【文章內(nèi)容簡介】 以上，近兩年在眾多企業(yè)開始在研發(fā)上投入 更多的資源。國內(nèi)光模塊市場進(jìn)入一個(gè)自主創(chuàng)新的新階段。要實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新， 最大的挑戰(zhàn)就在于高端芯片的生產(chǎn)和制作，國內(nèi)在這方面的研究起步比較晚， 眾多核心技術(shù)集中在國外少數(shù)企業(yè)，國內(nèi)企業(yè)也逐漸開始完善 10G 產(chǎn)品線，并 對(duì) 40G 與 100G 光通信產(chǎn)品做出相應(yīng)的規(guī)劃。 2022 年在武漢舉行的國際通信展上，多家主設(shè)備供應(yīng)商同時(shí)轉(zhuǎn)向 100G 的 部署和應(yīng)用， 2022 年也成為 100G 正式在我國大規(guī)模商用的元年。 光通信部署和及檢測解決方案供應(yīng)商也推出自己的測試產(chǎn)品，只需要一臺(tái) 現(xiàn)場設(shè)備即可完成完整的測試過程。 可見中國的光通信發(fā)展前景非常光明，有廣泛的市場，但也存在 很多問題， 比如光模塊市場方面， G 以下低端的模塊市場門檻逐漸降低，更多的廠家 介入，競爭激烈，利潤較低，基本處于客戶定價(jià)狀態(tài)， 10 G 以上高端的光模塊， 其芯片技術(shù)主要集中在國外幾個(gè)核心企業(yè)中，成本受限于材料和技術(shù)的進(jìn)口。 在這樣的環(huán)境下，進(jìn)行高速光通信芯片的研究，無論是器件材料，制備工藝或 者器件測試表征方面，都有著重要的意義，長遠(yuǎn)來看對(duì)寬帶中國戰(zhàn)略的實(shí)施與 開展有著輔助促進(jìn)的作用。 光開關(guān)的市場需求 從技術(shù)層面來講，光通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的提高主要有兩個(gè)方向：一是單通信通 道上高的傳輸速率，二是增加單通信通道上傳播的波長數(shù)目。 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 ，一般包括信號(hào)源、光發(fā)送機(jī)、光學(xué)信道 和光接收機(jī)。其中信號(hào)源可以是話音、圖像、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過信源編碼所得到 的信號(hào)；光發(fā)送機(jī)主要包括了光開關(guān)和光調(diào)制器，他們負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光 信號(hào)在光學(xué)信道上傳輸。光學(xué)信道包括最基本的光纖鏈路，還有摻鉺光纖放大 器 (Er Doped Fiber Amplifier， EDFA)等。先后用過的光通信窗口有 850 nm、 1310 nm 和 1550 nm；光接收機(jī)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成 電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)可得到 3 發(fā)送端發(fā)送的語音、圖像和數(shù)據(jù)等信息。 圖 光纖通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖 該簡圖中光學(xué)信道部分已經(jīng)非常成熟，光接收機(jī)部分技術(shù)穩(wěn)定，但是信號(hào) 源方面隨著通訊市場需求的不斷創(chuàng)新，單位時(shí)間傳輸數(shù)據(jù)量急劇增大，需要發(fā) 送的信號(hào)速度也不斷提高，進(jìn)而對(duì)光發(fā)射機(jī)的性能提出了更高的要求，于是高 速光開關(guān)和調(diào)制器的研究在世界各國廣泛開展 [26] 。 從器件結(jié)構(gòu)上看，光開關(guān)的研究經(jīng)歷了體調(diào)制器到波導(dǎo)調(diào)制器的轉(zhuǎn)變。從 工作機(jī)理上看，有熱光開關(guān)，磁光開關(guān)，聲光開關(guān)，電光開關(guān)以及全光開關(guān)， 其中電光開關(guān)主要應(yīng)用在高速信號(hào)的調(diào)制方面。從材料體系上看，目前比較成 熟的技術(shù)是基于無機(jī)晶體材料的調(diào)制器，以鈮酸鋰， GaAs 居多，國外有多家公 司有商用產(chǎn)品供應(yīng)，技術(shù)相對(duì)成熟。 在輸出功率一定的情況下，信號(hào)源發(fā)生信號(hào)的幅度會(huì)隨著信號(hào)頻率的升高 而逐漸減小，當(dāng)信號(hào)頻率到達(dá)微波頻段，信號(hào)幅度已經(jīng)不是信號(hào)的重要參數(shù)， 通常用輸出功率的大小來衡量微波信號(hào)的強(qiáng)弱。 器件驅(qū)動(dòng)電壓的降低將有利于從信號(hào)源方面直接降低成本，對(duì)整個(gè)通信系 統(tǒng)的架設(shè)成本折算有著積極意義。