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高密度列阵光纤—光波导耦合技术的最新进展
踩踩 0作者：guru 发表日期：2007-12-18 复制链接 收藏
前言
早在六十年代初就有人提出了光路集成的概念，直到六十年代末，才正式提出集成光学的设想，从此掀起了集成光学研究的新 热潮。集成光学这一新学科的诞生引起全世界物理学、化学和材料科学等领域科学家的极大关注。人们预计，集成光学会将象集成电子学一样，将引起信息技术发展的深刻变革。由于集成电子学的示范效应，使得各国科学家纷纷选择最有潜力的发展方向，不断的发展和完善各种集成光学器件。时止今日，它已经历了近三十年的发展历史，建立了自己的理论体系、实验方法和工艺手段，并取得了大量辉煌的研究成果，为世人所瞩目。集成光学已成为一门光学和薄膜电子学交叉的新学科，越来越受到人们的重 视。目前，集成光学元件已在通信、军事、电力、天文、传感等应用领域中发挥着重要作用。集成光学元件的最大优点之一是它能将常规的具有各种功能的分立光学元件集成到同一光学衬底表面，并且具有多个分立光学元件所构成的庞大光学系统处理光信号的同样功能。与分立光学元件相比较，集成光学元件具有体积小、结构紧凑坚固、抗干扰能力强、稳定可靠、寿命长等优点。尤其是在军事部门的应用，更具有常规光学系统无法比拟的优越性。
集成光波导器件的发展趋势
光波导（简称波导）是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束缚在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。光波导器件与常规的分立光学元件相比，它们之间的根本差别在于波导中传播光波的模式是分立的。在集成光波导器件的研究方面，人们已经研制了众多不同功能的光波导元器件，其中很多光波导器件的性能远远优于分立元件的性能。经过了三十多年的发展，集成光波导器件的研究已从最初的单元件、单功能光波导器件，向多功能、多元件单片集成的方向发展。近几年，随着光纤通信需求量的高速发展，推动了集成光波导器件的研究向高性能、高密度集成光波器件的方向发展。目前，光通信应用最多的光波导器件主要包括有： N×N 光波导星型耦合器、列阵光波导光开关和列阵波导光栅（ Array Waveguide Grating 简称 AWG ）等等。
LiNbO 3 晶体是一种比较成熟的材料，它有极好的压电、电光和波导性质。除了不能做光源和探测器外，适合制作光的各种控制、耦合和传输元件。 LiNbO 3 光波导的制作，可以采用外扩散、内扩散、质子交换和离子注入等方法来实现。通常采用 Ti 的内扩散工艺制备光波导，它具有传播损耗较低，一般为 0.2 ～ 0.5dB ／ cm ；模式尺寸与单模光纤能很好匹配，光纤一波导的耦合损耗一般是 ldB 左右，最低已达 0.15dB ；调制器和开关的驱动电压一般为 10V 左右，最低已达 0.35V ；一般的调制器带宽为几个 GHz ，采用行波电极的 LiNbO 3 光波导调制器，带宽已达 40GHz 。 Ti 扩散 LiNbO 3 光波导器的研究有 1 × 64 、 64 × 64 、 1 × 128 通道器件， 并已着手研制 256×256 巨型开关网络，用集成光学技术还可制造出更大的无源开关系统（如 1024 ×1024 ）。
