支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)

1、文章編號(hào) : 100022618(2004) 0320189207收稿日期 : 2003212225 ; 修回日期 : 2004204226 基金項(xiàng)目 : 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 ( G 2000036603 , 90104003) ; 國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃項(xiàng)目 (69896260)作者簡(jiǎn)介 : 王啟明 (19342) , 男 (漢族) , 福建省泉州市人 , 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員 , 中國(guó)科學(xué)院院士.E 2mai

2、l : qmwang @red1semi1ac1cn【兩院學(xué)術(shù)論壇】支撐光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的光子集成器件研發(fā)與趨勢(shì)王 啟 明(集成光電子國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 , 北京 100083)摘 要 : 從密集波分復(fù)用 (DWDM) 光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求出發(fā) , 評(píng)述目前支撐光網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性光子器件的發(fā)展現(xiàn)狀 , 指出光器件集成芯片、光電子系統(tǒng)集成芯片 , 尤其是以 Si 為平臺(tái)的系統(tǒng)集成芯片和規(guī)模化產(chǎn)品技術(shù)的研發(fā)是未來(lái)光電子的發(fā)展趨向

3、.關(guān)鍵詞 : 光網(wǎng)絡(luò) ; 光器件 ; 光子集成 ; 光電子集成中圖分類(lèi)號(hào) : T N 929111 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A1 光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對(duì)器件的需求光網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心. 它以最大限度服務(wù)于廣大用戶(hù)日益增長(zhǎng)的信息需求為宗旨. 用戶(hù)對(duì)信息需求是多樣化的并隨時(shí)不斷變化 ,光網(wǎng)絡(luò)必須具有對(duì)大容量多媒體信息傳送的完全兼容與充分透明. 未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)以數(shù)字化表征為基礎(chǔ)的多媒體寬帶綜合服務(wù)網(wǎng) , 其基本功能構(gòu)架可分解為

4、 : 超高速率、大容量信息比特的加載與傳送 , 用戶(hù)信息需求的上下載路與靈活的分插復(fù)用 , 網(wǎng)際間信息的快速交換與共享以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸信道的高效經(jīng)濟(jì)路由選擇 4 部分.111 超高速率、大容量信息比特的加載與傳送Tb/ s 級(jí)信息比特量的傳送是光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的起點(diǎn). 目前用于單通道傳輸?shù)陌雽?dǎo)體激光源 (包括驅(qū)動(dòng)電路的速率) 信息加載能力只達(dá) 40 G b/ s. 從技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)性考慮 , 企圖突破 100 G b/ s 的門(mén)坎已相當(dāng)困難

5、. 波分復(fù)用技術(shù)是唯一可行的出路 , 全波窗口的實(shí)現(xiàn)為此奠定了基礎(chǔ).高密集度、高質(zhì)量的波分復(fù)用器的發(fā)展將為其關(guān)鍵. 基于 SiO22Si 體系的波導(dǎo)光柵陣列 (AWG)能滿(mǎn)足這一要求 , 是實(shí)現(xiàn)密集波分復(fù)用 (DWDM)光網(wǎng)絡(luò) Tb/ s 級(jí)傳輸?shù)淖罴堰x擇.對(duì) DWDM 光網(wǎng)絡(luò)中的信道間隔 , IT U2T 已給出了標(biāo)準(zhǔn) , 至少為 100 GHz (即 018 nm 波長(zhǎng)) , 隨著技術(shù)的進(jìn)步 , 還將按幾何級(jí)數(shù)成倍減小. 由于DWD

6、M 多通道光波長(zhǎng)如此緊鄰 , 且解復(fù)用后在空間分布上也非?？拷?, 因此在對(duì)通道進(jìn)行檢測(cè)時(shí) , 波長(zhǎng)的精確對(duì)準(zhǔn)與近鄰?fù)ǖ来當(dāng)_的抑制是需要解決的重要課題.112 信息上下載路與靈活分插復(fù)用傳送信息的多址上下載路與靈活分插復(fù)用功能是光網(wǎng)絡(luò)有別于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的關(guān)鍵所在. 基于電子功能的上下話(huà)路分插復(fù)用 (ADM) 已滿(mǎn)足不了當(dāng)前的需求 , 必須采用高速率全光操作 , 因此全光上下載路分插復(fù)用 (OADM) 已提上日程. AWG依然是實(shí)現(xiàn)分插

