支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势

1、第 21 卷 ,第 3 期2004 年 7 月深圳大学学报理工版JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERINGVol121 ,No13J uly 2004文章编号 : 100022618 (2004) 0320189207【两院学术论坛】支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势王 启 明(集成光电子国家重点联合实验室 中国科学院半导体研究所 , 北京 100083)摘要 : 从密集波分复用 (DWDM) 光网络的发展需求出发 , 评述目前支撑光网络关键性光子器件的发展现状 , 指出光器件集成芯片 、光电子系统集成芯片 , 尤其是以 S

2、i 为平台的系统集成芯片和规模化产品 技术的研发是未来光电子的发展趋向.关键词 : 光网络 ; 光器件 ; 光子集成 ; 光电子集成中图分类号 : TN 929111文献标识码 : A光网络 Tb/ s 级传输的最佳选择.对 DWDM 光网络中的信道间隔 , ITU2T 已给出 了标准 , 至少为 100 GHz ( 即 018 nm 波长) , 随着技术 的 进 步 , 还 将 按 几 何 级 数 成 倍 减 小. 由 于 DWDM 多通道光波长如此紧邻 , 且解复用后在空间 分布上也非常靠近 , 因此在对通道进行检测时 , 波 长的精确对准与近邻通道串扰的抑制是需要解决的 重要课题.112

3、 信息上下载路与灵活分插复用传送信息的多址上下载路与灵活分插复用功能 是光网络有别于点对点通信的关键所在. 基于电子功能的上下话路分插复用 (ADM) 已满足不了当前 的需求 , 必须采用高速率全光操作 , 因此全光上下 载路分插复用 (OADM) 已提上日程. AWG 依然是 实现分插复用的基础 , 而光开关阵列则最终完成用 户与网络的连接. 开关响应速率的快慢决定了网络 与用户间运作联系的实时性需求 , 计算机联网实时 性要求至少达纳秒 ( ns) 的响应 , 高速光开关阵列的研发将是提升网络功能水平的重要标志.113 网际间信息的共享与交换未来的光网络不仅将成为国家信息基础设施的 关键

4、, 也是全球信息一体化的基础. 无论哪一个地区或国家的网络都将是开放式的. 网际交换是网络光网络发展对器件的需求1光网络是未来国家信息基础设施的核心. 它以最大限度服务于广大用户日益增长的信息需求为宗 旨. 用户对信息需求是多样化的并随时不断变化 , 光网络必须具有对大容量多媒体信息传送的完全兼容与充分透明. 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 : 超高速率 、大容量信息比特的加载与传送 , 用户信息需求的上下载路与灵活的分插复 用 , 网际间信息的快速交换与共享以及网络对传输 信道的高效经济路由选择 4 部分.111 超高速率 、大容

5、量信息比特的加载与传送Tb/ s 级信息比特量的传送是光网络发展的起 点. 目前用于单通道传输的半导体激光源 ( 包括驱动电路的速率) 信息加载能力只达 40 Gb/ s. 从技术难度和经济性考虑 , 企图突破 100 Gb/ s 的门坎已相当困难. 波分复用技术是唯一可行的出路 ,窗口的实现为此奠定了基础.全波高密集度 、高质量的波分复用器的发展将为其关键. 基于 SiO22Si 体系的波导光栅阵列 ( AWG)能满足这一要求 , 是实现密集波分复用 ( DWDM)收稿日期 : 20032 122 25 ; 修回日期 : 20042 042 26基金项目 : 国家重点基础研究发展计划项目 (

6、 G2000036603 , 90104003) ; 国家自然科学基金重大研究计划项目 (69896260)作者简介 : 王启明 (19342) , 男 ( 汉族) , 福建省泉州市人 , 中国科学院半导体研究所研究员 , 中国科学院院士.E2mail : qmwang red1semi1ac1cn一体化的关键接口. 它既类同于上下载路 , 又与之有重大区别 : 首先网络交换对实时性要求更高. 不 同地区的不同网户对信息的需求千差万别 , 网络必须能满足其最高需求 , 纳秒响应的光开关是光交换(OXC) 系统所必需的. 其次 , 网际交换对应着众 多用户 ( 尽管大部分用户可通过地区网转发)

