺铒光纤放大器( e d f a ，e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r ) 的研制成功，使得光纤通信的传输距离迅速提高，并促成了波分复用技术的实用化。 目前，随着通信技术的发展，新业务不断涌现，特别是包括p 数据业务的迅猛 崛起，导致全球信息量呈爆炸性增长。通信业务由传统单一的电话业务转向以高速口 数据业务和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要 求。如何经济有效的提高光纤传输网络的传输速率、增大传输容量便成为了光纤通信 的个重要研究课题。提高系统容量，主要有以下几种方法： 1 ) 空分复用( s d m ，s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 空分复用是传统的系统扩容方式，通过敷设更多的光缆来线性的增加传输容量， 传输设备也线性增加。这种方法施工周期长，工程成本成倍增加，而且没有充分利用 光纤的巨大带宽，造成光纤带宽资源的浪费。空分复用方式是一种十分受限的扩容方 式。 2 ) 时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 时分复用是一种常用的扩容方式，通过它可以成倍的提高光传输信息的容量，但 是高速率系统的时分复用会造成器件设备成本昂贵，而且4 0 g b i t s 的t d m 已经接近 了电子器件的速率极限，同时高速光纤通信系统需要解决一系列严重问题，比如光纤 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 第一章引言 及光器件的色散问题、非线性效应等。 3 ) 波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 波分复用利用单模光纤低损耗区的巨大带宽，在敷设好的光纤通信线路的基础 上，将不同波长的光信号复合到根光纤中传输，有效地提高了每根光纤的集合带宽， 总带宽成为多个波长所传数据比特率的和。w d m 技术能成百倍地增加单根光纤的传 输容量，是适应通信业务快速发展和扩大通信网容量的最佳选择。而且，由于w d m 技术的经济实用性，直接降低了用户的通信成本，促使了通信业务的迅猛发展，从而 进一步促使通信网的发展来扩大容量。 在2 0 世纪9 0 年代之前，t d m 技术是扩大通信业务的主流技术，从1 5 5 m b i t j s 到 6 2 2 m b i t s ，再到2 5 g b i t s 系统，t d m 速率一直以每几年翻4 倍的速度提高。直到1 9 9 5 年左右，由于人们在t d m l 0 g b i t s 技术上遇到挫折，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的研 制成功，w d m 技术成为主流技术，并得到了迅猛发展，在全球范围内有了广泛的应 用。目前商业化的w d m 系统传输容量已达4 0 0 g b i t s ，实验系统则达到1 0 t b i t s s 。 2 0 0 1 年的0 f c 会议上，日本的n e c 公司报道了1 0 9 2 t b i t s s ( 2 7 3 路4 0 g b i t s s ) 的d w d m 实验系统，信道间隔5 0 g h z ，传输距离是1 1 7 k i n ，为o f c 2 0 0 1 报道的传 输容量最大的实验系统【1 。美国的t y c o m 公司报道的d w d m 实验系统容量是1 t b i t s s ( 1 0 1 路1 0 g b i t s s ) ，信道间隔3 3 g h z ，传输距离最远，达到9 0 0 0 k i n i “。法国a l c a t e l 公司的d w d m 实验系统的频带利用率最高，为1 2 8 ( b i t s s ) h z ，容量是1 0 2 t b i t s s ( 2 1 2 8 路x 4 2 7 g b i t s s ) ，信道问隔7 5 5 0 g h z ，传输距离1 0 0 k m ”。 1 1 1波分复用( w d m ) 技术 w d m 是光纤通信中的一种传输技术，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同 波长的光载波的特点，把光纤可应用的波长范围划分为若干个独立的通道，每个通道 传输一种特定波长的光信号。通信系统的设计不同，每个波长通道之间的间隔宽度也 有差别。按照通道间隔的不同，w d m 可以细分为稀疏波分复用( c w d m ，c o a r s e w d m ) 和密集波分复用( d w d m ，d e n s ew d m ) 。c w d m 的信道间隔为2 0 r i m ，而 d w d m 的信道间隔从0 2 n m 到1 6 n m ，所以相对于d w d m ，c w d m 称为稀疏波分 复用技术。