7、復(fù)用的基礎(chǔ) , 而光開(kāi)關(guān)陣列則最終完成用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)的連接. 開(kāi)關(guān)響應(yīng)速率的快慢決定了網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)間運(yùn)作聯(lián)系的實(shí)時(shí)性需求 , 計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)性要求至少達(dá)納秒 (ns) 的響應(yīng) , 高速光開(kāi)關(guān)陣列的研發(fā)將是提升網(wǎng)絡(luò)功能水平的重要標(biāo)志.113 網(wǎng)際間信息的共享與交換未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)不僅將成為國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵 , 也是全球信息一體化的基礎(chǔ). 無(wú)論哪一個(gè)地區(qū)或國(guó)家的網(wǎng)絡(luò)都將是開(kāi)放式的. 網(wǎng)際交換是網(wǎng)絡(luò)第 21 卷 ,第 3 期 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工

8、版 Vol121 ,No132004 年 7 月 JOURNA L OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERING July 2004同時(shí)對(duì)未被吸收的入射光通過(guò)腔內(nèi)多次往返 , 起到多光程吸收增強(qiáng)的作用. 這種器件結(jié)構(gòu)與垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSE L) 一樣 , 尤其適宜于大規(guī)模集成和批量生產(chǎn). 采用外延生長(zhǎng)或低溫鍵合技術(shù) , 將適宜的吸收層構(gòu)置在上下 DBR 間 (如多層 SiO2/S

9、i) , 形成 F2P 腔 , 從而實(shí)現(xiàn)全波段的窄帶可調(diào)諧檢測(cè)功能 , 這是引人關(guān)注的重要發(fā)展. 我們借助自己的 SOR 專(zhuān)利技術(shù) , 以應(yīng)變層 Si017 G e013/ Si MQW 材料為吸收層 , 已實(shí)現(xiàn)對(duì) 113μ m 光的窄帶探測(cè) , 響應(yīng)譜 FWHM 412 %. 通過(guò)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化和工藝上的完善 , 性能還可有更大的提高. Si 基窄帶檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn) , 為全 Si 化光接收機(jī)的系統(tǒng)芯片集成 (system on chip

10、 , SOC) 奠定了基礎(chǔ).214 可調(diào)諧窄通帶光學(xué)濾波器可調(diào)諧窄帶光學(xué)濾波器是光網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的重要器件之一 , 而可集成化的發(fā)展則是實(shí)用化追求的目標(biāo). 窄帶濾波器在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 , 不僅是信道光的甄別檢測(cè)的需求 , 同時(shí)也是獲得滿(mǎn)足 IT U2T信道間隔標(biāo)準(zhǔn)的載波光束的重要途徑. 對(duì)濾波器除了要求窄通帶 (如 < nm) 外 , 寬頻域可調(diào)諧以及小型化可兼容集成對(duì)實(shí)用化系統(tǒng)的應(yīng)用也很重要. 已發(fā)展的多層介質(zhì)膜濾光片、聲光

11、濾波器、Bragg 光柵光纖濾波器等很難同時(shí)滿(mǎn)足上述要求.半導(dǎo)體光濾波器 , 尤其是 Si 基材料研制的光濾波器 , 有可能滿(mǎn)足實(shí)用化光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的需求 ,因而是人們關(guān)注的一個(gè)重要發(fā)展方向.我們?cè)?Si 襯底上成功地研制了 2 種可調(diào)諧光學(xué)濾波器 , 即微機(jī)械 MOEMS 可調(diào)諧濾波器和 F2P 腔熱光 (T O) 可調(diào)諧濾波器 , 它們都能滿(mǎn)足寬頻域連續(xù)可調(diào)諧的要求. MOEMS 可調(diào)諧光濾波器是在 Si襯底上 , 運(yùn)用表面微機(jī)械加

