（微电子学与固体电子学专业论文）干涉型铌酸锂基集成光开关研究.pdf

摘要 y 6 0 0 0 6 8 随着光电子系统的复杂性不断增加，单模元件以及它们之间的互联在整个系统总成本中占越来 越大的比例，迫切需要采用光子集成技术( p i c ) 来提高系统性能和降低成本。在近十年中，光电 子基础工艺取得了若干关键进展，这为p i c 技术的发展奠定了基础。波分复用( w d m ) 技术、密 集波分复用( d w d m ) 技术的迅速发展也推动了p i c 技术的发展在这种系统中不采用p i c 技 术是根本无法实现的。 集成光开关是一种具有一个或多个可选输出端口，可对光传输线路进行相互转换的器件。光开 关按照其端口数目不同，可分为l l 、1 x 2 、2 x 2 、1 x n 及n x m 等。光开关在光通讯系统中以 及光信号处理中有着重要的应用，主要起着光交叉互联、光上下路复用( o a d m s ) 和光信号监视 等作用。在各种光开关中，热光开关列阵、微机械光开关列阵、液晶光开关以及气泡式光开关列阵 由于集成度较大，因而将是大规模阵列光开关的发展方向。而铌酸锂电光光开关、电光聚台物光开 关等，则将是高速光开关的发展方向。 本论文研究了干涉型铌酸锂基光开关器件。其目的是通过合理、有效的器件设计和对制作工艺 的改进，实现结构较新颖、器件性能优良的集成光学器件。 l i n b o 。是由来已久的波导类器件的材料，l i n b o a 材料能实现较高的调制速度和较低的调制电 压，材料成本低，工艺相对简单，是较成熟的技术，目前在高速光网络和光信号处理网络已经有着 重要的应用。铌酸锂的无隔离层x 切电板结构有最小的半波电压，其大小约为z 切器件的7 0 。虽然 其调制速度较低些，但是对于光开关设计要求而言，几十d s 的开光速度已经足够。因此本文选择了 无隔离x 切衬底的调制结构，以实现尽可能低的半波电压长度乘积。经过模拟分析和比较，选择y 分叉平衡桥路干涉型光开关结构。该结构具有调制电压低、所需电极组数少和器件长度较短的特点。 是实现1 2 光开关的晟佳选择。 通过设计上的优化和工艺制作上的改进，实现了较好的器件性能。克服了铌酸锂光开关制作过 程中t i 扩散工艺、t i 膜提浮工艺、电极套刻和抛光工艺等难题，为进一步进行铌酸锂器件的研究打 下了坚实的基础。 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o m p l e x i t yo ft h eo p t o - e l e c t r o n i cs y s t e m s ，t h ep r o p o r t i o no fs i n g l e d e v i c e sc o s t si nt h es y s t e mi si n c r e a s i n g ，i tu r g eu st oa d o p tp h o t o n i c si n t e g r a t i o nc i r c u i t ( p i c ) t e c h n o l o g yt oi m p r o v e t h ep e r f b m l a t l c ea n dd e c r e a s et h ec o s t so f t h es y s t e m s i nr e c e n tt e ny e a r s ，t h e g r e a tp r o g r e s s e si ns o m e e s s e n t i a lf a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f o p t o - e l e c t r o n i c sh a v eo b t a i n e d , a n dt h e s e m a k et h ef i r m l yb a s e so fp i ct e c h n o l o g y t h ep r o g r e s so fw d mt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yd w d m t e c h n o l o g yi m p r o v e dt h ep r o g r e s so fp l ct e c h n o l o g y , i nt h o s es y s t e m s ，i fp i ct e c h n o l o g yi s n o t a d o p t e d t h o s es y s t e m sa r ea l m o s ti m p o s s i b l e o 叫c a ls w i t c hi sak i n do f o p t i c a ld e v i c ew h i c hh a so n eo rs e v e r a lo u t p a r t s ，c a ns h i r t h eo 叫c a l s i g n a lt oo n e o rs e v e r a lp a t h s a c c o r d i n gt ot h eo u t p u t p a r t sn u m b e r s ，o p t i c a ls w i t c hc a nc l a s s i f i e da s 1 1 ，1x 2 ，2 x 2 ，1 na n dn x m s w i t c h e s t h eo p t i c a ls w i t c hp l a y i m p o r t a n tr o l e i n o p t i c a l c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n di no p t i c a lp r o c e s ss y s t e m s 。