在本文中，我们用w d m 作为各种通道间隔波分复用的总称。 如图1 1 所示，基本的w d m 通信系统的工作原理如下： 1 ) 多个l d 作为光源，发送多路w d m 光载波信号。多路光信号经过光波长转化器 把信号光的波长转换为光复用器的多个工作波长 、丑厶，并经过光复用器复台 到一根光纤中传输。 2 ) 在w d m 网络节点处使用光分插复用器( o a d m ，o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ) 从传输光路中有选择的上下本地接收和发送的某些波长信道，同时不影响其它波长信 道的传输。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 2 基于平面光波导技术的光分插复用器的研究 3 ) 在传输过程中使用e d f a 进行中继放大，多路光信号实现与信号码率与信号格式 无关的透明的“光”放大。 4 ) 到达传输目的地后，通过解复用器分离出多路光信号，经过波长转换后下传给各 自的光接收器。 a l lo p t i c a l- 一。k o p t i c a l o p t i o a l o p t i c a l m u l t i p l e x e r a d m o e m u l t i p l e x e r o a d m o p t i c a la d d 。o r o pm u l t i p l e x e r t r a n s p o n d e r 川1 篙嚣普裂：了酬：“鬈湍 t i a n s i b o n d e 一0 1w a v e l e n g t ha d a p t o r n e e d e di f1 1 1 et xe q l 1 i p m e n td o e sn o t g e n e l a l ew d m r e a d yw a v e l e n g t h 图1 11 1 d m 系统结构示意图 由w d m 系统工作原理可知，它具有下述优点： l 1 传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。 对币波长光纤系统而言，收发一个信号需要使用一对光纤，而对于w d m 系统， 不管有多少个信号，整个复用系统只需要一对光纤。例如对于1 6 个2 5 g b s 系统来 说，单波长光纤系统需要3 2 根光纤，而w d m 系统仅需要2 根光纤。 2 ) 对各类业务信号“透明” w d m 技术可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信号等，并能对其进行 合成和分解。 3 ) 扩容方便 网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要换端 机和增加一个附加光波长就可以引入任意新业务或扩充容量，因此w d m 技术是理想 的扩容手段。 4 ) 可组建动态可重构的光网络 在w d m 网络节点使用光分插复用器( o a d m ) 或者使用光交叉连接设备( o x c ) ， 可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。 1 1 2 全光网 随着点到点的w d m 系统及相关技术的日臻完善和实用化，光通信网络朝着环形 结构、网状结构的方向发展。而目前，大部分的w d m 网络节点仍采用电子设备光 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 3 纤传送的信息到了节点上还必须全部经过光电转换，依靠电子设备以电的方式进行 交换、分插复用与交叉连接，再把电信号转换成光信号向下传输。光电转换和电子设 备的速率限制了交换容量的提高，即形成所谓的“电子瓶颈”。随着w d m 系统的波 长通道数的增加以及t d m 方式信号速率的提高，若仍采用原有的电子设备，网络节 点将变得十分庞大而复杂，速率受到“电子瓶颈”的限制，而且电光和光电转换的 设备价格十分昂贵。 于是，人们开始着眼于通信网络的全光化，即全光网( a o n ，a l l o p t i c a l n e t w o r k ) 。 a o n 在整个网络传输过程中，包括交换、复用和分用等功能都以光的方式处理。这 样，光通过了整个系统，而无需光电、电光的相互转换，因此称为全光网。 a o n 是光通信网络发展的必然趋势【4 】，它有现行光通信系统所不具备的优点： 1 ) 在a o n 中，信号的传输、复用、放大、选路和交换等都在光域上进行，克服了 “电子瓶颈”，提高了传输容量。 2 ) 它能经济有效地利用现有光纤网络的带宽容量，以尽量低的成本代价提供尽可能 多的、高质量的通信业务。 