AWG 器件是最近几年发展最快的集成光波导器件，随着波导制备工艺的不断完善， AWG 光波导的通道数已由最初的 16 通道已发展到 265 个通道，现在人们正在研究集成密度更高的 AWG 器件。在 AWG 器件的研究和产业化方面，日本的一些大公司间的竞争非常激烈。 NEC 的 AWG 模块已形成产品，并开始向国内外出售。 40 个通道的 AWG 的样品是目前 AWG 的主流产品。目前 NEC 的产量规模为月产约 200 个，一年以后预计月产 1000 个。去年 DWDM 通信系统的通道数主要是 32/64 个通道，预计今年下半年开始可能增至 160 个通道； NTT 研制成功了 AWG 器件，并利用两种类型的 AWG 的串联连接法首次实现 1000 个通道。这种方法就是将具有宽的分波带宽的前级 AWG 和 10 个窄通道间隔的后级 AWG 串联连接起来。前级 AWG 的信道带宽为 1THZ ，有 10 路，后级的各 AWG 的信道带宽为 10GHZ ，有 160 路。为了使后级的各 AWG 的中心波长与同其连接的前级 AWG 的信道中心波长一致，而将由前级 AWG 分成 10 波的光再由后级 AWG 以 10GHZ 的带宽进行分波。其结果通过使用后级 AWG 所具有的 160 路中的 100 路，以 10GHZ 信道间隔实现了 1000 个通道。
在光纤通信中应用的集成光波导器件都是通过光纤进行输入、输出耦合连接。因此，随着高密度光波导器件的发展，人们也在不断的完善光纤列阵同光波导列阵的耦合和粘接技术，提高耦合效率、降低插入损耗。 为保证如此高密度集成光波中的每一条波导都有很好的均匀性，不但需要波导制备中的每一个工艺都有很完善和很好的重复性，还需要提高光纤同波导间的耦合的精确度。因此，对高密度列阵光纤同光波导间耦合机械系统的研究，如同光波导制备其它工艺一样非常重要。
列阵光纤—波导耦合问题
光纤同光波导间的耦合随着光波导器件的发展而不断的改进。最初的光纤波导耦合是单通道波导同单根光纤的耦合，光波导同光纤的耦 合比较容易实现。随着集成光学的不断发展，光波导器件已向高密度波导列阵的方向发展，目前，集成光波导的通道数已达到几百路，并向上千路通道方向发展。
目前，光波导器件的主要制备是采用平面制备工艺完成，光波导列阵通常位于衬底的上表面。对于高密度光波导列阵而言，波导的输入和输出端面在衬底的边沿，其波导的中心很好的排列在一条直线上。对于高密度的光波导列阵同光纤的耦合无法采用单根光纤同波导对接的方法来实现对接。人们研究发明了硅基材料制备 V-型槽的方法，用V-型槽定位光纤的方法（如图3所示），实现光纤列阵同波导的对接。由于单晶硅在{1 0 0}晶面具有很好的定向腐 蚀特性，可以通过化学腐蚀方法制备槽宽和槽深度一致的列阵V-型槽。光纤被装入V-型槽中，严格的定位在V-型槽中，光纤的中心列在一条直线上，确保同波导列阵很好的匹配对接。
由于列阵光波导的制备工艺复杂，制备成本非常昂贵。因此，在进行列阵光纤同光波导耦合粘接之前，需要对定位好的光纤列阵进行严 格的质量检测，它同样是制备高密度集成光波导器件的关键。光纤芯距测量系统（ CORE-PITCH PRO. ）是用于检测列阵光纤和光波导端 面的专用设备。对于光纤列阵的测试是通过白光源输入到光纤距阵， NFP （近场图像）光学剖面测量仪观察光纤列阵每根光纤的光芯的位置。 NFP （近场图像）光学剖面测量仪，将通过监控 工序去搜寻每个光芯 的主轴中心，并在计算机上给出每根光纤对应的坐标位置。从观察到的受力点和通过激光干涉仪所经过的位置，我们的 NFP （近场图像）光学剖面测量仪能够测量精确的光纤列阵的光纤芯位置，并能精确测量纤芯的间距。
列阵光纤很好的定位并经过严格的检测后，下一项重要的工作是将光纤列阵同波导实现端面的对接。由于光纤尺寸为微米量级，光纤列阵的长度为毫米至厘米量级。要保证波导列阵同光纤列阵很好的对准和粘接，需要高精度的光纤波导耦合调芯系统。