a c ta so p t i c a l - a c r o s s - c o n n e c t i o n s ( o x c s ) ， o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s ( o a d m s ) a n do p t i c a ls i g n a l m o n i t o r s i na l l k i n d so fs w i t c h e s ， t h e m m - o p t i c a ls w i t c h ，m e m ss w i t c h , l i q u i d - c r y s t a ls w i t c ha n da i rb l a d d e rs w i t c ha r et h et r e n do f l a r g e - s c a l es w i t c ha r r a y , a n dl i t h i u mn i o b a t ee l e c t r o - o p t i c a ls w i t c h e sa n de l e c t r o - o p t i c a lp o l y m e r s w i t c h e sa r et h et r e n do ff a s ts w i t c h e s i nt h i sp a p e r , t i ：l i n b 0 3i n t e r f e r e n c eo p t i c a ls w i t c hi sd e s i g n e da n d f a b r i c a t e d ，t h ea i mo ft h i s s t u d yi st oa c h i e v en o v e ls t r u c t u r e , a n dg o o dp e r f o r m a n c ei n t e g r a t e do p t i c a ld e v i c ea n df i s ho u tt h e e x p e r i e n c eo f d e s i g na n df a b r i c a t i o no f l i t h i u m n i o b a t ed e v i c e s l i t h i u mn i o b a t ei sak i n do fo r d i n a r i l ym a t e r i a lf o rg u i d e w a v ed e v i c e s ，i tc a r lr e a l i z el o w m o d u l a t i o nv o l t a g e , f a s ts w i t c hv e l o c i t y , l o wm a t e r i a lc o s t s ，s i m p l ef a b r i c a t i o n p r o c e s sa n di t i sa m a t u r et e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，l i t h i u mn i o b a t ei s a p p l i e di n f a s to p t i c a ln e t w o r ka n do p t i c a ls i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m s n o n eb u f f e r e dx c u tl i t h i u mn i o b a t ee l e c t r o d es t r u c t u r eh a st h es m a l l e s th a l f w a v ev o l t a g e ( a b o u t7 0 o f zc u td e v i c e s ) a l t h o u g hi th a s r e l a t i v e l ys l o ws w i t c hv e l o c i t y , b u ts e v e r a l t e n so f n si ss u f f i c i e n tf o rt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a