12、工技術(shù)做成懸掛式平板電容結(jié)構(gòu). 上下平板表面根據(jù)中心波長(zhǎng)λ 0 的需求分別做上尺寸適宜的 SiO2 多層介質(zhì)膜 , 供作高反射率的 DBR 反射鏡 , 于是該 MOEMS 結(jié)構(gòu)便組成了一個(gè)空氣隙 F2P 諧振腔 , 空氣隙的厚度 L0 按半波長(zhǎng)設(shè)計(jì).外加電壓 V 施加于上下平板間時(shí) , 由于靜電力F 的作用 , 平板的間距 L0 (即腔長(zhǎng)) 發(fā)生微小變化△ L , 導(dǎo)致諧振腔模式線(xiàn)性移動(dòng) △ λ , 從而達(dá)到可調(diào)諧的目的.△ λ = γ

13、λ 0L0 △ L (1)其中 ,γ為與結(jié)構(gòu)有關(guān)的比例系數(shù).透射譜的響應(yīng)半寬 FWHM 與 F2P 腔的 Q 值有靈敏的關(guān)系 :FWHM = λ 2 02 πn(1 - R1 R2)( R1 R2) 1/ 4 (2)其中 , R1 、R2 分別為上下 DBR 的反射率 ; n 為腔內(nèi)折射率.對(duì)空氣隙 n = 1 , 已對(duì) 113μ m、1155μ m 波段實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧濾波運(yùn)作. 當(dāng)外加電壓從 0 變化到 50 V時(shí) , 在 113μ m

14、中心波長(zhǎng)處實(shí)現(xiàn)了 90 nm 的寬調(diào)諧運(yùn)作 , 但 FWHM 比理論設(shè)計(jì)值 2 nm 大一個(gè)多量級(jí)(32 nm) , 這是由于腔長(zhǎng)度起伏引起多模運(yùn)作所致.若將鏡面面積由 150μ m × 150μ m 減小為 15μ m × 15μ m , 預(yù)計(jì)腔長(zhǎng)的起伏效應(yīng)將能大幅度得到改善. 這類(lèi)寬頻域可調(diào)諧濾波器的制作工藝比較精細(xì) , 但它與現(xiàn)在的 Si 微電子工藝可兼容 , 能實(shí)現(xiàn) OEIC 單片集成. 它比較適用于寬頻域可

15、調(diào)諧光束的獲取.我們采用 Si 全平面工藝技術(shù)研制成功另一種基于熱光 (T O) 效應(yīng)的可調(diào)諧濾波器. 在 Si 襯底表面生長(zhǎng)符合要求的 SiO2/ Si 或 Al2O3/ Si DBR 反射器 ,再用我們的 SOR 專(zhuān)利技術(shù)將薄片的 Si 材料低溫鍵合在上面 , 經(jīng)減薄拋光 , 表面生長(zhǎng) SiO2 掩膜 , 刻出正、 負(fù) 2 個(gè)電極孔后 , 做出金屬接觸電極 , 刻出通光窗口并在窗口表面蒸鍍上部的 DBR 反射鏡 , 便構(gòu)成一個(gè)以 S

16、i 為腔體材料的 F2P 腔. 窗口面積為 20μ m × 100μ m , 腔長(zhǎng)根據(jù)要求設(shè)定為 30μ m. 注入電流由電極孔橫向流經(jīng) Si 腔體 , 使腔體溫度細(xì)微增高 , Si 材料有大的熱光系數(shù) , △n△T = 2 × 10 - 4 K- 1 ,它將導(dǎo)致折射率的增大 , 由此引起中心波長(zhǎng)的紅移△ λ . △ λ與 △n 的關(guān)系如下 :△ λ△n = λ 0nSi(3)實(shí)驗(yàn)得到濾波峰半寬 FWHM 為 015

17、 nm , 與理論值估計(jì)一致. 當(dāng)加熱電流由 0 逐漸增加到 57 mA時(shí) , 在 113μ m 波段可調(diào)諧濾波范圍達(dá) 23 nm , 響應(yīng)時(shí)間為 300μ s , 相應(yīng)功率耗散為 19 mW/ nm. 由于這是一類(lèi)電 — 熱調(diào)諧型器件 , 其功耗比 MOEMS 要大 , 且只能單向調(diào)諧 , 調(diào)諧范圍也不及前者 , 但由于它屬平面結(jié)構(gòu) , 制作工藝簡(jiǎn)單并與其他 Si 器件工藝可兼容 , 因此根據(jù)集成功能的需求完全可以實(shí)現(xiàn)Si 基單片集成