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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 用光刻法集成光学元件
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri May  2 16:24:21 2003) , 转信

平面光刻术为制造光纤通信用的各种光学元件提供了一种能大幅度降低生产费用的先进
方法。与半导体工业技术相同，采用平面光刻集成法可在给定劳动量、资本和材料的条
件下增加组件的数量，也可通过增加元件的整体功能减少元件数量(见图1)。
    用光刻法制造光学元件所用材料与电子器件不同，但加工过程相同，生产半导体器
件40年来积累的经验仍然适用。尤为重要的是，光刻设备目前已得到广泛应用，这些设
备的操作人员和设计人员都具有一定的经验。
图1　从20世纪80年代初到2000年间，由于采用光刻加工方法每台个人计算机微处理器晶
体管的平均费用大约每年降低29％；而在同期，在相同产量下，35in软驱的价格平均
每年只降低18％。与其他方法相比，光刻技术大幅度降低了光纤通信中各种光学元件的
费用。
    通常情况下，光纤通信用的光学元件的功能基本是无源的，仅用作光信号的传导或
者作为无源控制元件。这些元件很容易用传统加工方法和传统的光学材料来制备，如滤
光片、透镜、零损耗耦合器、分束器和分支抽头等。然而由于密集波分复用进入光学网
络，许多专业的加工工艺和材料也开始应用于制作光通信用的光学元件。
    硅上二氧化硅(SOS)工艺是加工光学元件的平面技术之一。通过采用光刻沉积技术的
SOS工艺可制作许多器件，如矩阵波导器件等。采用光刻方法还可大幅度增加光学网络的
容量，但由于目前这些器件仍用传统的材料制取，所以其功能仍限于被动（而不是主动
的）地控制光信号。
1　增加网络透明度
　　端到端、较高速、大容量的网络通信开发目前面临的最大挑战是解决网络中的光－
电－光(OEO)信号的转换及增加网络协议条款的限制。这些转换对进出网络的高速光信号
的修正和重新导向非常必要。因为信号靠近网络的起点或者终点，这种转换在城域网或
局域网尤其不可忽视。每个OEO信号转换都包括信号的接收、解码、处理、转向和再发射
。即使以光速进行最快的电子传输的过程也会耗费大量时间，所以端到端传输时间会显
著增加、网络容量也会大幅度减少。OEO信号转换过程就像旅途中在繁忙的机场转机一样
，信号传递时间主要花费在交通枢纽处。
    全光或透明网络区域无OEO信号转换，而且不受网络协议条款的限制。增加网络透明
度会使安装好的通信设备获得较快传递速度和较大数据承载能力。组件供应商面对不断
攀升的费用和不断增加的更快、更灵活服务的要求必须找到减少通信费用的方法，即增
加网络的透明度。
    科技人员正努力建造利润丰厚的透明网络，并通过城域网增加网络容量来满足用户
。这部分工作现在面临2个障碍：（1）光学元件应能完成以前电子器件能完成的各种控
制功能，尤其是放大、衰减和转换功能；（2）制造光学元件的费用应相当低，产量应足
够大，使这些元件可用于更高密度网络的城域和局域网络中。光刻法可满足上述2个要求
，因此可能是网络设备供应商用来降低设备成本的惟一选择。
    平面光刻集成不但能减少加工费用，而且可以减少劳动力、封装和测试费用，亦可
进行更高层次的集成，以便进一步降低费用。光刻技术的创新能减少光互连的数量，同
时减少插损，并提高器件的性能。
2　光学元件与电子元件的比较
　　光刻技术能快速复制各种样品，实现由芯片复制芯片、由晶片复制晶片、由衬底复
制衬底等功能。制作光学元件和制作电子元件实际上使用同样的设备（如曝光设备、掩
模和光刻胶）以及同样的加工步骤，其加工方法是把掩模图样转换到光刻胶上，然后再
刻制到元件上，但是它们之间也存在着差别。
    光刻生产的电子线路和光子线路在电路设计上主要有2种差别：（1）虽然电子线路
和光子线路中的弯头和互连节点对功率和最大数据率均有影响，但电子路径的改变主要
影响数据率，而光子路径主要影响光功率通量。路径严重弯曲处的情况就是一个最佳例
证。
    虽然使电路中电功率损耗最少的急转弯曲的设计很容易实现，但是在光路中这样的
弯曲会使光功率全部损耗。反之，弯头能使电子线路弯曲的最大数据率显著地降低，而
在光子线路中数据率几乎不受弯曲影响。
    线路设计考虑的第二个因素是线路中的电子相互作用，而光子基本上没有这种现象
。在同一个平面内的光子能相互交叉，甚至可在同一导管内存在而不发生相互作用，因