sar e s u l lw ec h o i c en o n e b u f f e r e dxc u tl i t h i u m n i o b a t ee l e c t r o d es t r u c t u r et oa c h i e v et h eh a l fw a v ev o l t a g ea sl o wa sp o s s i b l e u s i n gt h em e t h o do f s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dc o m p a r e ，w ec h o i c et h es t r u c t u r eo fy - b r a n c hb a l a n c eb r i d g ei n t e r f e r e n c e s w i t c h t h i ss t r u c t u r eh a st h ea d v a n t a g eo fs h o r t n e s s ，l o wv o l t a g ea n dl e s se l e c t r o d en u m b e r b yt h em e t h o do fd e s i g no p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n ti nf a b r i c a t i o np r o c e s s ，t h ed e v i c eo f g o o dp e r f o r m a n c e i sa c h i e v e d s a m ed i f f i c u l t i e si nt h ef a b r i c a t i o np r o c e s so f l i t h i u mn i o b a t ed e v i c e s ， s u c ha s t id i f f u s i o n w a v a g u i d ef a b r i c a t i o n n f i l ml e f t o f f , h a do v e r c a m e , a n di t p r o v i d et h e f o u n d a t i o nf o rf u r t h e r i n v e s t i g a t i o n 1 1 引言 第一章绪论 从古代中国利用烟火传递信息起，便孕育着现代光通讯的想法。然而，直到1 9 7 7 年， 第一条商用光通讯系统才数设，并投入使用。这项新技术的完善，包括研制：坚固耐用、可 以进行信号调制的近红外光源：低损耗传输介质；灵敏的可准确恢复光信息的光检测器。 1 9 5 8 年，激光器问世了，它立刻引起广泛的兴趣和研究，并立即引起光通讯方面的重 视。然而光通讯的实用化，直到克服了三个主要技术问题后才得以实现。 第一个技术问题是经济可靠的激光器光源，1 9 6 2 年研制成功电注入半导体激光器，1 9 7 7 年才能够做到连续工作1 0 0 万小时以上。光纤通信系统中使用的光源经历了从发光二极管到 半导体激光器的进步。目前，半导体激光器不仅可以在室温下工作，而且其直接调制速率可 以达到1 0 g b i f f s 乃至更高，逐渐满足了高效率、高速率、低啁啾、大功率、长寿命等要求。 第二个技术问题是低损耗光纤，1 9 6 6 年英籍华人高锟博士在实验室研制出第一根用于 光波传输的有包层的玻璃纤维一光纤，1 9 7 0 年c o m i n g 公司获得了低损耗( 2 0 d b k m ) 的掺 杂石英光纤。光纤是光传输的基本媒质。在数十年的发展过程中，光纤通信系统经历了三代： ( 1 ) 工作波长为0 8 5 9 r n 多模光纤光通信系统；( 2 ) 工作波长为1 3 1 a m 多模光纤光通信系 统和单模光纤光通信系统：( 3 ) 工作波长为1 5 5 p m 单模光纤光通信系统。而色散位移光纤 ( d s f g 6 5 3 ) 是应用于第三代光纤通信系统的一项重要成就。普通单模光纤的零色散点 在1 3 1 岬附近，色散位移光纤将零色散点从1 3 1 “m 移到1 5 5 9 m ，有效地解决了1 5 5 9 m 光 通信系统的色散问题。新近推出的所谓全波光纤c a l l w a v ef i b e r ) ，消除了常规光纤在1 3 8 5 n m 附近由于o h 根离子吸收造成的损耗峰，使光纤在1 3 1 0 1 6 0 0 n m 的损耗都趋于平坦。 第三项技术是在七十年代研制成功低噪声光检测器，使超高灵敏度，宽带光接受器成为 可能。可以说，电注入半导体激光器，低损耗光纤和低噪声光检测器的研究进展促进了光波 通讯技术的实用化，并显示出比普通电传输技术的优越性。光源、光纤和光电探测器的逐年 进步的结果是增加了光纤系统的通信容量。 2 0 世纪8 0 年代发明的光纤放大器引起光纤通信的又一场革命，并导致大容量光纤通讯 的出现。掺铒光纤放大器( e d f a ) 节省了中继过程中复杂的光电一电光的变换处理过程， 而且实现了波长透明、速率透明和调制方式透明的光信号放大，从而诞生了以波分复用 ( w d m ) 技术为基础的新一代光网络。