人們發(fā)現(xiàn)極化聚合物材料具有較高的電光效 應(yīng)，并且聚合 物材料本身非常適合制備波導(dǎo)型集成光學(xué)器件，相比較無機(jī)晶體 材料的器件，采用聚合物材料具有成本低，加工工藝簡單，并且聚合物材料本 身介電常數(shù)低，容易實(shí)現(xiàn)微波和光波的相速度匹配，綜合上面這些優(yōu)點(diǎn)，聚合 物材料比較適合制作波導(dǎo)型電光器件。 和無機(jī)材料相比，聚合物材料的熱光系數(shù)要高一個(gè)量級(jí)以上并且聚合物材 料本身具有熱傳導(dǎo)速度慢的特點(diǎn)，這樣的特點(diǎn)又使得聚合物材料適合完成熱光 開關(guān)，采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)又可以降低驅(qū)動(dòng)功耗。所以，聚合物材料本身適合做電 光開關(guān)，也適合做熱光開關(guān)，并可進(jìn)行混合集成來發(fā)揮兩種效應(yīng)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)器 4 件的性能優(yōu)化。 高速電光器件的測試問題近年來也受到廣泛關(guān)注，因?yàn)橥ㄐ判盘?hào)分析一般 是電學(xué)平臺(tái)，對(duì)于光通信器件的測試表征中間會(huì)涉及到通過探測器進(jìn)行光電， 電光的轉(zhuǎn)換問題，這使得器件性能的表征包含了很多的環(huán)節(jié)。國內(nèi)外專家對(duì)高 速電光器件的小信號(hào) [7,8] 和大信號(hào)測試 [9,10] 表征方面做了很多工作。 有源集成光學(xué)器件測試過程相對(duì)較為復(fù)雜，需要考慮到光源和探測器的特 性，還涉及到探測信號(hào)的鎖定與放大，完成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化測試需要激光器，信號(hào) 源，示波器，直流源，探測器，鎖相放大器，光功率計(jì)等設(shè)備協(xié)調(diào)工作，很容 易因?yàn)槟硞€(gè)環(huán)節(jié)的問題導(dǎo)致測試不準(zhǔn)確甚至不能完成測試 [11] 。在這種情況下， 實(shí)現(xiàn)一個(gè)集中控制平臺(tái)協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備完成測試有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn) 本論文在表征了聚合物材料的光學(xué)參數(shù)的條件下，以光波導(dǎo)模式理論為基 礎(chǔ)，分析了聚合物材料光開關(guān)原理。依據(jù)聚合物材料本身熱光系數(shù)大的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了熱光電光混合光開關(guān)。采用光刻，蒸發(fā)，刻蝕等半導(dǎo)體工藝完成了器件 的制備。設(shè)計(jì)并制作了非線性聚合物材料極化系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)完成了光開關(guān) 的極化。采用設(shè)計(jì)的聚合物材料光開關(guān)綜合測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了器件的熱光譜掃描， 開關(guān)時(shí)間測試，波長相關(guān)測試等綜合測試過程。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1. 設(shè)計(jì)了熱光偏置型聚合物電光開關(guān)，更容易穩(wěn)定器件的工作點(diǎn)； 2. 設(shè)計(jì)并完成了硅基聚合物光開關(guān)制作過程中必備的工藝設(shè)備，非線性聚 合物材料程控極化系統(tǒng)（ PMII）與合金設(shè)備（ AMI）； 3. 對(duì)器件完成了初步的封裝工作，提出了較為簡單的封裝測試方法； 4. 設(shè)計(jì)了集成光學(xué)器件光學(xué)測 試系統(tǒng)，可以集中控制各測試設(shè)備完成各種 有源集成光學(xué)器件的測試過程，該系統(tǒng)綜合了圖像識(shí)別，儀器控制，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 等多方面功能，實(shí)現(xiàn)了高效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)管理。 5 第 2章 光開關(guān)原理 光開關(guān)里面涉及到的光是指激光。激光具有單色性，方向性和相干性的特 點(diǎn)，是二十世紀(jì)的四大科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。 1960 年激光器的發(fā)明使信號(hào)的傳輸和處 理手段從電流和無線電波擴(kuò)展到光波，采用光信號(hào)作為載波可以將信息傳送的 更遠(yuǎn)，遠(yuǎn)距離的光通信成為可能。但是，恒定的光信號(hào)并不能承載信息，需要 對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，從調(diào)制機(jī)理上來講，有內(nèi)調(diào)制和外調(diào)制的分別。