7、, 光 开关矩阵的集成度远比 OADM 大得多 , 它通过众多长) , 能满足光网络发展的需求. 目前可加载 40Gb/ s 的这类 DFB2EA 集成光源已研究成功 , 开始在 实验系统中应用 , 商用系统上普遍使用的则是 10Gb/ s 的集成光源. 当前的研究课题是在集成光源中 实现微调谐功能 , 以符合 ITU2T 标准的要求.212 波分复用与解复用器复用器应是一种具备对称功能的器件. 现已发 展了多种复用器 , 如多层介质膜滤光片复用器 、光 纤光栅复用器等.然而 , 它们的损耗随着复用通道的增加而增 大 , 因而满足不了 DWDM 的密集复用传输 , 一般只 适用于 32 个通道

8、以下 , 如在局域网或接入网中上 下载路分插复用使用.SiO22Si 系的 AWG 是目前用于 DWDM 光网络的理想选择. 从技术上看 , 它的复用路数几乎不受限 制 , 只要增加弯曲波导的路数 (一般为通道数的 10 倍) 即能达到. 同时它的制备工艺几乎与微电子工 艺完全兼容 , 可大规模生产. 只是必须解决 SiO2 厚 层 (如 50 m 厚) 的无应力生长 , 否则将会引入偏 振色散. 另一个难点则是必须保证波长与通道精确 对准 , 同时具有平坦的响应特性 , 必要时还应具备 适当的波长可调谐功能. 随着技术的进步 , 这些难 点将会一一得到突破. 目前实验室研制的 SiO2/ S

9、i AWG 复用通道已达 1 000 ×1 000 水平. 60 ×60 复用 信道的 AWG 产品也已问市 , 但价格昂贵. 尽管这 样 , 有不少光网络系统已开始使用 AWG 复用/ 解复 用器 , 而在未来的 DWDM 光网中 , 它则是不可缺少 的关键器件. 用于上下载路分插复用的复用/ 解复 用器 , 通道数可不必很大 , 造价降低到用户能普遍 接受 的 水 平 为 其 关 键. 因 此 , Si 基 SOI AWG 和 Polymer/ Si AWG 是目前关注的另一重要发展方向.213 窄谱带响应的高速光电检测器面对光网络中高密集度 DWDM 的低串扰解复用

10、需求 , 必须在常规的光电检测器前面加上可调谐窄通带滤波器. 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. 共振腔增强型 ( RCE) 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 DBR 镜 , 由 此构成一个 F2P 谐振腔. F2P 腔具有锐选模特性 ,光波导形成一个很大规模的树枝状网络 ,的积累是一个有待解决的问题.114传输信息的路由选择波导损耗光网络体系必须具备快速识别网

11、户的功能.DWDM 技术的运用能充分复用丰富的波长资源 , 选 用不同波长作为网户的标志而实现波长路由的方案. 然而 , 网户并不是全天候工作的 , 因此网络中必将存在大量的空闲通道. 从网络运行的经济性考 虑 , 有时需要借道传送 , 以充分发挥网络的潜力.这就要求网络体系具有波长变换的功能. 在光交换系统中这是完全必需的 , 因为在不同地区网中 , 所 有的波长都已分配给自己的网户 , 不经波长转换 , 网间信息是不可能及时加载的. 波长转换的带宽则要求能覆盖全波段并有高速率响应. 波长转换也将 导致网络系统复杂 , 使造价升高. 因此在局域网中 也可以不必采用波长转换 , 但须要求网户系

12、统具有 发送不同通道波长载波光的可调谐功能. 如何选 择 , 需从系统的经济性考虑.关键性光子集成器件的研发现状2光网络具有服务于高速率 、大容量 、多媒体 、众多用户的应用需求 , 因此一个先进系统的复杂功 能需要许多高性能的光子器件与集成芯片来支撑. 以下着重介绍其关键性光子器件的研发进展.211 高速响应 、单稳频 、集成化发射光源In GaAsP/ InP 量子阱半导体分布反馈 (DFB)激光器仍然是光网络的首选光源. 尽管通过器件结构的优化设计 , DFB 的直接调制速率已达 10 GHz , 但 要达到 40 GHz 难度极大. 频移啁啾效应已相当严 重 , 必须采用外调制技术.