自动列阵光纤—波导调芯耦合系统
为确保光纤列阵同密度光波导很好的对接，不但需要制备高质量的光波导器件和硅 V-型槽，还需要如图5所示的6维高精度的微调节架，其中有3维平移和3维转动。由于光波导和光纤的芯径为微米级，为确保它们之间高精度的对接，需要微调节架的精度应高于1个量级。
用于光纤同光波导的微调节架最初是采用手动调节方法，因此，每个光模块的质量和制备周期会因为操作者的经验和熟练程度而差别很大，并且成品率很难保证。为了提高工作效率、确保每个光模块的质量，我们研究开发了列阵光纤波导耦合用全自动调芯系统，自动调芯系统的装置如图 5 所示。自动调芯系统采用步进电机驱动，步进电机细分每步最小移动量仅为 0.05μm 。
列阵光纤光波导耦合全自动调芯系统机理：
1. 将光纤光波导安装到对应的位置后，光波导自动调芯耦合设备将自动调节方位。光波导夹具位置保持不变，光纤列阵首先向波导 端面接近，当光纤列阵微微接近波导时，光纤夹具下调节架的传感器将测量到受力点，并自动调节光纤列阵的方向，直到光纤列阵端面同波导端面完全平行。光纤端面同波导端面调节平行后输入端光纤开始通光进行光纤波导耦合。
2. 由于列阵光纤的通道数太多，通常为几十 ～ 几百个通道，如果每个通道都进行耦合调节，需要的时间太长，并且由于 V 型槽已将光纤 很好的定位，因此不需要调节每根光纤进行耦合。用于列阵光纤—波导耦合用的自动调芯系统采用首尾两根光纤耦合，实现 光波导同光纤列阵的耦合。根据几何原理，首尾间隔越远耦合的精度越高。单通道光纤耦合采用以下两步来调节获得最佳耦 合，第一步是光场搜寻，首先设定光噪声基线（ Noise Level ），探测光纤将在光波导输出端处采用图示的路径搜索大于光噪声基线的光信号，当搜寻到光信号后进入第二步峰值搜寻，峰值搜寻采取图示的路径在 X 、 Y 方向搜寻达到最大耦合光强，整个耦合过程由计算器控制自动完成。第一个光纤通道调节好计算机将自动存储这根光纤所在的位置。首光纤调节好后再调节尾光纤，调节步骤同上。尾光纤调节好后，自动调芯系统会自 动调节将首光纤归位到最佳耦合位置，调节耦合过程完成。全部耦合过程可以一次调节完成。
3. 下面讨论一下光纤耦合过程中存在的列阵波导尺寸同列阵光纤尺寸的不匹配问题，以及解决方案。由于列阵光纤同光波导在制备过程中的一些不确定因素，使得其尺寸产生偏差，这时计算机将如何调节其光纤的位置。我们认为这时可根据不同光器件的要求采取三种不同的耦合方式，第一种是采取首根光纤最佳匹配位置；第二种是采用尾根光纤最佳匹配位置；第三种是取首尾光纤最佳位置的平均值。这三种不同最佳耦合方式可根据用户的用途分别采用，并在全自动列阵光纤波导调芯耦合系统的计算机中设为固定方式。通常第三种匹配方式比较常用。
目前，高密度列阵光纤光波导自动调芯耦合系统，已经成功的应用于光波导星型耦合器、列阵波导开关和列阵波分复用器的光纤波导耦合粘接工艺，并获得非常高的耦合效率。尤其是全自动调芯系统在 AWG 光模块的研究和生产中得到了广泛的应用。
总结
光纤通信领域的高速发展，极大的推动了光波导器件的向高密度集成化方向发展。目前，线阵高密度列阵光纤波导耦合技术已经非常完善，并能很好的满足光波导模块生产的需要。现在，光纤光波导耦合发展的新趋势——为提高光波导元件的集成度，现在人们在研究三维光波导器件，其目的是进一步增加光波导的通道数目，未来将实现面阵光波导列阵同面阵光纤的耦合。
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