內(nèi)調(diào)制是 指對(duì)激光器進(jìn)行直接調(diào)制，通常是通過調(diào)節(jié)注入電流調(diào)節(jié)發(fā)出激光的強(qiáng)度，但 是直接調(diào)制會(huì)引起激光器的頻率啁啾，對(duì)通信信號(hào)質(zhì)量有嚴(yán)重的影響，所以高 速通信一般采用外調(diào)制。在光傳輸?shù)逆溌飞贤ㄟ^各種效應(yīng)改變傳輸光信號(hào)的強(qiáng) 度。光開關(guān)就是在光通信鏈路上實(shí)現(xiàn)光信號(hào)通斷或者偏轉(zhuǎn)的一種器件。 激光器、棱鏡、透鏡、反射鏡、光調(diào)制器、光探測器相互協(xié)作，可以完成 光信號(hào)處理與通信。早期的光通信設(shè)備體積龐大，在實(shí)驗(yàn)室條件下工作具有可 行性，但是并不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 ，所以在 20 世紀(jì)六十年代后期，“集成光學(xué)” 的概念開始廣泛提及。關(guān)于集成光學(xué)的早期歷史綜述可以從 Tamir [12] 和 Miller [13] 編著的書籍中了解。 光開關(guān)分類 光開關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟，各種產(chǎn)品被應(yīng)用于光線路保護(hù)（ Optical Line Protection, OLP），光線路監(jiān)控（ Optical Line Monitor, OLM），可重構(gòu)型光 分叉復(fù)用設(shè)備（ Reconfigurable Optical adddrop Multiplexer, ROADM），網(wǎng) 絡(luò)交叉連接 （ Optical Cross Connect, OXC）等系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，其中 OXC 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間數(shù)據(jù)交換， ROADM 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與用戶之間的數(shù)據(jù)交換。采用不同的分類 標(biāo)準(zhǔn)可以將光開關(guān)劃分為不同的類型。圖 顯示了主要的光開關(guān)類型。按照 器件的結(jié)構(gòu)和尺寸大小可以分為體材料光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)。 體材料光開關(guān)可以承受較高的功率，但是體積一般較大，需要較多的材料 并且會(huì)消耗較高的驅(qū)動(dòng)功耗。 機(jī)械式光開關(guān)開關(guān)速度慢（毫秒量級(jí)），體積一般較大，但是工作穩(wěn)定可靠， 6 插損和串?dāng)_小，主要應(yīng)用在 OLP， ROADM 和測試等環(huán)節(jié)。 隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，微電子機(jī)械系統(tǒng) (Microelectromechanical systems,MEMS)逐漸應(yīng)用在光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)上。 MEMS 光開關(guān)具有交換容量大，插 入損耗較低，并且可以長期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，主要用在大容量骨干網(wǎng)的 OXC 實(shí) 現(xiàn)上。 圖 光開關(guān)的典型分類方法 通信系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制主要是依賴波導(dǎo)型光開關(guān)實(shí)現(xiàn)，波導(dǎo)型光開關(guān)具有體 積小，功耗低，因此容易實(shí)現(xiàn)相關(guān)模塊的小型化，適合構(gòu)造大型通信系統(tǒng)。波 導(dǎo)型光開關(guān)按照工作機(jī)理又可以劃分為聲光開關(guān)，熱光開關(guān)，磁光開關(guān)，電光 開關(guān)等。 聲光開關(guān)響應(yīng)速度快（納秒到微妙量級(jí)），但是因?yàn)椴鍝p較大，超聲換能器 的功耗較大等原因，主要用在波長選擇開關(guān)上。 熱光開關(guān)開關(guān)速度較慢處于毫秒量級(jí)，但是功耗相對(duì)較低，體積小巧，集 成度高，主要應(yīng)用在小型光開關(guān)光上下路復(fù)用器（ Optical adddrop Multiplexer， OADM）中。近年來有研究報(bào)道表明，采用聚合物材料的平面波導(dǎo) 7 開關(guān)也可以在較低的功耗下實(shí)現(xiàn)較快的開關(guān)速度 [14] 。 磁光開關(guān)和機(jī)械開 關(guān)相比切換速度較快，應(yīng)用范圍和純機(jī)械開關(guān)是一樣的， 但是成本較機(jī)械開關(guān)相比較高。 介電材料在電場的作用下，折射率改變的響應(yīng)速度相對(duì)較快，這是電光效 應(yīng)本身的特點(diǎn)。另外因?yàn)楦哳l下電信號(hào)的傳輸和控制技術(shù)相對(duì)成熟，所以容易 實(shí)現(xiàn)更快速度的光開關(guān)，電光開關(guān)常應(yīng)用于高速光通信中信號(hào)編碼上。 