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集成技术是未来光器件的主流发展方向

2015/2/3 10:02:19来源:本站原创 【字体:

导 读:集成技术是未来光器件的主流发展方向,近年来一直是业内关注和研究的焦点。当前,各种新的光集成技术层出不穷,各有所长,大有百花齐放的势头,但在未来的发展中,究竟何种技术会成为真正的热点、将独占鳌头主导光子集成领域?
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集成技术是未来光器件的主流发展方向,近年来一直是业内关注和研究的焦点。当前,各种新的光集成技术层出不穷,各有所长,大有百花齐放的势头,但在未来的发展中,究竟何种技术会成为真正的热点、将独占鳌头主导光子集成领域?国内光集成研究现状又究竟如何?国内光集成研究领域的著名专家——浙江大学信息学院微电子与光电子学研究所博士生导师王明华教授带我们对这个几乎神秘的高新技术领域窥视一二。

  我们日常了解的光集成技术无外乎PLC、大规模光子集成电路(代表公司Infinera)、硅光子集成、InP单片集成等技术,但这些对于大多数读者(尤其是业外人士)来说都是既笼统又模糊的名词。王明华教授根据所使用的材料将光集成技术进行了简单明了的归类,包括基于化合物半导体的光集成技术,基于铌酸锂(linbo3)电解质材料的光集成技术,基于SiO2绝缘体技术的PLC技术,硅基集成光学技术,基于聚合物材料的技术,以及基于光学玻璃的光集成技术,共计六大类,下面是王教授对这几类技术的简要说明:

  (一)基于化合物半导体的光集成技术,如GaAs、InP技术。这类技术适合制造高速调制器、光开关,速度很快,但造价较高。此外,化合半导体也是制造各种光器件的基本材料,随着薄膜生长技术的飞快发展,将光子器件与光波导器件及高速电子器件单片式集成在一起己成为可能;

  (二)基于铌酸锂材料的光集成技术,这类材料特别适合研制高速光调制器、光开关等,技术成熟,且市场份额较大;

  (三)基于SiO2绝缘体技术的PLC技术,包括采用石英衬底和硅来制作波分复用器、光分路器、热光器件等多种较大规模的集成化光波导器件。这种技术主要采用PECVD和干法刻蚀及髙温退火工艺,该种技术目前己相当成熟,国内也己开展这方面的基础研究及器件研发,例如武汉光迅公司就进口了PECVD设备,用来制作AWG和光分路器;

  (四)硅基集成光波导技术,也就是SOI材料,SOI材料是新型硅基集成电路材料的简称,又称绝缘硅。这种技术采用的结构与电子学的集成电路类似,只是在硅晶体层的厚度上有所区别。作为国家973计划硅基发光及光子器件研究的子课题,已经启动了基于SOI材料的微、纳集成光波导及器件的研究项目。

  国外在硅基光子集成方面的研究进展迅速,如去年IBM就宣布开发出10G 纳米光波导的MZ电光调制器,一直在硅光子领域颇有造诣的Intel也发布了30Gbps硅光调制器技术。国际上每年都召开专门的硅基集成光学学术会议进行专题研讨和交流。

  目前,我们国家在硅基光子集成领域的研究进度尚落后于发达国家,其主要困难在于缺乏先进的微细加工设备,无法制造出高质量的光波导,而并非缺乏新的研究思路。例如中科院半导体所,充分利用已有的设备条件在硅基集成光学研究方面就取得了很好的成绩;

  (五)基于聚合物材料的光集成技术。高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困难,所需要的设备复杂,一次性资金投入较大,产业化风险也较高。然而,聚合物材料所具备的某些优良特性能使Polymer光波导及集成光学器件具有工艺简单、折射率调整容易、透明性好以及偏振不灵敏等优点,因此,其在光集成及光子器件领域同样占有一席之地且有着很好的发展前景。目前在日本、美国、韩国等一些发达国家都在积极开展聚合物集成光器件的研究工作,并已取得许多重要进展,一些主要性能指标正逐渐达到无机AWG的水平,聚合物集成光功分器在日本甚至已经产业化。但是,因为聚合物器件起步较晚,目前尚没有完全达到系统化、商业化、实用化的程度。聚合物材料也同样适合做高速调制器、光开关,但是存在稳定性差,寿命低的缺点,而且髙水准、髙质量的聚合物材料还比较贵。国内在这方面研究不足,特别是对多种聚合物材料的研发与发达国家相比差距还比较大。

 (六)基于光学玻璃的光集成技术。这类材料集成光波导器件的优点是成本低,工艺简单,可靠性高,传输损耗小,且与光纤对接匹配度高。这种技术不仅可以用于制造光分路器,还可以应用到其他领域。王明华教授的课题组正在利用这种技术进行集成光功分器的产业化研发,并同时开展传感器及微光学器件的研发。

  “综合来说,这些技术每一个都有每一个的特点和优势,都有各自不同的应用市场,比方说基于玻璃和聚合物的光集成技术可制作低成本光器件,化合物半导体和铌酸锂材料可以制作高速调制器、光开关。”王明华教授表示,“而硅基的光子集成技术,我认为这是未来发展的方向。目前来看,光与电要有机结合起来必须依靠这种技术。我们目前所见到的微电子技术和光电子技术有所不同,比方说双方的器件结构和工艺不一样,微电子是硅基平面工艺,光电子器件,无论是发光器件还是光波导器件,是一种立体结构,因而工艺是立体工艺,目前使用的材料也不一样,发光和探测工作机理也不一样。只有用硅材料才能将各种光器件与集成光学器件乃至将微电子和光电子统一起来。不过这条路还很漫长,需要解决很多技术难关,但这并无妨碍它成为未来主导技术。”

  “不过不同的技术,不同的材料都有各自不同的应用,未来的世界仍将是百花齐放的。”王明华教授补充道。

  国内PLC研究尚处于起步阶段 产业化是瓶颈

  在谈到国内PLC研究现状时,王明华教授表示国内这方面的研究实质尚处于相对落后的状态,尽管囯内学者早已知晓PLC技术的重要性。目前国内正在制作的PLC器件主要是光分路器和AWG,但是,到目前为止,国内企业都是进口芯片进行封装,例如深圳富创、上海博创、武汉光迅等,其进口的芯片大都来自韩国和日本、美国等国。在研发方面,武汉光迅进展较好,进口了PEVCD等关键设备,成功制作了AWG和光功分器,其中AWG因为产值高,有利于成本回收,是光迅的主要目标。

  实际上,在光波导研究方面国内已有近30年的历史,中科院半导体所和信息产业部13所,长春光机、物理所、上海交大、清华大学、北京理工、西光所及上光所等都进行了大量卓有成效的研究。浙大也从1980年前后开始光波导与集成光学器件研究,先后承担了十余项国家自然科学基金项目,早期的有863项目及浙江省科技厅重大项目,近期正在执行国家自然科学基金的重点项目,开展化合物半导体材料髙速光开关研究。王明华教授的课题组近年来与南方通信集团合作研发的基于离子交换光波导的分路器已接近实用化。“目前关键技术已经突破,但是产业化技术还不过关。”王明华教授说。“目前国外在研究生产玻璃波导方面已经非常成熟了,法国的Teem以及以色列的Colorchip在这方面做得最好,并且已经推出了商用化产品。

  王教授还指出;“任何一种技术都有它的优缺点,更何况五花八门的集成光学技术。玻璃基集成光波导器件比较适合国内企业与学校合作进行联合研发。我们希望通过跟企业合作来为国内企业提供波导芯片。目前国内还没有厂商能做光分路器芯片,我们是很看好这种技术的。”


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