随着光器件和光系统的发展演进，w d m 技术出现 以来的2 0 年间，光传输系统的容量已从m b i t s 发展到t b i t s ，提高了近l o 万倍。采用w d m 系统改变了光传输系统容量的增长方式，它突破了”电子瓶颈”或电子极限的限制，开拓了全 光放大和光通讯网络的新篇章。图1 1 给出了在1 9 9 9 年提出的光网络结构图【1 i ，从这张图 中可以清楚地看出光网络的近期发展目标，以及当前光通信的各个研究领域所处的位置。 在未来的1 0 年里，w d m 光网络仍将成为通信产业发展的热点。尽管实现光网络自支 持技术如光开关、光逻辑处理和光计算还不成熟，进入自支持阶段还需要一段时间，但实 现光网络的自支持和自主导终将是未来光网络发展的方向。 光电子器件是光通讯发展的最重要的基础和推动力量。目前，各种新型光电器件层出不 穷，光电器件的性能不断改进。光器件的集成化是满足人们对光电器件需求的必由之路。虽 然早在2 0 世纪6 0 年代后期，就首次出现了“集成光学”的概念，其主要思想是在共同衬底 上建立各种光学器件，然后用薄膜波导将它们连接起来，从而形成一个能完成特定功能的功 能芯片。然而在其后的发展中由于各种器件对材料、工艺、结构的要求彼此差异甚远，技 术要求十分复杂，实现所有器件的全面集成为时尚早，集成光学的目标因而发生了一定的变 图i - i 光网络发展回顾及近期预计 化，从全光集成到可集成部分电路的局部光集成，从注重研究集成光学技术到研究探索各种 波导光学器件。人们希望的集成光学器件应能将各种有源器件( 光源及光放大器) 、光电控 制器件( 光调制器光开关) 、光探测器、光电子无源器件( 各种光波导器件，耦合器，滤 波器) 、信号处理电子电路以及光电子驱动控制电路制作在同一半导体上，使其具有处理电 信号，控制光电子器件以及进行光路连接耦合等综合功能，完成特种功能的集成化器件。 目前，光集成技术在两个领域得到发展，一个是光电子集成电路( o e i c ) ，另一个是光 集成电路( p i c ) 。 光电集成电路是把发射或接受光信号的有源光子器件和处理电信号及控制光器件的电 子电路集成在周一半导体衬底上。从8 0 年代初发展以来，光电集成主要集中研究光发射端 机和光接收端机的集成和器件阵列的集成。 光集成( p i c ) 是把发射，接收或光处理的有源、无源器件制作在一块衬底上。随着光 电子系统的复杂性不断增加。单模元件以及它们之间的互联在整个系统总成本中占越来越大 的比例，迫切需要采用p i c 技术来提高系统性能和降低成本。在近十年中，光电子基础工 艺取得了若干关键进展，这为p i c 技术的发展奠定了基础。同时波分复用( w d m ) 技术， 特别是密集波分复用( d w d m ) 技术的迅速发展也推动了p i c 技术的发展，在这种系统中， 不采用p i c 技术是根本无法实现的。当前正在研发并正在实用化的f t t h 技术也只有引入 p i c 技术后才能迅速的普及和推广。这些因素促进了p i c 技术的迅速发展。 近年来的集成光学主要研究成果主要有：激光器与调制器的集成：探测器和光波导的 集成，波分复用解复用器件，光分插复用( o a d m ) 光交叉互联( o x c ) 以及作为光交换 核心的光开关阵列。这些新技术已经或正在推动光通讯向着太容量、高速率、高可靠、低成 本的方向发展。可以说，电子电路从单元件到到超大规模集成电路的发展造就了今天的电子 行业，而现在信息业则期待光子技术在大规模集成方面的突破。 1 2 集成光学发展概述 由上所述，集成光学器件有以下决定性优势：1 ) 大规模( 高路数、多功能) 和小体积， 2 ) 价格优势，3 ) 高可靠。但是由于各种材料、功能和工艺的兼容问题，集成光学目前仍处 于初步阶段，无法实现规模很大同时体积又很小的器件。集成光学的发展方向取决于目前竞 2 争异常激烈的众多材料的工艺发展情况，以及各种新型器件的发展情况。至今t 各种主要集 成光学材料都各有特点，适合于制作不同的器件，应用于不同的场合，仍未有一种在各方面 均占优势的材料出现，集成式光子器件的走向还很不明朗。 1 2 1 集成光学材料 光网络中占有重要地位的光子器件主要有：光源，接收器( 探测器) 、调制解调器、波 分复用( w d m ) ，解复用器、光开判光开关列阵、光放大器衰减器、光滤波器、干涉器等 等。目前在不同程度上适合集成光学的材料很多，它们以不同结构和原理能够实现一种或多 种上述器件。这些材料主要包括i i i v 族化合物半导体材料( g a a s g a a i a s 、 n g e a s p i n g a a s ) ，l i n b 0 3 ，l i t a 0 3 s i 、s o l ( s i l i c o no n i s o l a t o r ) ，s i 0 2 与玻璃，有机聚台 物材料等等。 下面简单地对代表性材料作一些概括性的介绍： 1 ) l i n b 0 3 ：l i n b 0 3 是由来己久的波导类器件的材料，主要利用其较强的电光效应，制作 高速电光调制光开关、光调制器、电光相位调制器等。