此在光子线路中很多功能可在单一功效的平面内完成。对线路设计中这两种主要差别的
研究得出的结论是，电子集成线路倾向于设计成可让电信号交叠的、具有多层结构的正
方形器件(把许多功能器件封装在单块芯片中)；而集成光学芯片能设计成使光信息沿单
一方向流动的光学路径弯曲最少的单层长形器件。
    光刻制造光学元件和电子元件的第二个差别是使用的材料不同。电子元件的优越性
在于Si的使用，在Si中掺杂其他材料，可制作出各种不同功能的电子元件。而光学元件
不存在类似于Si的材料。在光路中各种不同功能的元件，如路由器、放大器或衰减器均
由完全不同的材料制作。结合线路设计，科技人员提出一种用于光刻制造集成多种功能
元件的“串行集成”方法。1块由某种材料制作的，用于执行某一预定功能的光学芯片必
须和其随后的，用另外一种材料制作的光学芯片耦合，用于执行随后的操作。耦合的结
果是产生一种功能更多的组件，类似于用带有一套掺杂材料的单块硅芯片制作的电子线
路板。能用光刻方法加工的光学材料有LiNbO3(通常为高速光电调制器用材料)、GaAs、
InP(激光器、放大器和调制器用材料)和SiO2(分束器、路由器、滤波器，如果掺杂其他
材料还能用作放大器)。聚合物波导系统是一种新材料，可用于实现开关、衰减、调制或
路由等一些性能要求高而成本低的功能。
    用光刻法生产光学元件和电子元件的第三个主要差别是元件的封装。虽然电子元件
和光学元件封装的许多操作相似(环境防护、热传导、电磁屏蔽)，但是光混合线路板与
电子的单块硅芯片之间存在着显著差异。集成光学制造不仅包括光刻，而且还应包括连
接和校准。因此光学元件的封装除具有相似操作外，还应确保各掺杂材料之间不发生不
利的相互作用，因而必须调节不同的热膨胀率，以保证光学元件的精密校准。
    传统整体光学零件的校准包括定位安装相继排列的具有5个自由度的光学零件；在X
、Y和Z空间以最小的步距和转角精细调整光学零件的中心位置(定中心)和方位角度(定方
向)。而光刻制造的光学元件，即光学芯片是光路中的阵列器件，它的第六自由度—翻滚
增加了校准难度。因此，对集成光学元件的连接和校准要求不仅比电子元件复杂，而且
比传统光学零件校准的精度要高。
3　降低成本
    有两种主要方法能降低平面光刻生产光学元件的成本。这两种方法均涉及把多个元
件组合成为单个元件的集成过程。第一种是功能集合的串行集成，第二种是阵列或者并
行比例阵列。
    串行集成是把多种光学功能的元件集成为单个器件的一种技术。光学元件80％的成
本源于光互连和封装费用。把多种功能元件集成一个光学元件可节省封装费用，并缩小
集成器件的尺寸，从而缩小由它们构成的装置的尺寸。
    串行集成还能提高网络的性能。大多数光学网络系统均受到光功率的限制，用传统
光学零件构成的网络系统内，每个零件都能导致功率损耗。但串行集成可减少网络光学
通道中各种器件的数量，所以能降低光损耗，减少为补偿能量损耗而增加的放大器数量
。
    第二种减少平面光刻生产成本的主要方法是使用阵列或并行比例阵列。利用这种结
构，可同时加工出同一元件的多个复制品。因为使用串行集成，每个复制品还能节省附
加的光学封装相关费用。虽然串行集成的一些优越性（节省费用）可以通过对一系列的
块式光学元件使用普通包装方法来体现，但是并行比例阵列的优越性只能通过光刻法实
现。
    光学集成的全部效益源于使用串行集成和并行集成(见图2)。利用光刻技术能将多个
光学元件和多种功能集成到平面型器件中，使光纤元件加工方法发生根本性改变，彻底
摆脱低生产率及乏味的手工制造方法。
4　实　　施
    把串行集成和并行集成两种方法的优点结合起来的元件实例是由Gemfire公司开发的
多端口泵浦源。该元件在设计上充分利用了光刻技术的全部优点。它是一个高度集成化
的元件，可从紧凑的具有集成激光稳频和前端功率传感功能的光学模块中发出8束可独立
控制的光束。
    常规的半导体激光器生产过程是首先制造出激光器阵列，随后对激光器阵列进行切
割、电气和光学连接、单个封装，最终制造出独立泵浦的激光器。而集成泵浦源器件使
用激光器阵列，不必对它进行切割，而是将激光器阵列进行电气连接并耦合到一个光学
芯片上。该光学芯片可实现激光稳定、激光器与输出光纤之间的模式匹配和输出功率的
传感测量。多端口器件是封装在密闭的封装壳内的，每8个激光器封装为1个组件，减少
了7个热电致冷器，从而降低了电子组件和光学组件的费用。

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