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纳米液晶光芯片
2006年6月15日 13:49  来源:光波通信  作者:Ben Standish
  集成技术的发展使网络中激光器和接收机受益匪浅。不久前,接收机和发送机线卡上还包含带有无数尾纤的光器件。这些器件包括光隔离器、波长锁定器、调制器等。但是现在,这些分立的器件都逐渐被集成到收发机或转发器内部。最近,根据XENPAK“DWDM可插拔收发机”多源协定(MSA),可调光衰减器(VOA)也被集成到模块内部。集成的趋势在一些300针封装的转发器中也得到体现。在DWDM系统中,传送距离超过80km的下一代XFP收发器的制造也正在沿着集成的趋势向前发展。

  在MEMS和平面光路中,甚至在更小的纳米液晶光芯片内,都已经实现了VOA的集成。这些几毫米大小的芯片是从带有纳米偏振器和沉积薄膜的层状玻璃晶圆中切割出来的。其中的有源部分是一个液晶层,它的厚度仅有头发的十分之一,所需的控制电压和电流都非常微弱。这类元件已经通过数十亿次的循环测试,即使是在恶劣的制造和工作环境下,都可以表现得很好。

  最近在纳米光学元件方面,晶圆级集成技术的进步扩展了光芯片的功能。同时,液晶制造方法的突破以及由此带来的性能提升推动了它在当前和未来新领域中的应用。

  动态调节器的基本原理是:改变加在元器件上的电场或磁场,从而改变元器件的特性。目前已经存在多种动态调节器,例如铌酸锂、硅、石榴石,以及MEMS。但是在特定应用领域,液晶的众多特性使之优于其它类型元器件。其中最重要的特性就是折射率的变化(Δn)。在现有液晶中,Δn甚至可以达到0.27。如果在晶圆衬底的内表面中加入氧化铟锡(ITO)层,并通过它在液晶向列单元上施加一定的电压,折射率就会发生改变。此时出现的特定的偏振旋转/阻滞、光器件之间有效通路的长度,以及折射率的变化都可以被用于产生所需要的物理效果。

  对特定材料而言,Δn为0.2甚至稍低就足以制造性能优越的光学处理芯片。对于VOA而言,它意味着衰减水平大于40dB;对于可调滤波器而言,它意味着调节范围可以覆盖整个C波段。而液晶在工作环境温度为-5°-+75°C、工作电压有效值小于5V的低电压条件下,就可以具备很宽的调节范围。液晶的另一大优点是它的分辨率非常高,确定性和可重复性很强。而且它对震动和冲击也不敏感。

  近些年来,很多已经量产的光器件和模块中都使用了液晶调节器。但是其中一些器件仍然存在许多悬而未决的问题。这主要是由于所使用的组装方法和专业技术是依据不太严格的液晶显示器规范所造成的。制造时的高温要求、较小的器件尺寸以及随之而来的精度要求、极限温度和湿度条件下器件寿命的可重复性等,都限制了液晶调节器的应用。然而,最近技术上的突破解决了这些问题。
 
  性能与需求

  虽然在液晶器件生产过程中已经考虑到很多众所周知的问题,诸如严格的机械误差和超净的制造环境,但是用于电信的光模块还必须满足额外的要求,而在液晶显示器制造过程中这些要求无法得到满足。其中一个棘手的问题就是子部件焊接和密封过程中高达200°C以上的温度。对于液晶而言,这是一个很特别的问题。因为当温度高于100°C  时,液晶将变为液态。

  因此,需要特殊的液晶芯片设计方案以保证当温度下降到典型工作温度时,液晶芯片的性能参数保持不变。最近的专利技术已经取得突破,可以在230°C下封装而不影响性能。这样,液晶光芯片就可以在任何蝶形封装生产线上生产。在测试温度为85°C、测试时间超过2,500小时情况下,液晶光芯片始终表现出稳定的光学特性。这就确保它能够通过严格的Telcordia高温储藏测试。

  尺寸是将光学元件集成到越来越小的封装之内的另一大障碍。通常,在激光源封装中要求光芯片的外围尺寸为2-3mm,并在光通路方向上预留1mm,以确保子部件布局和耦合效率。原有的其它液晶器件要求偏振器衬底到液晶单元前、后表面都必须实现晶圆级对齐和键合。这是因为对于严格的光学应用而言,晶圆级偏振衬底不能满足消光的要求。因此,这些器件比应有尺寸大一倍,而且每个器件都需要耗费大量人力进行处理,器件成本很高,性能也不稳定。

  其它技术,例如平面光路(PLC)波导等具有晶圆尺寸的优势,但同时也有高功耗、高插入损耗、衰减范围较小、长度过大等缺点。机械解决方案,例如MEMS,同样存在长度过大、对震动和冲击敏感、可重复性和耐用性较差等问题。然而,最近在纳米光器件和晶圆级纳米制造技术方面的突破带来了一种新型的光处理芯片。它将上述两种技术和最新的液晶调节器技术相结合,制造出一种电压控制VOA。这种VOA厚度仅为1mm,调节范围大于35dB,插入损耗小于0.6dB,功耗小于20mW(图1)。
  