近年来t i ：e r ：l i n b o ，在波导激光 器中也有应用旷”。总体来说能l i n b 0 3 材料能实现较高的调制速度和较低的调制电压， 材料成本低，工艺相对简单，是较成熟的技术。目前在高速光网络和光信号处理网络已 经有着重要的应用。但是由于干涉型、相位调制型器件的体积相对来说都是比较大的 其集成度具有一定的限制。另外l i n b 0 3 制作工艺与半导体工艺兼容性低，l i n b o ，与半 导体光子器件可集成性方面也较差，无法实现与电子、半导体光电器件的集成，这无疑 是个较大的缺点。 2 ) s i ，s o l ：由于s i 是间接带隙材料，因此主要应用于波导类器件中，已经成功应用于a w g 、 光功分器、波导光栅以及光子晶体等器件口】，s j 材料还应用于m e m s 光器件中，如光开 关列阵【9 。【j 等。除了直接的s i 基光波导以外，s o l 也是s i 材料应用于光子器件的一个重 要形式。s i 材料的主要优势是能够充分利用相当成熟的工艺技术，制作工艺十分成熟， 并且能够方便的实现与电子器件和些光电子器件的集成口】。s j 材料虽然还有许多问题 尚待解决，但其在大规模集成的前景、低廉的价格以及成熟的工艺等方面的优势使其日 益收到人们的重视。 3 ) s i 0 2 与玻璃：全s i 0 2 材料光波导和玻璃波导的折射率分布接近光纤的折射率分布，因 此芯片与光纤耦合损耗是相当低的，这是它们的主要特点。另外低传输损耗，低成本也 使得它具有相当的优势胆”l 。全s i 0 2 材料和玻璃材料的不足是电光效应很低| 1 4 - 1 5 l ，这在 很大程度上限制了它在光子器件方面的广泛应用。全s i 0 2 材料和玻璃材料现主要应用于 光功分器件、a w g 器件、波导光放大器等，其热光效应也具有较好的应用。 4 ) 有机聚合物：与其他材料相比，有机聚合物的最大特点就是结构灵活，能根据不同需要 “设计”不同的聚合物材料并且在器件制作工艺方面也比较容易。有机聚合物材料有 两个方面的应用：第一是光学封装( o p t i c a lp a c k a g i n g ) 及内部连接( i n t e r c o n n e c t s ) ，这 已经成为近年来有机聚合物材料的一个重要发展方向1 1 6 - 17 1 。第二是光子器件，有机聚合 物的热光系数能比其他材料要大一个数量级，因此在热光开关方面的应用也是较活跃的 1 8 - 1 9 1 , 近年来，有机聚合物的电光效应也达到了与l i n b 0 3 相当地水平，在电光调制方 面的应用也受到各方的重视。目前有机聚合物材料也存在一些需要解决的问题，比如高 性能聚合物材料的价格仍很高：热稳定性和可靠性虽已有很大的提高，仍然需要在制作 过程中给予足够的重视：另为各种聚合物之间以及与衬底( 通常为s i 衬底) 的工艺兼 容性也是需要考虑的问题。 5 ) i i i v 族化合物半导体材料：i i i - v 族化合物半导体材料多为直接带隙。因此它首先在光 源、光放大器等有源器件( 尤其是长波长器件) 方面具有明显的优势b “驯。其次，与其 他半导体材料一样，利用其电光效应以及其他一些效应可以实现相当多的器件如干涉 器、高速调制器、光开关，歹阵等等，这些器件往往都具有体积小、速度快的优点“”1 。 第三，i i i - v 族化合物半导体材料可以很好地实现性能特性高于体材料的多量子阱材料， 这是人们重视已久的。另外基于i i i v 族化合物半导体材料的i v i e m s 在光通讯方面的应 用也取得了一定进展 3 1 3 3 l 。目前i i i v 族化合物半导体材料最大的缺点就是成本太高。 6 ) 其他材料：目前应用在光子器件方面的，还有相当一部分半导体和非半导体材料。如 g e s i s i 多量子材料在红外探测器和高速调制器忖3 5 1 方面的应用：液晶材料在光开关列 阵方面最近也比较活跃，其优点是可靠性高，驱动功率低i j ”：而在大规模集成方面有 优势的气泡式光开关列阵也由安捷伦公司在o f c 2 0 0 0 会议上给出。 通过上述的比较我们可以看出，虽然基于s i 的材料和i i i - v 族材料在应用范围上相对要 广一些，但是其他材料目前还是各有优势的，现在活跃在这个领域内的各种材料都在结构和 工艺上不断发展，互相竞争。也相应的有很多制作集成式光子器件的技术。 1 2 2 集成光学器件 集成光学器件对于许多应用来说都已经成熟了，在理论、器件设计方面的主要问题基本 得到了解决在器件工艺方面也有很多的发展。目前主要的问题是集成光学元件的成本仍较 高，制作工艺水平仍未达到大规模生产的水平。生产成本设备成本低，制作工艺要求低，在 系统应用中有综合优势的器件将得以推广。 目前，集成光学器件研究重点之一是_ i r d m 相关器件，如集成光源、集成光放大器、光开 关列阵、a w g 和它们所组成的0 a d m 、v x c 等。另一重点则是与f t t h 相关器件的研究，如光 功分器等，另外还有一些特定用途的集成光学器件。 1 ) 集成光源和光放大器 外腔半导体激光器利用光纤光栅作为选频元件，具有波长稳定和可控性好的优点。光栅 外腔半导体激光器就是将f - p 激光器的管芯经过腔面增透，与带尾纤的光纤光栅耦合。