3 ) 它结构简单，没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护可 靠性高。 4 ) 它以波长选择路由，对信号速率、调制方式以及所用协议、业务类型等透明，可 提供多种协议服务，不受限制的提供业务服务。 5 ) 加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，降低成本，具有网络可扩 展性。 6 ) 可根据通讯业务量的需求，动态的改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络 可重组性。 图1 2 全光网发展路线圈 如图1 2 所示，a o n 的发展由低到高大致可分为三个阶段【5 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学桩论文 a 基于平面光波导技术的把分辐复用器的研究 第一阶段：点到点的w d m 链路系统； 第二阶段：具有波长上下( o a d m ) 能力的环形结构的光网络： 第三阶段：具有复杂光交叉互连功能( o x c ) 的网状结构的光网络。 a o n 的优势是巨大的，是光通信网络的最高境界，但它的发展取决于光器件的 发展水平。目前，a o n 的第一阶段发展已相当成熟；要实现第二阶段，必须具备有 波长上下能力的o a d m f 6 。7 】：要实现第三阶段，必须具备光交叉互连功能的o x c 。就 目前的技术水平束看，具有灵活管理带宽能力的o a d m 是最先可能实用化的设备， 因此，对o a d m 技术和设备的研究和开发已成为光通信领域研究与发展的热点。 o a d m 的功能是从w d m 传输线中选择性的上下任何速率、格式和协议类型的 一个或多个波长光信号，但不影响其它不相关波长信道的光信号传输。o a d m 的技 术优势在于：光纤通信系统引入o a d m 后，光纤通信可以很方便灵活地实现波长的 上下路由：使系统具有动态重构和自愈功能；如果采用具有波长变换能力的模块， 还可以实现开放式网络结构，使网络具有波长兼容性和业务透明性：还可更有利地实 现对网络的性能监测。o a d m 在光波长域内实现了传统电s d h 分插复用器( a d m ) 在时域内实现的分插功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一 点比电a d m 更优越，所以o a d m 是克服传统网络中电予瓶颈问题的关键器件。 1 2 集成光学 1 2 1集成光学简介 光器件的发展l 踟，如表1 1 所示，大致上分为三个阶段。 1 ) 第一代是传统光学( t r a d i t i o n a lo p t i c s ) 阶段。 它是将独立的体型光学器件固定在大型的底盘上，构成光学系统。该系统的大小 约是1 米见方的数量级，光束的粗细也大到了1 厘米的程度。 2 ) 第二代是微光学( m i c r oo p t i c s ) 阶段。 它是在第一代的基础上，光学器件的基本原理不变，而尺寸缩小的光学技术。在 第二代中使用的光学器件有l e d 、l d 、光纤、棒状透镜等所谓微型光学器件，这些 器件支撑着现在的光纤通信系统。它们几乎具备了需要它们具备的所有性能，然而由 于它们的尺寸小到毫米数量级，在将它们连接的时候，光轴与位置的调整比较麻烦， 尤其是调整后的连接不稳固，组装也比较困难。 3 ) 第三代是集成光学( i n t e g r a t e do p t i c s ) 阶段。 集成光学就是研究集成光路的学科，它是1 9 6 9 年美国贝尔实验室提出的。集成 光路是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作成光波导，并以此为基础 再集成作为光源、光丌关、调制器、检测器等有源器件，所构成的具有整体功能的光 学通路。 中国科学阮上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 5 墓于平面光波导技术曲光舟括蔓用器的研究 第一阶段：点到点的w d m 链路系统； 第二阶段：具有波长上下( o a d m ) 能力的环形结构的光网络： 第三阶段：具有复杂光交叉互连功能( o x c ) 的网状结构的光网络。 a o n 的优势是巨大的，是光通信网络的晟高境界，但它的发展取决于光器件的 发展水平。目前，a o n 的第一阶段发展已相当成熟；要实现第二阶段，必须具备有 波长上下能力的o a d m i “”：要实现第三阶段，必须具备光交叉互连功能的o x c 。就 目前的技术水平柬看，具有灵括管理带宽能力的o a d m 是最先可能实用化的设备， 因此对o a d m 技术和设备的研究和开发已成为光通信领域研究与发展的热点。 o a d m 的功能是从w d m 传输线中选择性的上下任何速率、格式和协议类型的 一个或多个波长光信号，但不影响其它不相关波长信道的光信号传输。