13、利用量子阱中的量子限 制 (QCSE) 效应研制的电吸收 ( EA) 调制器是首选的目标. 它不仅可以达到 100 GHz 的调制带宽 ,而且能与 DFB 激光器实现单片集成 , 其发射功率下 落到 20 dB 时 , 谱线宽度仅为 THz ( 即 0108 nm 波第 3 期王启明 : 支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势191同时对未被吸收的入射光通过腔内多次往返 , 起到多光程吸收增强的作用. 这种器件结构与垂直腔面 发射激光器 (VCSEL) 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 DBR 间 ( 如多层 SiO2/ S

14、i) , 形成 F2P 腔 , 从而实现全波段的窄带可调谐检 测功能 , 这是引人关注的重要发展. 我们借助自己的 SOR 专利技术 , 以应变层 Si017 Ge013/ Si MQW 材料 为吸收层 , 已实现对 113 m 光的窄带探测 , 响应谱 FWHM < 6 nm , 外量子效率 > 412 % . 通过结构上的优化和工艺上的完善 , 性能还可有更大的提 高. Si 基窄带检测器的实现 , 为全 Si 化光接收机的系统芯片集成 ( system on chip , SOC) 奠定了基础.214 可调谐窄通带光学滤波器可调谐窄带光学滤波器是光网络中不可缺少的 重要器件之

15、一 , 而可集成化的发展则是实用化追求的目标. 窄带滤波器在光网络中的应用 , 不仅是信道光的甄别检测的需求 , 同时也是获得满足 ITU2T 信道间隔标准的载波光束的重要途径. 对滤波器除 了要求窄通带 (如 < nm) 外 , 宽频域可调谐以及小 型化可兼容集成对实用化系统的应用也很重要. 已发展的多层介质膜滤光片 、声光滤波器 、Bragg 光 栅光纤滤波器等很难同时满足上述要求.半导体光滤波器 , 尤其是 Si 基材料研制的光滤波器 , 有可能满足实用化光网络系统应用的需求 ,因而是人们关注的一个重要发展方向.我们在 Si 衬底上成功地研制了 2 种可调谐光学 滤波器 , 即微机

16、械 MOEMS 可调谐滤波器和 F2P 腔热光 ( TO) 可调谐滤波器 , 它们都能满足宽频域连 续可调谐的要求. MOEMS 可调谐光滤波器是在 Si衬底上 , 运用表面微机械加工技术做成悬挂式平板电容结构. 上下平板表面根据中心波长 0 的需求 分别做上尺寸适宜的 SiO2 多层介质膜 , 供作高反射 率的 DBR 反射镜 , 于是该 MOEMS 结构便组成了一 个空气隙 F2P 谐振腔 , 空气隙的厚度 L 0 按半波长设 计.外加电压 V 施加于上下平板间时 , 由于静电力F 的作用 , 平板的间距 L 0 (即腔长) 发生微小变化其中 , 为与结构有关的比例系数.透射谱的响应半宽

17、FWHM 与 F2P 腔的 Q 值有灵 敏的关系 :2( 1 -R R )01 2FWHM = 2n( 2)2) 1/ 4( RR1其中 , R 、R 分别为上下 DBR 的反射率 ; n 为腔内1 2折射率.对空气隙 n = 1 ,已对 113m 、1155m 波段实现可调谐滤波运作. 当外加电压从 0 变化到 50 V时 , 在 113m 中心波长处实现了 90 nm 的宽调谐运 作 , 但 FWHM 比理论设计值 2 nm 大一个多量级(32 nm) , 这是由于腔长度起伏引起多模运作所致.若将镜面面积由 150 m ×150 m 减小为 15 m ×15m , 预计