该激 光器的输出波长、线宽由光纤光栅精确确定，可实现单纵模运转光纤光栅激光器则是通过直 接在搀杂光纤端面加入光纤光栅。具有耦合好，易集成，线宽窄，波长选择性好的优点，因 而在d w d m 系统中得到广泛的应用。其泵浦仍需用半导体激光器。 将半导体激光器和光栅阵列集成到一块衬底上，能实现多波长光源。多波长光源是w d m 图1 - 2 基于p l c 的四通道多波长光源示意图 中的关键器件，图卜2 给出的是基于p l c 技术的四通道多波长光源的结构和输出情况示 意图。，它由s s l d ( s p o t s i z el d 。1 ) 和2 n m 布拉格波长间隔的u v w ：i t t e n 波导光栅组 成，s s l d 的引线分别从顶端和下部引出连接在电极上，而波导光栅则分别位于四条输出波 导上。测试所得在注入电流5 0 m a 时激光器的输出功率为0 8 m w 。 另一类集成光源和光放大器是在衬底上搀杂稀土元素，通过泵浦光源实现光发射和光信 号的放大。已经在各种衬底上实现了光信号放大。图1 - 3 是一种t i ：e r ：l i n b 0 3 波导激光 4 器与行波光强调制器集成的示意图。其左侧为一卜p 激光谐振腔，右侧则为一个m _ z 型的行 波调制电极作为锁模器1 。在e r 搀杂玻璃衬底上也已实现了光放大，其工作原理与e d f a 相同，只是由于其长度大为减小，因而要求e r 搀杂的浓度更大，以提高光放大的程度。 k 1 鞭 o 坤蚓w 撕t y a c t i v e 曲晰i y p 窥艮- 1 0 a i 垃 f s r ilg 鹅生 图卜3t i ：e r ：l i n b 0 3 波导激光器与行波光强调制器集成的示意图 2 ) 波分复用器件 a w g 作为最成功的波导器件，是集成化d w d m 的首选，并能在i n p ”。”1 、s o l “、玻璃波 导“4 7 1 和有机聚合物”等材料上实现。图卜4 给出的是基于s i 的1 2 8 路a w g 波分复用器1 及其输出谱。为了减少t e t m 模在聚焦位置上的差异，在a w g 的中间引入了一块有机聚合物 半波片，整个芯片尺寸约6 0 m m x l o o m m ，总的插入损耗为3 - 6 d b 。 洳r 雕栩删l 嘶n d n ) 图1 - 4 基于s i 的1 2 8 路a w g 结构及输出情况 除a w g 外，还有几种形式能够实现w d m 的功能。图l 一5 给出的是r o w l a n d 圆光栅结构的 w d m 光子器件模型”“，入射光经过r o w l a n d 圆光栅的反射形成色散，在不同位置的波导上就 得到了不同波长的输出，在通道间散射和反射效率方面取折衷，光栅半径1 8 m m 时l 可选取 为3 6 0 n , m 。 图1 - 5r o w l a n d 圆光栅结构的w d m 图卜6 给出的是基于多模于涉( m u l t i m o d ei n t e r f e r e n c e ) 的8 通道w d m 示意图及其输 出谱”3 。它由一个l x 8 功分器和8 x 8 耦台器咀及弯曲波导作为相位控制器组成。计算所得 ( a ) 结构示意图( b ) 计算输出谱 其通道间隔为2 r i m ，所有通道的损耗均小于0 7 5 d b ，l d b 和3 d b 的宽度分别为0 7 5 n m 和1 3 n m ， 在宽度为o 7 5 n m 的窗口内相邻通道的串话为1 3 d b 。 图1 - 6 基于多模干涉原理的w d m 除密集波分复用( d w d m ) 外，还有在f t n i 中作用很大的粗波分复用( c w d m ) 。在这方面 的集成器件有基于m m i 的两波长租波分复用器4 ”，图1 7 给出的是一个9 8 0 1 5 5 0 一m 的两 波长波分复用器示意图及输出结果。它的原理主要是利用不同波长在干涉区内的不同干涉长 度从而在不同位置上有输出而分光可以获得将近2 0 d b 的对比度。这种结构的主要缺点是 波长的可调性较差。 c 伸p ”l e 雌h o m ) ( a ) 结构及原理示意图 ( b ) 测试结果 图1 7 基于多模干涉的两波长褪波分复用器 3 ) 光开关 光开关是一种具有一个或多个可选输出端口，可对光传输线路进行相互转换的器件。按 照光开关的端口数目不同，可分为1 x1 、1 2 、2 2 、1 x n 等等，并可用这些开关单元组 成n x m 的光开关阵列。其中热光开关列阵、微机械光开关列阵、液晶光开关以及气泡式光 开关列阵是大规模阵列光开关的发展方向，而铌酸铿电光光开关以及电光聚合物光开关则是 高速光开关的发展方向( 详见本章第3 节) 。 4 ) o a b m 、o x c 芯片 w 1 ) m 的一个重要用途就是与开关列阵一起组成o a d m 或o x c ，图l 一8 给出了基于a w g 和 2 x 2 开关列阵的o a d m 片示意图，器件制作在s i o z 基片上，当某几个开关打开的时候从m a i n i n p u t 到m a i no u t p u t 和d r o p 端的输出谱线1 ，实验测得其开关串话为2 8 d b ，芯片损耗为 1 0 d b 。 