用于光纤通信的集成光学器件概览

光纤通信用之集成光学器件   

目前，光纤通信中用得最多的集成光学器件主要有：光耦合器（Coupler、Splitter）、光调制器、光开关、可调谐光滤波器(OTF)等。   

光耦合器   

光耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件，一般是对同一波长的光功率进行分路和合路。用于光纤通信的耦合器分为：光纤熔锥型耦合器、微机电元件型(MEMS)耦合器和集成光波导型耦合器。这里介绍集成光波导型耦合器。   

采用平面光波导技术能做成不同结构与功能的集成光波导型耦合器，其主要工艺过程有：沉积、光刻、扩散。图1所示为最简单的Y形（1×2）分支耦合器的基本结构。




  集成光波导耦合器   

光调制器   

a）LiNbO3光波导调制器   

光纤通信系统的调制器主要是LiNbO3光波导调制器。LiNbO3光波导调制器是利用电光效应对光波的相位、强度或偏振态进行调制的器件。对高速系统而言，最常见的LiNbO3光调制器是Mach-Zehnder干涉仪（MZI）型行波电极强度光调制器，图2是其结构示意图。这种调制器采用了MZI的波导结构和行波电极结构，不仅可获得很高的工作速度，而且调制信号的频率啁啾非常小。

  

MZI行波电极LiNbO3电光调制器  

MZI光波导通常是采用Ti内扩散或质子交换工艺制作的。行波电极通常采用不对称条状线（ASL）和共平面波导（CPW）电极。   

b) 硅基光波导调制器   

硅基光波导调制器是借助硅晶体的电光效应对光信号进行调制的半导体电光调制器。然而，硅的电光效应十分微弱。增大电光效应的最佳办法是借助于载流子注入来实现折射率和/或光吸收率变化（⊿n和/或⊿α）。图3是一种硅绝缘体（SOI）电光调制器结构示意图，这是一种基于大截面单模凸条光波导的光强调制器，其工作原理建立在自由载流子等离子弥散和波导消失效应的基础上。凸条光波导由SOI上的硅光波导层构成。   

SOI光强调制器   

c) 聚合物光波导调制器   

聚合物光波导调制器通常是制作在玻璃或硅材料上，其光波导为MZI型。聚合物光波导是通过旋转涂复聚合物溶物、热固化、光刻和反应离子刻蚀等工艺制作的，底部和顶部电极是通过蒸发Cr/Au制作的。   

光开关   

光开关是光交换的核心器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光分插复用、光交叉连接和自愈保护等功能。高速光纤通信系统中，需要大量的1×N、N×N光开关。光开关的实现方法有：微机电光开关（MEMS）、热光开关、电光开关、液晶光开关等。下面介绍电光开关和热光开关。   

a) 电光开关   

电光开关利用波导材料的电光效应对波导折射率进行调制，通过改变光程达到开关的目的。适合制作光纤通信系统的光开关的典型材料有Si、GaAs、InP。   

电光开关可以分为三类：定向耦合器型、干涉型、Y分支型。   

定向耦合器型电光开关由一对靠得很近的条形光波导以及分布在条形光波导上的表面电极构成。通过注入电流改变波导臂的折射率，从而导致两个相邻波导之间的能量耦合来实现传输通道的切换。耦合器的耦合长度与相邻波导间的间距决定着波导间的能量耦合比。图4为定向耦合器型光开关的结构示意图。

定向耦合器型光开关   

干涉型电光开关分为MZI型和X交叉型，使用最多的是MZI型，它由一个2×2的MZI和两个3dB定向耦合器组成。输入定向耦合器把输入光一分为二并进入MZI的两个波导臂传输，在传输期间，通过电极两端的电压，改变波导臂的折射率，使两个波导臂的光束产生相位差。当具有不同相位的两束光汇集于输出定向耦合器时，两束光发生干涉，通过控制干涉的状态（相长或相消干涉），达到切换输出端口的目的。X交叉型开关也属于干涉型电光开关，它是通过交叉部的模式间的干涉实现光的开/关。图5为MZI型和X交叉型光开关的结构示意图。
  

干涉型光开关   

Y分支型电光开关由输入/输出单模光波导、线性Y分支型波导和Y分支上的电极构成。这种电光开关是通过Y分支的两个输出分支波导的折射率变化，实现数字式输出，故有时将这种光开关称之为数字光开关。   

b) 热光开关   

热光开关是基于热光效应的光开关，所谓热光效应是指光介质的光学性质随温度的变化而发生变化的物理效应。对半导体热光开关而言，典型的材料是Si和SiO2。热光开关的最大优点是可制作光开关矩阵，基于MZI的热光开关是制作光开关矩阵的首选结构。