o a d m 的技 术优势在于：光纤通信系统引入o a d m 后，光纤通信可以很方便灵活地实现波长的 上下路由：使系统具有动态重构和自愈功能；如果采用具有波长变换能力的模块， 还可以实现开放式网络结构，使网络具有波长兼容性和业务透明性；还可更有利地实 现对网络的| 生能监测。o a d m 在光波氏域内实现了传统电s d h 分插复用器( a d m ) 在时域内实现的分插功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率的信号，这一 点比电a d m 更优越，所以0 a d m 是克服传统网络中电子瓶颈问题的关键器件。 1 2 集成光学 1 2 。1集成光学简介 光器件的发展”】，如表1 1 所示，大致上分为三个阶段。 l 、第一代是传统光学( t r a d i t i o n a lo p t i c s ) 除段。 它是将独立的体型光学器件固定在大型的底盘上，构成光学系统。该系统的大小 约是i 米见方的数量级，光束的粗细也大到了i 厘米的程度。 2 ) 第二代是微光学( m i c wo r ) t i c s ) 阶段。 它是在第一代的基础上，光学器件的基本原理不变，而尺寸缩小的光学技术。在 第二代中使用的光学器件有l e d 、l d 、光纤、棒状透镜等所谓微型光学器件，这些 器件支撑着现在的光纤通信系统。它们几乎具备了需要它们具备的所有性能然而由 于它们的尺寸小到毫米数量级，在将它们连接的时候，光轴与位置的凋整比较麻烦， 尤其是调整后的连接不稳固组装也比较困难。 3 ) 第三代是集成光学( i n t e g r a t e do p t i c s ) 阶段。 集成光学就是研究集成光路的学科，它是1 9 6 9 年美国贝尔实验室提出的。集成 光路是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作成光波导，并以此为基础 再集成作为光源、光关、调制器、检测器等有源器件，所构成的具有整体功能的光 再集成作为光源、光开关、调制器、检测器等有源器件，所构成的具有整体功能的光 学通路。 中西转学院上海撤幕统与信息簌术研究所博士章值论支 5 表1 1 光学器件技术的发展阶段 第一代 第= 代第二代 所属学科与技传统光学 微光学集成光学 术 ( c o n v e n t i o n a lo p t i c s )( m i c r oo p t i c s ) ( n t e g r a t e do p t i c s ) 气体激光器：l e d 、l d 、多模光 集成光路( 单模l d 、 代表性的器什 透镜；反射镜等纤、棒透镜等单模光纤) 器件间的何置 需要调整 需要调整 无需调整( 相对i 司定) 调整 ( 非常麻烦) 光的传输( 传 束状( c l t i 蹙级)束状( c m 量级)光波导( u m 鼙级) 输直径) 控制电极的大 l c m 数量级l m m 数量级l u m 数鼍级 器件丈小l m 见方数量级1 0 c m 见方数量级数厘米见方数量级 与上两代光器件技术相比，集成光学利用类似半导体集成电路的方法，将光学元 件以薄膜形式集成在同一衬底上以形成集成光路。它解决了以往光学系统体积大，稳 定性差，光束的对准与准直困难等问题，具有如下特点： 1 ) 以波动光学的方式进行处理 器件主要由微米数量级宽度的单模光波导构成，其中传输的是单模光波必须以 波导光学的方式处理。 2 ) 集成化带来的稳固定位 集成光路是在同一块衬底上制作若干个器件，因而不存在组装问题，也无需调整 光轴和器件之间的相对位置，往往可以保持稳定的组合，这可以说是集成光路最大的 优点。 3 ) 易于调制 集成光路可利用电光效应、声光效应、热光效应等原理很好的实现光的调制。 4 ) 制作工艺发展迅速 制作工艺与i c 工艺兼容，发展迅速。到目前为止，与各种光波导材料相适应的 溅射技术、等离子体化学气相沉积技术之类的薄膜化技术，以及光刻技术、电子束刻 蚀技术等微细加工技术在i c 工艺发展的带动下都取得了突飞猛进的发展，为集成光 学奠定了基础。 5 ) 大舰模生产 通过集成光学的制作工艺可实现规模化工业生产，从而提高生产效率，降低器件 的成本。 中国科擘院上海微系统与信息技术研究所博士学住论文 6 基于平面光波导技术的光分插复用器的研究 6 ) 符合末来高集成度、小器件尺寸的发展趋势 通过平面光波导互连，可以将多个光器件( 包括有源与无源器件) 连接在一起， 也可将光器件与集成电路集成在一起，构成光模块，以满足未来发展的需要。 1 2 2集成光学的常用材料 随着集成光学理论及制作技术的发展，新材料、新工艺不断取得突破，集成光学 在光通信中的应用越来越广，并且已被认为是光纤通信系统发展的必然趋势。集成光 学技术包括有源光集成和无源光集成技术。目前，调制器，可调谐光衰减器，光功率 分配器及分波合波器为代表的集成光器件已经商用。