18、腔长的起伏效应将能大幅度得到改善. 这 类宽频域可调谐滤波器的制作工艺比较精细 , 但它与现在的 Si 微电子工艺可兼容 , 能实现 OEIC 单片集成. 它比较适用于宽频域可调谐光束的获取.我们采用 Si 全平面工艺技术研制成功另一种基 于热光 ( TO) 效应的可调谐滤波器. 在 Si 衬底表 面生长符合要求的 SiO2/ Si 或 Al2O3/ Si DBR 反射器 ,再用我们的 SOR 专利技术将薄片的 Si 材料低温键合在上面 , 经减薄抛光 , 表面生长 SiO2 掩膜 , 刻出 正 、负 2 个电极孔后 , 做出金属接触电极 , 刻出通 光窗口并在窗口表面蒸镀上部的 DBR 反射

19、镜 , 便 构成一个以 Si 为腔体材料的 F2P 腔. 窗口面积为 20 m ×100m , 腔长根据要求设定为 30 m. 注入电 流由电极孔横向流经 Si 腔体 , 使腔体温度细微增n- 4- 1高 , Si 材料有大的热光系数 ,= 2 ×10K,T它将导致折射率的增大 , 由此引起中心波长的红移.与 n 的关系如下 :0( 3)=nnSi实验得到滤波峰半宽 FWHM 为 015 nm , 与理论值估计一致. 当加热电流由 0 逐渐增加到 57 mA 时 , 在 113m 波段可调谐滤波范围达 23 nm , 响应 时间为 300 s , 相应功率耗散为 19 mW

20、/ nm. 由于 这是一类电 热调谐型器件 , 其功耗比 MOEMS 要 大 , 且只能单向调谐 , 调谐范围也不及前者 , 但由 于它属平面结构 , 制作工艺简单并与其他 Si 器件工 艺可兼容 , 因此根据集成功能的需求完全可以实现Si 基单片集成. 它与 Si 基长波长光电探测器的结L , 导致谐振腔模式线性移动 ,调谐的目的.从而达到可0 = L( 1)L 0合 , 更适用于对多信道光的可调谐甄别检测 , 尤其适用于光网络中信道的甄别下载.215 集成光开关阵列基于电光、磁光 、声光 、热光等物理效应的光 开关器件已有很长一段研发历史 , 有些分立器件已应用在光通信系统中 , 但集成化

21、的问题并未解决 ,造价也很高 , 开关速度也都比较慢. 未来的发展除 提高开关响应速度外 , 还需大幅度降低造价 , 以适 应用户的经济承受度. 光网络中光开关是以矩阵形 态运作的 , 同时光开关又必须借助电能的驱动 , 因此光开关矩阵的光电子集成 (OEIC) 势在必行. 它 不仅有利于提高速度 , 稳定性能 , 同时也是实现规模化生产 、降低造价的必由之路. 从上述观点考 虑 , Si 基光开关的研发应是一个重要的方向. 目前 Si 基 光 开 关 主 要 有 2 类 , 一 类 是 基 于 微 机 械 (MEMS) 的光开关 , 它是用微机械静电马达带动微 小反射镜来实现的. 利用现有

22、Si 微电子工艺已研制 出 256 ×256 Si 基 MEMS 光开关矩阵 , 有些实验系统 已采用了这类光开关 , 但开关速度仅达若干毫秒 , 满足不了网际光交换的需求 , 且稳定性和可靠度还 存在问题 , 造价也很高昂.另一类则是基于热光 ( TO) 效应和电光 ( EO)效应的 Si 基光开关. 这类光开关大都做成 M2Z 干 涉仪的结构. 制作在 Si 基片上 SiO2 波导 TO 型 M2Z 光开关是已成熟的一种. SiO2 有比较大的热光系 数 , 且导热系数又很小 , 因此开关功耗可以做小. 但导热系数小 , 却使开关热弛豫时间拖长 , 一般也 为毫秒量级. 目前研发