图1 9 给出的是另一种结构的o a d m 与o x c 芯片“。它的单元结构是基于b r a g g 光栅m z i 的静态2 x 2 w x c ，由许多静态2 x 2 w x c 加上o s w ( o p t i c a ls p a c ew iz c h ) 组成动态2 x 2 w x c ， 其主要优点在于波长数量很大时不同路径的散射损耗不会影响由于积c 的增加而产生的交 迭，可以方便地扩充为动态k kw x c 。另外其中所用的动态w x c 中所采用的交换单元也较少 加上不需要电路，因而可以集成。在交换5 路波长的实验中此芯片显示出较好的性能a 咖9 一。 ( a ) 结构示意图( b ) 输出谱线 图1 8 基于a w g 和2 x 2 开关列阵的a d m 芯片 2 一 迹奎 迈蚕 ：逝k 适姆：霹 c m ( a ) 静态2 x 2 w x c ( b ) 动态2 x 2 w x c 图1 - 9 基于b r a g g 光栅m z i o a d m 的动态w x c 芯片 1 3 光开关概述 l 2 光网络需求的高速增长使得应用w d m 技术的长途光网络得到迅速发展，以满足巨大的通 讯容量需求。这种系统中传输数十到数百个波长的信号，每个信号的带宽调制l o g b s 甚至 更多。至今，在这种系统中，交换工作几乎完全是电子器件完成的。在每个这种节点上，光 信号首先被转化成电信号，电路存储，然后转移至另一线路，然后再转化成光信号。电路交 换是成熟的技术。然而，随着网络容量的增加，电路交换节点已不能适应。除此之外，电子 技术强烈依靠协议的数据速率，因而任何系统的升级，必须增加或者更换电路交换设各。 光交换的主要优势是能够路由光数据信号而无需转换为电信号，而与数据速率和数据协 议无关。电交换转换为光交换将减少网络设备，提高交换速度和减小运行功率。而且能减小 整个系统的成本。 光器件技术的限制，比如比特水平的光信号处理和有效的光存储器，阻碍了光交换和设 备管理应用。目前。已经有几种解决方案在进行研究，它们共同的目标是使光开关在交换系 统中起更重要的作用。 1 3 1 光开关的应用 光开关在光通讯系统中有一下几方面的应用： 1 ) 光交叉互联：光开关的一个重要应用是提供光路。在这一应用中，光开关在光交叉互联 ( o x c s ) 中，作为联通两个节点的光路。o x c s 是光网络系统中光信号路由的基本单元， 其对光开关的基本要求是：稳定性、高端口数目、高可靠、低损耗、一致性好和串扰小。 7 2 ) 保护切换：保护切换使系统在发生系统错误时进行保护。通常保护切换要求较小端口数 目的光开关，如1 2 、2 x 2 ，并且要求开关十分可靠，因为这些开关一般工作在网络的单 故障节点上。而对开关速度的要求较低。 3 ) 光上下路复用( o a d m s ) ：o a d m s 起着从网络节点的光传输流中插入和提取某些光信 道( 波长) 的作用。 4 ) 光信号监视( o s m ) ：o s m 提取一小部分w d m 光信号，分离并监控光信号的频谱、各 波长光的功率水平以及光串扰。 除了在光通讯方面的应用之外，光开关在光信号处理中也有重要的应用。 1 3 2 光开关分类和介绍 作为重要的光器件，人们对光开关与光开关列阵的研究已经有z - - 十年的历史。由于人 们对器件材料、器件工作原理、加工工艺等多方面认识和研究的不断进展，光开关与光开关 列阵的类型也呈现出多元化发展趋势。从器件材料角度上说，目前所应用的材料包括铌酸锂 ( l i n b o s ) 、i i i v 族化合物半导体材料、玻璃、有机聚合物、硅基硅波导、硅基二氧化硅材 料、量子阱超晶格材料等。对于器件工作原理，既有最传统的机械工作方式，也有当前高 速发展的微机械技术：既有应用电光效应和载流子注入效应，也有应用热光效应和声光效应： 既包括各种应用折射效应的各种工作方式，也包括利用光门的广播型工作方式，如图1 1 0 所示。现代光信息技术对光开关的要求是：串音小，消光比高，插入损耗低，驱动电压( 或 电流) 小，驱动功率低，无极化依赖性，与光纤耦合效率要高，器件尺寸要紧凑，以及根据 需要而定的开关速率和频率带宽。 己报道的光开关如按工作介质划分有自由空间光开关和波导光开关。广义来讲，自 由空间光开关的损耗较导波器件的损耗更低，基于电光效应的光开关较基于机械的开关速度 更快。下面我们将光开关分为六类作详细论述。 图卜1 0 光开关产品的分类 1 ) 光机械开关： 光机械技术是首先实用化的光开关技术，它通过棱镜、反射镜和定向耦合器等光学元件 实现光开关功能光机械开关属于自由空间光开关，具有低插入损耗，低偏振相关损耗，低 串扰和低的制作成本。开关速度为几个毫秒，因而不能在一些应用中使用，其他的缺点包括 稳定性差，开关通路数限制在几个1 2 、2 2 的组合，并且这种组合会增加成本，降低器 件的性能。 2 ) 微电机械( m e m s ) 开关： 微机械光开关可以视为光机械开关的一类，但是由于其巨大的优势和与其他光机械开关 性能上的巨大差距，目前己将它另划为一类。m e m s 技术是基于半导体微细加工技术上成长 起来的- - f 7 平面制作工艺技术。由于m e m s 技术与微电子技术兼容，结构微小、工艺精度 高能方便的与集成电路集成的特点，因而具有重要的意义和广泛的应用前景。