基于ＡＷＧ的平面光波导技术

吕雅利　胡学娟

摘要:采用平面光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)技术制作的阵列波导光栅(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是应用于光网络中的支撑技术波分复用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介绍了国内外AWG的应用现状和发展前景。

关键词:平面光波导阵列波导光栅波分复用

中图分类号:TN913.7文献标识码:A

1 平面光波导(Planar Light Circuit,PLC)技术的市场分析

伴随着光通信的发展,在金融危机影响下的亚太地区正成为全球光通信市场中最活跃的一部分,目前所面临的问题主要有:①运营商投资重心从SONET/SDH转移到WDM的趋势将会持续高涨;② 3G网络正式商用化带动了移动与固网宽带市场新旧技术的转换;③受市场驱动和政策面的影响,光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市场;④系统设备商们将持续兼并收购,以实现技术优势和资源整合。

基于PLC技术开发的光器件在光网络的组网中占据重要地位。波分复用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系统是当前最常见的光层组网技术,它通过复用/解复用器实现多路信号传输。早期的WDM系统并没有实现真正意义上的光层组网,难以满足业务网络IP化和分组化的要求,这种情况直到可重构光分插复用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出现才得以改善。平面光波导ROADM是近年来广泛采用的ROADM子系统之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光,这意味着只有预定义的彩色波长可以在每个端口上下,也可以配合可调滤波器和可调激光器使用。由于PLC的集成特性,使其成为低成本的ROADM解决方案之一。目前的光波导,一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs单晶等做衬底,再用扩散或外延技术制成的。PLC可以集成多种器件,例如:韩国的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM双向模块[1],我国的浙江大学也研制出一种利用PLC的高集成化的PMD补偿器[2][3]。

2 AWG的结构及其工艺简介

阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一个将PLC技术商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分复用器件,通过集成的AWG可以实现波长复用和解复用,这种技术已被用于WDM系统中。目前平面波导型WDM器件有多种实现方案,其做法为在硅晶圆上沉积二氧化硅膜层,再利用光刻工艺(Photolithography)及反应式离子蚀刻法(RIE)制作出AWG。该类器件通路数大、紧凑、易于批量生产,但带内频响尚不够平坦。由于AWG采用与一般半导体相同的制作过程,多通道数与低通道数的制作成本相差不多,但更适合生产,而且整合度较高,因此应用在DWDM上具有相当的潜力。北美市场在2008年初呈现活跃状态,比如:美国加州的PLC设备供应商ANDevices在一月份签订协议,提供价值$13.5百万的产品给FTTH发展商Enablence Technologies Inc[4]。在我国,以PLC技术支持的光器件在光电子器件中占有很大份额,光电子器件从芯片、封装和模块这三方面关键技术来看,芯片、封装2.5Gb/s有大批量生产能力,模块10Gb/s正在形成大规模生产能力,这跟发达国家相比还有一定差距,我国的企业家们也正致力于开发低成本、高质量的完整产业链,用以生产包括PLC技术在内的光电子产品[5]。

3 AWG应用现状及未来发展趋势

支持者们一直认为PLC有更广阔的应用前景,特别是在晶圆上集成多种功能和大规模生产低成本器件方面。在光通信产业仍处于困境之时,器件制造商们认为刚刚萌芽的FTTH市场会带来光器件的大规模应用,这可以帮助他们恢复增长。这个观点在许多PLC技术的支持者中非常流行,他们认为潜在的大规模应用是一个强劲动力。“一旦掌握了PLC的结构和工艺,就可以大规模、低成本地制造非常复杂的器件”。因为亚洲是最具竞争力的FTTH市场,该地区的元器件供应商对PLC的应用很感兴趣。Gemfire总裁和首席执行官RichardTompane认为PLC在FTTH系统中扮演着重要角色。另外,单片集成的方向不是最好的选择,除非被市场的大规模需求推动。混合集成可以将一系列非常复杂的功能集成为智能PLC模块。Tompane还预测将来PLC光子系统将设计得和现在的线路插卡一样。

用户的带宽需求驱动FTTH的发展,而FTTH的发展又为新的网络业务提供良好的平台,网络信息流量迅速增长,促进城域网和接入网大发展。2008年10月,由咨询公司PwC会计事务所发表的一份研究报告表明,美国电信网络高带宽,光纤到家庭和光纤到企业最后一公里的更新将在短期内提供大量的环境效益。FTTH委员会总裁Joe Savage声称,“对于电信运营商而言,这意味着FTTH的这次升级不仅是一个良好的商业命题,也是一条走向绿化的很好的道路。”该报告声称“随着未来低碳经济和提高环境管理的设想,光纤到户解决方案是一个重要的可持续利用的网络‘司机常用的‘钥匙”。在我国,对于FTTH的使用目前仅限于一些宾馆和高档住宅小区,比如,2004年中国电信铺设在武汉铺设的紫松花园,大规模的部署尚需时日。本着光进铜退的发展战略,2009年2月18日国务院召开第50次常务会议,审议并原则通过“电子信息产业调整振兴规划”,同时国家要求通过推进农村信息化建设拉动内需,这些都从政策上促进了FTTH市场的发展。预计2009年FTTH的建设规模会比2008年翻一番,EPON仍然会是FTTH建设的主流技术。GPON也将在一些省市进行一定规模的试验和部署。

4 结论

基于PLC技术的光器件生产链可分为三个主要环节:PLC芯片、光纤阵列和器件封装。对PLC芯片而言,AWG芯片主要以硅基二氧化硅光波导制作。AWG的制作材料除SiO2/Si外,InGaAsP/InP和Polymer/Si也常被采用。InGaAsP/InP系的AWG被看好的原因在于它尺寸小并能与InP基有源与无源光子器件及InP基微电子回路集成在同一基片上。目前国内已有两条硅基二氧化硅光波导工艺线,分别属于中科院北京半导体研究所和武汉光讯公司,后者的工艺线已经正常运转,对国内科研院所提供了一些研究用途的PLC芯片代工服务,而其自主设计的AWG芯片也正在商品化过程中。但是,由于开发AWG芯片需要大规模的设备投资,而国外市场对可靠性的要求较高,因此除少数公司已经将产品推向国际市场,多数国内厂商在PLC项目上还比较保守,仅仅停留在技术储备阶段,如收集相关技术资料,了解设备和原材料渠道等。到目前为止,国内企业尚无产品化的AWG芯片推出,均为进口芯片进行封装。整体来说,国内PLC产业尚处于起步阶段。国外主要的AWG器件供应商有NTT Electronics、Hitachi Cable、NeoPhotonics、Ignis Photonyx、Avanex等公司。

参考文献:

[1]Byung Sup Rho, Sung Hwan Hwang etl.“A bidirectional module integrated on a planar lightwave circuit with a coated WDM filter”, J. Micromech. Microeng, January 2008.

[2]王斌,王磊等,“一种基于平面光波导线路的PMD补偿器的性能分析”,浙江大学学报(工学版),40卷第1期,63-66,2006.

[3]刘旭,肖金标等,“楔形光纤与半导体多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析”,光学学报,27卷第4期,680-684,2007.

[4]International Business Times, Tuesday, 29 January 2008.

[5]http://www.ofweek.com/News/2008-09/200891162444994.html.