23、的 TO 光开关矩阵已达规模 化 , 并开始应用于光网络实验系统 , 但造价仍不 低. 采用 Si 基 SOI 基片制作的 TO 光开关 , 由于 Si 的热导系数比 SiO2 大得多 ( 约 3 个数量级) , 因此 开关的热弛豫时间可大幅度降低 , 但需要付出热功 耗的代价. 我们研制的这种开关 , 在 015 W 热功耗 下运作 , 开关时间可低达 10s.电光型 EO 光开关 , 可望达到小于纳秒级开关 时间. 然而由于 Si 的 Pockel 效应很弱 , 电光系数极 小 , 难以满足 EO 开关的要求. 运用纳米技术和能 带工程改性是一个重要的研究方向. Polymer 材料的 电

24、光系数很大 , 电光响应时间可达皮秒级 , 是一个 非常诱人的研发方向 , 需要解决的问题是材料的稳 定性.216 宽带波长变换器基于半导体光放大器 ( SOA) 运作的波长变换 器 , 是比较成功的一种. 波长变换的功能即利用SOA 的非线性增益和均匀展宽特性. 它有 3 类工作模式 , 即 : 交叉增益调制 XGM ; 交叉相位调制 XPM 和 4 波混频 FWM. 最有发展前途的是交叉相位调制 的工作模式. 将 2 个性能相同的半导体光放大器 SOA1 、SOA2 通过 3 dB 定向耦合器组成一个 M2Z 干涉仪 , 试探光c 经耦合器分束 , 同时入射到两臂的SOA 中. 尽管它们都

25、对 SOA 的光增益产生了调制 ,但在对称运作下 , 两者相位差为零 , 因此输出端保 留c 激光输出. 此刻若信号光s 向某一臂的 SOA1 入射 , SOA1 将产生附加光增益调制 , 等离子色散 效应将使 SOA1 的折射率发生变化 , 使 SOA1 臂中对c 试探光的传播系数 (或相位) 受到调制 , 选择适 宜的工作条件可使两臂的相位差为. 由于相干抵 消的结果 , 干涉仪的输出端将没有c 激光输出. 这 就实现了传输信息码 s c 的波长变换. XPM 模 式对自发辐射光有抑制作用 , 波长变换对比度较 高 , 比较适宜于级连使用.In GaAsP/ InP MQW 基的波长变换器

26、已能在 1131155 m 波段下工作 , 响应速率可达 100 Gb/ s , 但对单个 SOA 波长变换器的变换带宽则受限于 SOA 的光增益平坦带宽. 一般可连续变换谱区在 40 nm以内 , 而石英光纤的全波窗口达 400 nm , 因此在高 密集度 DWDM 光网络中 , 必须考虑不同响应谱带的多个 SOA 级连使用. SOA 的制作工艺要求苛刻 , 造价很高 , 响应时间为纳秒量级 , 不易实现多波长信 道同时有效转换 , 对于有实用价值的全光交换系统 的实现 , 仍然是一个有待解决的问题.一个 值 得 重 视 的 重 要 进 展 是 在 周 期 极 化 的(LiNbO3) 波导中

27、 , 通过同时进行级连式二阶非线 性光学效应 , 实现多波长信道的实时 、高效波长变 换 , 即 PPLN(2)(2) 波长转换器的出现. 之所以选 用 LiNbO3 , 是因为它的(2) 比 SiO2 大 104 105 倍 , 有很强的二次谐波激发 ( SHG) 和差频激发 (DFG) 效应. 这就使得能采用与信号光波长 s 的长波泵 浦光 p 经 SHG 效应获得足够强度的倍频 (2p ) 光 , 而几乎同时通过与 s 频率的信号光拍频产生新的 变换光频率c = 2p - s . 其输出功率 Pout与运作 条件有如下关系第 3 期王启明 : 支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势193

