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平面集成光波导器件综述

1 引言】
lc谐振放大器光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年S.E.Miller首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。

【2 制作器件的主要材料】
制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1给出这几种材料的基本特性。
InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。
【3 二氧化硅波导基本工艺】
有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知，折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。

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4.1 SiO2 PLC的基本单元
平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发生变化，从而调节器件的性能。

4.2几种典型的PLC器件
（1离合器盘）光功率分配器件
由上述的直条波导的Y形分支集成在一起可以构成1×N的光功率分配器（N＝2，4，8，16，32）这是PLC中最基本的器件。例如波导构成1×8的分配器，最大插入损耗为10.3dB，8路输出的均匀性优于1.0dB。偏振相关损耗小于0.3dB。工作波长在1.26～1.6祄。多路数的光功率分配器将大量应用在光接入网和CATV。光集成的功率分配器性能优良，且体积很小，实际应用中受到欢迎。
（2） Mach-Zehnder干涉仪（MZ干涉仪）
最简单的MZ干涉仪由两个3dB耦合器通过两条波导相连构成。两波导有确定的长度差芁。通常用MZ干涉仪来实现1.31/1.55祄 WDM和波长无关耦合器(WIC)。利用光刻和RIE技术可以使得芁达到亚祄的精度，从而提高干涉仪的技术指标。为了提高隔离度，通过波导间隙在输出端口可装上微形滤波片。1.3/1.55祄 WDM的隔离度大于45dB，插入损耗小于1.3dB。这种WDM是单纤双向收发信机中的重要部分。WIC在宽的波长范围内（1.25～1.56祄），两输出端的功率比与波长无关。这种功能器件可用于测试系统；与Y分支结合可形成2×N的功率分配器，其每路插入损耗与1×N器件相近。两个输入端口扩大了应用范围。
（3）热光开关（大理石晶面机TO Switch）
这种器件利用SiO2的热光效应制成。最简单的2×2开关结构与MZ干涉仪相近，所不同的是，连结两个3dB耦合器的波道臂上具有热光相移单元，因此干涉特性是外界可调的，当输出耦合比从1∶0变为0∶1时，即实现了光在两输出端的转换。PIRI公司（美国）生产的2×2单模热光开关的隔离度大于15dB，速度快于2ms，插损低于1.5dB。多级串连可显著提高隔离度，但加大了器件尺寸和插入损耗。例如NEL公司（日本）的8×8开关阵的隔离度大于40dB，插入损耗近10dB。
（二维力传感器4）阵列波导光栅（AWG）DWDM
AWG波导芯片由N个输入条形波导、N个输出条形波导、两个片状波导（一个输入，一个输出）和一个阵列波导光栅所构成，阵列波导光栅中有数百条光波导。片状波导周围的条状波导的位置是基于凹面反射式衍射单仪的原理确定的。阵列波导中相邻的波导条的长度差是相同的，产生一致的光波位相差。波导间隙中插入半波片用来提高偏振无关特性。AWG已有系列化的产品，具有不同的波长间隔，不同的通道数，满足ITU标准。例如NEL公司0.8nm波长间距、32通道数的AWG，串扰小于-28dB，插损为4.5dB，温度灵敏度为0.011nm/℃。AWG封装采用温度自控，以提高温度稳定性。封装尺寸为100×56×16mm。集成的M×N AWG波分复用器是波分复用光传输系统中的有效器件。
（5）混合光集成PLC平台
目前最著名的混合光集成器件是单纤双向收发机。在硅衬底上制备SiO2波导1.3/1.55祄 WDM，同时用RIE刻出LD和PD的位置。为了提高耦合效率，采用光斑尺寸变换激光器和波导光二极管探测器。这种单纤双向收发机的规模化生产可显著降低其价格，使得FTTH成为现实。NEL生产的这种收发机采用塑料外封装。出纤功率为-3dBm，跟踪误差0.5dB，响应灵敏度0.35A/W。
二氧化硅光波导技术还在不断的发展中。如掺铒波导、超低损耗波导、非线性特性、耦合封装工艺简化等等。随着技术不断改进，器件的尺寸将会更小，功能更密集。

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