液晶開關(guān)在較低的功耗下可以實(shí)現(xiàn)較快的切換速度 (微妙到毫秒量級(jí) )，工 作穩(wěn)定，且偏振無關(guān)，但是當(dāng)端口較多的情況下，插損較大，而且液晶本身的 特性決定了這種光開關(guān)溫度敏感，主要用在 ROADM 中。 實(shí)際上上面這些種類的波導(dǎo)光開關(guān)都是屬于電控光開關(guān)，無論其實(shí)現(xiàn)折射 率變化的物理機(jī)理是什么類型，最終都是通過電信號(hào)來控制產(chǎn)生需要的物理場。 由于 EDFA 的發(fā)展和密集波分復(fù)用 （ Dense Wavelength Division Multiplexing， DWDM）技術(shù)的成熟，光通信系 統(tǒng)中傳輸部分基本上實(shí)現(xiàn)全光化，那么實(shí)現(xiàn)全光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵就是光交換。 所以全光開關(guān)在科學(xué)研究中有著重要的地位，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)光計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵器 件。全光開關(guān)依賴材料的三階非線性效應(yīng)，開關(guān)速度快（納秒以下），但是實(shí)現(xiàn) 開關(guān)的光功率 要求比較高，較難實(shí)現(xiàn)以較低的光功率控制光信號(hào)，所以降低全 光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)功率也是全光開關(guān)的一項(xiàng)重要任務(wù)。 光波導(dǎo)模式理論基礎(chǔ) 光波導(dǎo)定義為能夠傳輸光頻電磁波的物理結(jié)構(gòu)，可以用在集成光路中或者 在本地和遠(yuǎn)距離的光通信系統(tǒng)中作為信號(hào)傳輸?shù)拿浇椤? 光波導(dǎo)可以按照其幾何形狀被劃分為平板波導(dǎo)、條形波導(dǎo)或者光纖型波導(dǎo)， 按照支持的模式可劃分為單模波導(dǎo)和多模波導(dǎo)，按照折射率分布可劃分為階躍 折射率波導(dǎo)或者漸變折射率波導(dǎo)，也可以按照材料不同劃分為玻璃、半導(dǎo)體、 聚合物波導(dǎo)等不同的類型。 介質(zhì)波導(dǎo)型光開關(guān)主要通 過器件中的波導(dǎo)對(duì)光進(jìn)行傳輸，通過波導(dǎo)材料在 不同的外界條件作用下自身性質(zhì)的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)光傳輸?shù)目刂?。材料主要的? 學(xué)性質(zhì)就是折射率，該性質(zhì)隨著波長的不同會(huì)有所變化。 8 光通信中用到的基本波長有三種： 850nm（短波長波段）：第一代光纖通信系統(tǒng)，光源用發(fā)光二極管 LED，多 模光纖傳輸，損耗小于 3 dB/km； 1310nm（長波長波段）：第二代光纖通信系統(tǒng)，光源用激光二極管 LD，單 模光纖傳輸，損耗小于 dB/km； 1550nm（長波長波段）：第三代光纖通信系統(tǒng)，光源用激光二極 管 LD 或分 布反饋激光器 DFB，單模光纖傳輸，損耗小于 dB/km。 本論文中凡涉及到材料的折射率若沒有特殊說明，均為 1550 nm 波長下的 測試結(jié)果。 不同的光學(xué)材料在同一波長下的折射率不同，高折射率材料被低折射率材 料包覆之后可以形成滿足光傳輸條件的光學(xué)通道 — 波導(dǎo)。波導(dǎo)可以將光限制在 一定范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，這個(gè)基本原理和光纖的傳輸光原理是一樣的。 光波導(dǎo)的作用類似集成電路里面的金屬線，金屬線傳輸電流，波導(dǎo)傳輸光， 但是與金屬線不同的是，光波傳輸?shù)倪^程是以確切的光學(xué)模式在波導(dǎo)中傳播。 模式定義為光能量在一維或者多維空間上的穩(wěn)定分布，這種能量分布在時(shí)間域 上是保持恒定的 [15] 。 如圖 所示，設(shè)定坐標(biāo)系 OXYZ， X 方向垂直于波導(dǎo)界面，介電常數(shù)是 坐標(biāo) x 的函數(shù)，可以表示為 。這種三層平板波導(dǎo)屬于二維波導(dǎo)，在一 個(gè)維度上對(duì)光能量進(jìn)行限制，結(jié)構(gòu)簡單，是分析矩形截面結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的基礎(chǔ)。很 多作者論述了這種結(jié)構(gòu)，包括 McWhorter [16] 、 Mckenna [17] 、 Tien [18] 、 Marcuse [19] 、 Taylor and Yariv [20] 和 Kogelnik [21] 。 圖 三層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 9 從數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行定義，模式是一個(gè)電磁場。在本節(jié)的關(guān)于模式理論的討 論中我們做如下假設(shè)：