28、1 2 L 4 Pp 2 PsPout 218高性价比的长波长垂直腔面发射激光器( VC2SEL)光网络的发展既取决于社会对信息化程度的迫 切需求 , 也有赖于系统造价成本的降低 , 以使市场的开拓与用户的经济承受能力相匹配. 光电子器件 造价的降低是一个重要的努力方向. VCSEL 激光器(4)4其中 , PP 、PS 分别为泵浦功率与信号功率 ; 为与材料(2) 有关的归一化变换效率 ; L 是作用长度. 将 LiNbO3 波导做成光栅结构是为了实现变换波长 的准相位匹配. 它与变换波长间敏感性是不强的 , 变换效率的提高可从适当增大作用长度和提高泵浦 功率 Pp 实现 , 0 dB 甚至

29、 3 dB 的转换效率有望实现. 由于它的变换过程是纯光学的 , 具有实时性 , 不存在自发辐射噪声 , 对比度高 , 并有多波长 、高效率转换优点 , 是很有前途的一个新突破.从集成化的角度考虑 , Polymer 也具有强非线性 光学的优势 , 并可在 Si 基片上研制 , 有利于实现 OEIC , 因而是值得探索的更具实用化的努力方向.217 短程多模干涉 ( MMI) 分束器传统的光开关单元是由 2 个 3 dB Y 型波导耦合 器与 M2Z 开关的两臂连接组成. 实现多址传送功 能 , 需要众多的光开关单元按树枝状网络连接组成 大规模的光开关矩阵. 连接光波导的累计光程很 长 , 网

30、络分布复杂 , 芯片面积很大 , 传输光的损耗很大 , 因此需要发展一种短程多址分束器. 多模干 涉耦合器能很好满足这一需求. 它是一个适宜尺寸 的多模光波导 , 两侧连接有输入 、输出用的单模光 波导 , 由单模波导入射的信道光束进入多模波导后 通过波导侧壁的多次反射引起的干涉效应在多模波导中的不同截面形成不同级别 、强度均衡的多模光 斑 , 其传播方向 、相位与入射光波一致. 根据系统 的需求来确定多模波导的长度 , 便可获得 1 ×N 或 M ×N 自映射多模分束器或耦合器 , 从而实现多址 分束功能.MMI 分束器的长度一般为波长量级 , 在 10 m 以内. 由此

31、组成的光开关矩阵 , 损耗可大幅度降 低 , 芯片面积也大大缩小. MMI 具有对称功能 , 且 对波长敏感度较弱 , 已有人用它作为小规模 ( 8 个 信道波长) 的复用/ 解复用器使用 , 在 OADM 系统会有广阔的应用前景.SOI Si 基材料是研发 MMI 的理想选择. 它不仅体积很小 (5 m ×5m ×80 m) , 有一个 3的衬底已研制出 256 ×256 VCSEL , 成品率很高. 借助微电子工艺又能实现自动化封装 , 可望使售价降低到 用户可接受的程度 ( 比现在的 DFB 激光器便宜 100 倍) . 不幸的是 , 现在的 In GaAs

32、P/ InP 基长波长激光 器由于 2 种材料间的折射率差很小 , 制备 90 %反射率的 DBR 至少要交替生长 100 对异质层 , 造价很高 , 工艺难度极大 , 是需要攻克的一个难关. 采用低温键合技术将 Al GaAs/ GaAs 或 SiO / Si 的 DBR 与2In GaAsP/ InP MQW 芯片结合一起 , 是一个有希望的研发方向 , 关键是要求经键合后的芯片具有完美的 光学界面 , 保证谐振腔有很高的 Q 值. 如能实现可选波长的发射功能 , 它在 OADM 和 OXC 运作中将有重要的应用. 这是我们正在研究的一项重要课 题.此外 , 支撑光网络发展的光电子器件还有

33、 : 光 功率均衡器 、模梳状分离器 , 以及用于泵浦掺 Er和 Tm 光纤放大器 EDFA 和 TDFA 的量子阱 980 nm大功率激光器和泵浦光纤 Raman 放大器 DRFA 的 14××nm 波长系列化大功率激光器等.未来的发展趋势3虽然现已研发的光子器件已能满足当前光网络发展的需求 , 但随着信息化社会的发展 , 传输信息 量的激增 , 实时性要求的提高 , 用户数量的扩大和 对网络安全的重视 , 光网络的功能配置必将大大增 强 , 它将不断地对光子器件提出新的要求 , 因此继 续研发更高性能的光子器件是一项长期的创新性任 务. 优化功能 、降低成本 、开拓市场