集成光器件一般在五种材料上 制作，它们是：铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、1 1 1 v 族半导体化合物材料、聚合物( p o l y m e r ) 、 s o l 材料和二氧化硅( s i l i c a ) ，如图】3 所示。 1 “n b 0 3 材料 图1 3 集成光学常用材料 图i 4l i n b 0 一m z i 型光调制器的结构示意图 l i n b 0 3 晶体是最早用于集成光波导器件研究的材料之一，有极好的压电、电光和 波导性质，可以用来制作光调制器、光丌关、光复用器、波导激光器及非线性波导等 平面波导器件，目前比较成功的器件是光调制器和激光陀螺芯片。用l i n b o ，制作的 光调制器具有非常高的调制和开关速率，可以达到4 0 g h z 量级。图1 4 是马赫策 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学桩论文 7 恩德干涉仪( m z i ，m a c h - z e h n d e r l n t e r f e r o m e t e r ) 型调制器的结构示意图，它利用 l i n b o ，良好的电光效应，使得波导的折射率发生改变，从而改变光的相位差，实现 输出光的幅度或相位调制。 l i n b 0 3 波导的制作通常是在1 0 0 0 的温度下由钛( t i ) 的内扩散形成，在制作 的过程中要防止锂离子外扩散出衬底表面，表面锂离子的不足会大大影响调制性能。 t i 内扩散方法的缺点是扩散温度高、制作工艺较复杂以及波导传播损耗较高。近期大 多采用质子交换技术来制作l i n b 0 3 波导。 退火质子交换( a p e ，a n n e a lp r o t o ne x c h a n g e ) 技术是l i n b 0 3 波导制作的另种 方法，质子交换是一个低温操作过程，u n b 0 3 中的锂离子在酸性水浴中被质子替代， 交换后要经过高温退火过程，这对波导的高效电光效应是至关重要的。以上两种方法 都是用于制作条形波导，损耗一般为0 2 0 ，5 d b c m 。 l i n b 0 3 波导的缺点是晶片尺寸较小，波导的弯曲半径相当大，使器件结构受到限 制，不适合制作无源波导器件：温度系数较大，光通过时产生的热量会产生温漂，影 响器件的性能；光纤与波导耦合很困难，且极易受温度的影响；偏振相关，光器件的 偏振相关损耗( p d l ，p o l a r i z a t i o nd e p e n d e n c el o s s ) 较大。 2 i i i v 族半导体化合物材料 i i i v 族半导体化合物材料以磷化铟( h 1 p ) 和砷化镓( g a a s ) 材料为代表。外延 技术是1 1 1 v 族半导体化合物材料薄层单晶生长最重要的一项技术。常用的外延技术 有液相外延( l p e ，l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) ，金属有机化台物气相沉积( m o c v d ，m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) ，分子束外延( m b e ，m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ) ，化 学柬外延( c b e ，c h e m i c a lb e a me p i t a x y ) 等。在半导体激光器的制作中，通常用化学腐 蚀束得到各种形状的衬底和外延层，r i e 则用于比较精细的图形结构和光波导器件的 制作中。 图15( a ) 光纤连接的2 2 光交叉连接模块，( b ) i n p 上集成型2 2 光交义迎接模块 i i i v 族半导体化合物材料可以用来制作光源、光探测器、光调制器、光放大器、 各种光无源器件及超高速电子器件，用它制作的平面波导器件结构非常紧凑，比二氧 化硅等材料制作的器件尺寸要小1 2 个量级，是大规模光电集成模块理想的制作材 中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文 8 基于平面光波导技术的圯分插复用嚣的研究 料。图1 5 是光纤连接而成的2 2 光交叉连接模块和在i n p 材料上制作的集成型2 2 光交叉连接模块的大小比较，可以看出后者比前者在尺寸上小几十倍。 1 1 1 v 族半导体化合物与空气的折射率差很大，其波导尺寸非常小，对制作工艺提 出了很高的要求。波导与光纤闯的模式失配损耗也很大，通常需要模斑转换器来实现 芯片与光纤的耦合。这种材料光传输吸收损耗大，适合制作有源的集成光器件。 3 聚合物材料 聚合物材料以其低廉的加工成本备受人们的关注，它不需要昂贵的f h d 和c v d 成膜工艺，只需简单的甩胶( s p i nc o a t i n g ) 和坚膜