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未来光器件的主流发展方向:光子集成技术

导读: 我们日常了解的光集成技术无外乎PLC、大规模光子集成电路(代表公司Infinera)、硅光子集成、InP单片集成等技术,但这些对于大多数读者(尤其是业外人士)来说都是既笼统又模糊的名词。

  光集成技术是未来光器件的主流发展方向,近年来一直是业内关注和研究的焦点。当前,各种新的光集成技术层出不穷,各有所长,大有百花齐放的势头,但在未来的发展中,究竟何种技术会成为真正的热点、将独占鳌头主导光子集成领域?国内光集成研究现状又究竟如何?带着这些疑问,我们特地采访了国内光集成研究领域的著名专家——浙江大学信息学院微电子与光电子学研究所博士生导师王明华教授,希望能对这个几乎神秘的高新技术领域窥视一二。

  我们日常了解的光集成技术无外乎PLC、大规模光子集成电路(代表公司Infinera)、硅光子集成、InP单片集成等技术,但这些对于大多数读者(尤其是业外人士)来说都是既笼统又模糊的名词。王明华教授根据所使用的材料将光集成技术进行了简单明了的归类,包括基于化合物半导体的光集成技术,基于铌酸锂(linbo3)电解质材料的光集成技术,基于SiO2绝缘体技术的PLC技术,硅基集成光学技术,基于聚合物材料的技术,以及基于光学玻璃的光集成技术,共计六大类,下面是王教授对这几类技术的简要说明:

  (一)基于化合物半导体的光集成技术,如GaAs、InP技术。这类技术适合制造高速调制器、光开关,速度很快,但造价较高。此外,化合半导体也是制造各种光器件的基本材料,随着薄膜生长技术的飞快发展,将光子器件与光波导器件及高速电子器件单片式集成在一起己成为可能;

  (二)基于铌酸锂材料的光集成技术,这类材料特别适合研制高速光调制器、光开关等,技术成熟,且市场份额较大;

  (三)基于SiO2绝缘体技术的PLC技术,包括采用石英衬底和硅来制作波分复用器、光分路器、热光器件等多种较大规模的集成化光波导器件。这种技术主要采用PECVD和干法刻蚀及髙温退火工艺,该种技术目前己相当成熟,国内也己开展这方面的基础研究及器件研发,例如武汉光迅公司就进口了PECVD设备,用来制作AWG和光分路器;

  (四)硅基集成光波导技术,也就是SOI材料,SOI材料是新型硅基集成电路材料的简称,又称绝缘硅。这种技术采用的结构与电子学的集成电路类似,只是在硅晶体层的厚度上有所区别。作为国家973计划硅基发光及光子器件研究的子课题,已经启动了基于SOI材料的微、纳集成光波导及器件的研究项目。

  国外在硅基光子集成方面的研究进展迅速,如去年IBM就宣布开发出10G 纳米光波导的MZ电光调制器,一直在硅光子领域颇有造诣的Intel也发布了30Gbps硅光调制器技术。国际上每年都召开专门的硅基集成光学学术会议进行专题研讨和交流。

  目前,我们国家在硅基光子集成领域的研究进度尚落后于发达国家,其主要困难在于缺乏先进的微细加工设备,无法制造出高质量的光波导,而并非缺乏新的研究思路。例如中科院半导体所,充分利用已有的设备条件在硅基集成光学研究方面就取得了很好的成绩;

  (五)基于聚合物材料的光集成技术。高质量厚膜SiO2波导材料的生长比较困难,所需要的设备复杂,一次性资金投入较大,产业化风险也较高。然而,聚合物材料所具备的某些优良特性能使Polymer光波导及集成光学器件具有工艺简单、折射率调整容易、透明性好以及偏振不灵敏等优点,因此,其在光集成及光子器件领域同样占有一席之地且有着很好的发展前景。目前在日本、美国、韩国等一些发达国家都在积极开展聚合物集成光器件的研究工作,并已取得许多重要进展,一些主要性能指标正逐渐达到无机AWG的水平,聚合物集成光功分器在日本甚至已经产业化。但是,因为聚合物器件起步较晚,目前尚没有完全达到系统化、商业化、实用化的程度。聚合物材料也同样适合做高速调制器、光开关,但是存在稳定性差,寿命低的缺点,而且髙水准、髙质量的聚合物材料还比较贵。国内在这方面研究不足,特别是对多种聚合物材料的研发与发达国家相比差距还比较大。

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