m e m s 技术 在与光技术融合，产生了微光电机械系统( m o e m s ) 技术，目前主要是开发硅基平台光系 统。目前各种分立的m o e m s 光器件已经出现，其中微机械光开关列阵是微光电机械技术 研究晟多的光器件1 6 1 “j ，其主要的优势是集成度高，目前已能集成高达2 3 8 x 2 3 8 的光开关 阵列，而且偏振不相关性好，消光比高，因而具有很大的潜在应用价值。m e m s 光开关应用 微反射镜跳离或扭转实现光束的切换。驱动力有热力效应、磁效应、静电效应等。机械移动 微反射镜型光开关与光开关列阵具有极强的大规模集成并保持器件体积小的特点，器件总消 光比大( 6 0 d b 左右) ，并且由于器件尺寸小，驱动能量小。 m e m s 光开关又可分为2 d ( 数字) 和3 d ( 模拟) 两种【6 7 】。2 - d 开关如下图所示，其 工作是数字式的，通过反射镜的移动，实现光路的开、关。当镜面动作时它移动到光路的 中间，产生4 5 度的反射。 图l - 1 12 d 光开关示意 但是，2 d 光开关的损耗随着通路数的增加而迅速增加商业可用的此种开关在8 x 8 时 损耗为3 7 d b 1 6 x 1 6 时上升到5 5 d b ，3 2 x3 2 时达到7 o d 8 ，因而，大于3 2 3 2 的2 d 光 开关是不现实的。下图是一种的微反射镜阵列光开关实例，通过设计的优化，能消除不同光 路光程不同造成的损耗不均匀性。 9 图1 1 22 - d 光开关改进示意 3 - dm 酬s 光开关输出、输入端口各有一个可在两个轴上转动的反射镜。能实现大于l 0 0 0 的输入输出波导数，是实现高通路o x c 的理想技术。这种技术的缺点是其需要复杂的维持镜 面位置的反馈系统，以增加损耗稳定性和外界干扰漂移。 在三维微反射镜光开关阵列方面，n t t 公司制作了一个1 0 0 x1 0 0 的器件原型。，能实 现3 m s 的开关速度。如下图所示。 f l q18 坤蛐懈时“虹 d m e m $ 甲c a i 州d 幽 盘盛怒 f q ，i w - c d i 归u 】- d m 日, i b * i h ：d 呷t i c in h yp2 ( m 脚蛾n 刚岫m w o f h _ h e m s a x i s t i l t “u t 眦 图卜1 33 一dm e m s 光开关 贝尔实验室也在进行这方面的工作，研究出精度极高的二维扭转的微反射镜1 ，以及 2 3 8 2 3 8 的光开关阵列，如下图1 。 0 “m 二：；譬：勰盘：毪盅篙黑嚣藩慧盘璺哉 i 口 图卜1 43 - dm e m s 光开关反射镜 图卜1 53 一dm e m s 光开关组装后的图像 微机械光开关阵列的缺点是由于机械结构的固有特性，光开关时间为微秒级，并且不防 震。光开关阵列的防震研究以及开发三维微反射镜光开关阵列，进一步提高集成度是目前研 究重点a 此类光开关的技术难点包括反射镜的制作、光机械封装、镜面控制逻辑和器件应用。 3 ) 热光开关： 此类开关的为集成光学器件，其工作原理是热光效应。通过材料温度变化使器件材料的 折射率发生变化，有两类主要的热光开关类型：干涉型和数字型。 干涉型热光开关通常是基于m a c h z e h n d e r 干涉仪。如图卜1 6 所示。 图l 一1 6 热光开关示意 一个3 d b 耦合器将光均分到等长的两臂中并在第二个3 d b 耦合器中发生双光束干涉，对其中 一个波导臂加热从而改变了波导折射率和光通过时的光程，两个干涉光相对相位发生变化， 因而造成输出光从一路转换到另一路a 数字光开关也是一类集成光学器件，通常是基于s o s ( 硅基二氧化硅) 技术。此中光开 关由相互作用的波导臂组成，双臂上光波的相差决定了光的输出端口。这种技术的缺点是集 成密度不够、高消耗功率。大多数商用化此类器件要求强制冷却以满足可靠性的要求。串扰、 插损可能不能满足某些应用的需要。优点是能以相同的技术单片集成光衰减器和某些选频器 件( a w g ) 。 有机聚合物光电子与集成光学器件最明显的优势是可以设计和研究出针对各种特定用 途的聚合物材料，目前，热电聚合物材料已经成熟了虽然价格仍较高，但是大规模生产后 的价格将会很快降低，再加上其制作工艺过程简便，这使得器件成本大幅度降低。一直以来 深深困扰着有机聚合物器件应用前景的材料老化和环境适应问题，也已经有了较多进展，已 经研究出各种稳定性好、抗老化的聚合物材料。此外有机聚合物光波导器件在与光纤的耦 合中也有着耦合损耗低等特点；在光电子与集成光学器件的大规模集成方面，其更有着其它 材料所不具备的三维集成优势。正因为如此，近年来人们采用有机聚合物材料进行了大量的 热光光开关及其列阵研究。聚合物热光( t o ) 光开关是在硅衬底上，用蒸发、溅射、光刻、 腐蚀等工艺形成分支波导阵列，然后在每个分支上蒸发金属薄膜加热器和电极。电极加上电 流后，加热器的温度使下面的波导被加热，温度上升，热光效应引起波导折射率下降，使光 在丫分支波导的传播方向改变。聚合物热光型器件有着极化依赖性小，器件串音小，制作工 艺简单、适合阵列和大规模生产，而且能在同一衬底上集成矩阵开关的特点。不