  这种VOA可以进一步提高光收发器、转发器、可调谐激光器等器件的集成度。为了充分利用晶圆级制造的优势,纳米光学偏振器、抗反射涂层、导电ITO、以及其它晶圆处理技术都被应用到整个晶圆上,它们之间被对齐并熔合在一起。在切割之前晶圆级光学特性就已经形成了。因此在最终处理工序之前就可以判定器件性能的优劣,从而避免了昂贵的测试,也无需再逐个处理毫米尺寸器件中的问题(图2)。每个晶圆都可以制造出几百个透射型光学处理芯片,而且可以轻易达到特定领域所需的精确尺寸要求。
  
  
  
  纳米效应

  如果在平滑的衬底上,按照特定设计要求形成纳米尺度的结构,器件将显现出特殊的透射和反射特性。这些特殊的透射和反射特性就是纳米光学效应。材料的正确组合、纳米结构、以及不同的结构排列都可以导致不同的光学性能。

  为了形成所需的结构,首先必须使用全息法或者电子束刻蚀法制作一个模子。然后将这个模子印刷到一个柔性的保护层上,这时注入所需的结构,并形成类似玻璃的高硬度防护层。这种注入层可以经受诸如增加其它光学结构或涂层、彻底清洗等其它晶圆处理步骤,而纳米器件不会被损坏。迄今为止,这种技术已经能够用于偏振器、偏振分束器和合波器、波片、抗反射涂层、固定和可调谐滤波器、微透镜,以及光电检测器。虽然在某些情况下纳米光器件已经被用于低性能可见光领域,但是直到最近这种技术才达到电信级工业标准所规定的性能和质量要求,并用于C和L波段(1525—1625nm)商用产品的生产。

  简单的器件,例如偏振器、波片和固定波长滤波器中都无需加入有源层。而将经过纳米结构沉积的玻璃衬底晶圆和液晶叠加在一起,就可以极大的扩展器件性能。如果在经过特别设计的器件的液晶层上施加适当的电压,那么固定偏振器可以成为用于激光源的VOA,固定波长滤波器可以成为可调谐滤波器。

  在晶圆切割为光学处理芯片之前进行晶圆级集成,这种技术可以大大降低器件成本。晶圆级处理过程的经济性在半导体工业中是众所周知的。而且低成本的纳米结构光刻法可以和现有的简单液晶制造技术相结合。这种液晶制造技术生产出的低成本显示器已经进入了千家万户。即使是目前在面向电信应用的小规模生产中,这种结合所带来的经济性也是显而易见的。
    
  当前应用和未来前景

  纳米光学元件和液晶的晶圆级结合符合子部件制造标准,并有助于许多新的器件集成技术问世。目前,使用这种技术的商用产品有自由空间VOA。这是一种基于偏振的电控子部件,用于自由空间中校准光线的衰减。作为一种未经封装的光学子部件,它可以被安装在光源的密闭机壳内,并在可调谐激光器、光收发机和光转发器中用作遮光器和VOA。

  偏振无关的VOA芯片和1×2光开关现在使用的都是现有光学元件。目前在波长锁定器、动态增益均衡器、VOA复用器、波长选择开关,以及可重构OADM中都使用了液晶技术。随着液晶技术向多象素阵列方向发展,它们都将从液晶芯片中受益。

  集成技术未来的发展趋势是金属沉积热敏电阻和加热器的集成。它们可以提供反馈、保持温度恒定,同时减小瞬时热效应、降低成本(见照片)。与分立的温度感应器和热-电冷却器相比,这种器件具有更大的控制范围和更高的效率。
  


  近些年来,通过液晶改变光栅折射率,从而反射选定波长的电可调自由空间光栅滤波器已经得到了验证。如果在可调谐滤波器光芯片中集成晶圆级探测器,那么就可以实现光通道的监测。另一方面,经过电压调节的反射光束可以用于调节或稳定激光二极管在特定波长或温度下的工作状态。纳米光学元件结构的精确变化可以被建模,并制造出各种不同滤波特性的器件,以满足不同应用领域的需求。

  采用精确的光掩模技术的薄膜沉积技术将引领未来光芯片的新发展。通过精选各种材料,可以生产出坚固的金属或陶瓷垫片。它们和玻璃衬底相结合,可以组成液晶所需的密封容器壁。这样就使得液晶腔的厚度更容易控制,极大地提高了可重复性和抗老化能力,同时也无需再担心环氧树脂释放的有害气体。金属垫片的宽度将大大减小,而且在极限条件下成品率、质量和可靠性不受任何影响。这就使得未来的光芯片体积更小,而有效孔径更大。
 
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