平面光波導技術及其器件發展趨勢分析

2020-11-28 OFweek光電新聞網

  平面光波導器件

  平面光波導器件是採用平面光波導技術製造而成的器件,分為無源器件、有源器件以及有源/無源混合集成器件。

  無源平面光波導器件,顧名思義,無需能(電)源的器件就是無源器件,僅作為光波信號的傳輸、分波/合波濾波等功能。主要有平面光波導分路器、陣列波導光柵(AWG)、光濾波器等。目前平面光波導分路器在國內外市場非常火爆,根據2016年4月5日市場及技術諮詢公司ElectroniCast報告,2015年全球平面光波導分路器市場總額達到6.96億美元,同比增長達到14%。中國目前已經成為平面光波導分路器市場的主導者,佔市場總額的35%以上。2012年之前,國內的光分路器器件全都是從韓國和日本進口,國內僅能做封裝,大部分利潤都被韓、日、歐美拿走。經過多年的潛心研究與開發,2015年之後,河南仕佳光子一躍成為全球最大的光分路器晶片供應商,月產6英寸晶圓可達3000片。目前國內圍繞平面光波導分路器專門從事封裝製造的企業不下100家。

  AWG是WDM(波分復用/解復用)系統的關鍵器件,其設計與製造較平面光波導器件難,目前國內還沒有規模化量產,還處於量產攻關階段。目前採用串聯的AWG濾波結構可獲得信道間隔達到10GHz(波長間隔0.08nm),信道數超過1000。商用的AWG通常為100GHz(波長間隔0.8nm)。

  有源平面光波導器件,是指需要能(電)源才能工作的光波導器件,可作為光波信號的生成、調控、放大與探測等。以Ⅲ-Ⅴ半導體化學物材料來製造。主要半導體雷射器(LD)、光探測器(PD)、光波導放大器(OSA)、可調光衰減器等,可單片,也可集成,Infinera是此類器件技術及產業的領導者。圖2為集成型的無源平面光波導器件,其製造工藝複雜,需要用到MOCVD(金屬氣相沉積法)。這類產品歐美日較發達,國內只能生產10G以下產品,高端產品全部依賴進口。

圖2:集成型有源平面光波導器件。

  無源/有源混合集成平面光波導器件。無源器件和有源器件的材料各異,其製造工藝不盡相同,近來出現了以SiO2或Si做好光波導迴路,然後將PD、LD以倒裝或貼裝的方式混合在一起,如圖3所示。

圖3:無源/有源混合集成平面光波導器件。

  矽光子集成

  用於光波導器件的材料種類非常多,二氧化矽和玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體(GaAs和InP)、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機聚合物、矽和鍺半導體,因此器件的種類也很多。光波導器件能否像集成電路產業一樣,只採用矽這一種材料呢?由於作為雷射器的介質要求是直接帶隙才能激射,而矽是間接帶隙。因此自光纖通信技術發展伊始,其器件的發展始終不能像集成電路的發展一樣,可實現大規模、超大規模的集成,而只能是幾個、幾十個、幾種功能的集成,能做到上百、上千的個數或功能的集成異常困難。

  矽基集成電路已經發展到近乎完美的程度,CMOS工藝已經堪稱完美。能否把光子器件與CMOS工藝相結合,使得光子器件材料統一,實現大規模集成?Intel和IBM早在本世紀初就開始重點發展矽晶片光學信號產生和處理技術,先後突破了矽基光子調製與探測技術。2007年7月,Intel研究人員實現了矽雷射調製器帶寬為40Gbps,2008年5月採用8路矽調製器實現了200Gbps。2015年5月,實現了在10~40Gbps的帶寬內具有穩定的增益,且增益帶寬積保證在300GHz以上的矽基光探測器。

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