34、始终是光电子 器件发展的主流.311 光器件集成的研发光器件集成的研发是一个重要发展趋势 , 它包 括有源光子器件集成 , 即光子集成 ( PIC) 和无源 光波回路集成 ( PLC) 芯片的发展. 前面论及几种关键性器件几乎都是光子集成器件.工艺成熟 , 材料低廉 ,关电路实现单片集成 ,化生产.更重要的是它能与微电子开从而有利于 SOC 芯片的规模光波回路集成是将若干无源光波导器件制作在一个基片上 , 通过平面波导互连 , 构成一定的功能 回路 , 应用于光网络体系.光器件集成不仅能使器件性能 , 如响应速率 、 耦合效率 、功耗 、串扰等特性得到根本性改善 , 同 时也使功能芯片的稳定性

35、 、可靠度和成品率得到大 幅度提高 , 从而也使芯片的整体造价大幅度降低.312光电子集成芯片的研发这又是一个重要发展趋势. 光器件的运作离不 开电的驱动与控制 , 因此一个完整的集成功能芯片应包含有光子器件和电子器件的兼容集成 , 构成一个光电子集成系统芯片. 业已成熟的微电子技术首 推 Si 基和 GaAs 基 2 类 , Si 基微电子无论从技术的 成熟性 、规模化程度 、性价比等方面 , 远比 GaAs基优越 , 因此 Si 基 SOC 光电子集成芯片的发展 , 是一个梦寐以求的目标. 除了有源光子器件 ( 激光 器和光放大器) 外 , 其余的性能优异的无源光子器 件几乎都可在 Si

36、的基片材料上得到实现 , SiO2/ Si 、 SOI、Si Ge/ Si 等结构材料为 Si 基光子器件的发展提供了广阔的发展空间. 能带工程和纳米技术的运用 还将会为之开创新局面.由此可见 , 未来的光电子集成 SOI 芯片将是以 Si 平台为基础的集成芯片. 低温键合技术的运用对 以 Si 为平台的光电子 SOC 芯片的发展将作出重要贡献.313规模化产品技术的研发这也是未来又一个重要发展趋势 , 必须研究大幅度降低光电子器件与芯片成本的途径.制造工艺的简约化 、标准化 、系列化和自动化 是必由之路. 满足光网络各种需求的光子器件要求结构简单 , 工艺兼容性高. 尽量采用标准化 、系列

37、化的平面工艺技术 , 为产品研制过程自动化打下基础 ,最终实现低成本规模化产品开发的远大目标.光子集成与光电子集成芯片产品化技术的实 无疑将使光网络的发展走进千家万户 , 为信息现 ,化时代的来临作出历史性的巨大贡献.参考文献 :王启明. 光网络中关键性光子集成器件的研究与发展(上) J . 光纤通信 , 2001 , 23 ( 3) : 8214.王启明. 光网络中关键性光子集成器件的研究与发展(下) J . 光纤通信 , 2001 , 23 (4) : 8212.Ouay Eldada . 在电信和数据通信中光器件的研究进展 J . 光学工程 , 2001 , 40 (7) : 11652

38、 1176 (英文版) . 光纤通信会议 ( OFC) 文集 C . Anaheim , California , USA. 2001 (英文版) .王启明. 支撑光网络发展的光电子器件研发现状与趋势J . 中国科学院院刊 , 2002 , (2) : 89294.王启明. 光网络中关键性光子集成器件的研究进展123456J .中国科学 ( E) , 2002 , 34 (4) : 5162522.Chou M H , Brener I , Fejer M M , 等. 基准级连二阶光学外线性效应的铌酸锂波导 115m 波带波长变换器 J . IEEE 光学技术快报 , 1999 , 11 (

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 期王启明 : 支撑光网络发展的光子集成器件研发与趋势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