呂雅利　胡學(xué)娟

摘要:采用平面光波導(dǎo)(Planar Lightwave Circuit,PLC)技術(shù)制作的陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Wave-guide Grating, AWG)是應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)中的支撐技術(shù)波分復(fù)用(Wave Division Multiplexing, WDM)的重要器件。本文介紹了國(guó)內(nèi)外AWG的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:平面光波導(dǎo)陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用

中圖分類號(hào):TN913.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 平面光波導(dǎo)(Planar Light Circuit,PLC)技術(shù)的市場(chǎng)分析

伴隨著光通信的發(fā)展,在金融危機(jī)影響下的亞太地區(qū)正成為全球光通信市場(chǎng)中最活躍的一部分,目前所面臨的問題主要有:①運(yùn)營(yíng)商投資重心從SONET/SDH轉(zhuǎn)移到WDM的趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)高漲;② 3G網(wǎng)絡(luò)正式商用化帶動(dòng)了移動(dòng)與固網(wǎng)寬帶市場(chǎng)新舊技術(shù)的轉(zhuǎn)換;③受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和政策面的影響,光纖到戶(Fiber to the Home, FTTH)更加深入市場(chǎng);④系統(tǒng)設(shè)備商們將持續(xù)兼并收購(gòu),以實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)和資源整合。

基于PLC技術(shù)開發(fā)的光器件在光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)中占據(jù)重要地位。波分復(fù)用(Waveguide Division Multiplexing, WDM)系統(tǒng)是當(dāng)前最常見的光層組網(wǎng)技術(shù),它通過復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)傳輸。早期的WDM系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的光層組網(wǎng),難以滿足業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)IP化和分組化的要求,這種情況直到可重構(gòu)光分插復(fù)用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer, ROADM)的出現(xiàn)才得以改善。平面光波導(dǎo)ROADM是近年來廣泛采用的ROADM子系統(tǒng)之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光,這意味著只有預(yù)定義的彩色波長(zhǎng)可以在每個(gè)端口上下,也可以配合可調(diào)濾波器和可調(diào)激光器使用。由于PLC的集成特性,使其成為低成本的ROADM解決方案之一。目前的光波導(dǎo),一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs單晶等做襯底,再用擴(kuò)散或外延技術(shù)制成的。PLC可以集成多種器件,例如:韓國(guó)的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM雙向模塊[1],我國(guó)的浙江大學(xué)也研制出一種利用PLC的高集成化的PMD補(bǔ)償器[2][3]。

2 AWG的結(jié)構(gòu)及其工藝簡(jiǎn)介

陣列波導(dǎo)光柵(Arrayed Waveguide Grating, AWG)是第一個(gè)將PLC技術(shù)商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分復(fù)用器件,通過集成的AWG可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)復(fù)用和解復(fù)用,這種技術(shù)已被用于WDM系統(tǒng)中。目前平面波導(dǎo)型WDM器件有多種實(shí)現(xiàn)方案,其做法為在硅晶圓上沉積二氧化硅膜層,再利用光刻工藝(Photolithography)及反應(yīng)式離子蝕刻法(RIE)制作出AWG。該類器件通路數(shù)大、緊湊、易于批量生產(chǎn),但帶內(nèi)頻響尚不夠平坦。由于AWG采用與一般半導(dǎo)體相同的制作過程,多通道數(shù)與低通道數(shù)的制作成本相差不多,但更適合生產(chǎn),而且整合度較高,因此應(yīng)用在DWDM上具有相當(dāng)?shù)臐摿?。北美市?chǎng)在2008年初呈現(xiàn)活躍狀態(tài),比如:美國(guó)加州的PLC設(shè)備供應(yīng)商ANDevices在一月份簽訂協(xié)議,提供價(jià)值$13.5百萬的產(chǎn)品給FTTH發(fā)展商Enablence Technologies Inc[4]。在我國(guó),以PLC技術(shù)支持的光器件在光電子器件中占有很大份額,光電子器件從芯片、封裝和模塊這三方面關(guān)鍵技術(shù)來看,芯片、封裝2.5Gb/s有大批量生產(chǎn)能力,模塊10Gb/s正在形成大規(guī)模生產(chǎn)能力,這跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距,我國(guó)的企業(yè)家們也正致力于開發(fā)低成本、高質(zhì)量的完整產(chǎn)業(yè)鏈,用以生產(chǎn)包括PLC技術(shù)在內(nèi)的光電子產(chǎn)品[5]。

3 AWG應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)

支持者們一直認(rèn)為PLC有更廣闊的應(yīng)用前景,特別是在晶圓上集成多種功能和大規(guī)模生產(chǎn)低成本器件方面。在光通信產(chǎn)業(yè)仍處于困境之時(shí),器件制造商們認(rèn)為剛剛萌芽的FTTH市場(chǎng)會(huì)帶來光器件的大規(guī)模應(yīng)用,這可以幫助他們恢復(fù)增長(zhǎng)。這個(gè)觀點(diǎn)在許多PLC技術(shù)的支持者中非常流行,他們認(rèn)為潛在的大規(guī)模應(yīng)用是一個(gè)強(qiáng)勁動(dòng)力?！耙坏┱莆樟薖LC的結(jié)構(gòu)和工藝,就可以大規(guī)模、低成本地制造非常復(fù)雜的器件”。因?yàn)閬喼奘亲罹吒?jìng)爭(zhēng)力的FTTH市場(chǎng),該地區(qū)的元器件供應(yīng)商對(duì)PLC的應(yīng)用很感興趣。Gemfire總裁和首席執(zhí)行官RichardTompane認(rèn)為PLC在FTTH系統(tǒng)中扮演著重要角色。另外,單片集成的方向不是最好的選擇,除非被市場(chǎng)的大規(guī)模需求推動(dòng)。混合集成可以將一系列非常復(fù)雜的功能集成為智能PLC模塊。Tompane還預(yù)測(cè)將來PLC光子系統(tǒng)將設(shè)計(jì)得和現(xiàn)在的線路插卡一樣。

用戶的帶寬需求驅(qū)動(dòng)FTTH的發(fā)展,而FTTH的發(fā)展又為新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供良好的平臺(tái),網(wǎng)絡(luò)信息流量迅速增長(zhǎng),促進(jìn)城域網(wǎng)和接入網(wǎng)大發(fā)展。2008年10月,由咨詢公司PwC會(huì)計(jì)事務(wù)所發(fā)表的一份研究報(bào)告表明,美國(guó)電信網(wǎng)絡(luò)高帶寬,光纖到家庭和光纖到企業(yè)最后一公里的更新將在短期內(nèi)提供大量的環(huán)境效益。FTTH委員會(huì)總裁Joe Savage聲稱,“對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言,這意味著FTTH的這次升級(jí)不僅是一個(gè)良好的商業(yè)命題,也是一條走向綠化的很好的道路?！痹搱?bào)告聲稱“隨著未來低碳經(jīng)濟(jì)和提高環(huán)境管理的設(shè)想,光纖到戶解決方案是一個(gè)重要的可持續(xù)利用的網(wǎng)絡(luò)‘司機(jī)常用的‘鑰匙”。在我國(guó),對(duì)于FTTH的使用目前僅限于一些賓館和高檔住宅小區(qū),比如,2004年中國(guó)電信鋪設(shè)在武漢鋪設(shè)的紫松花園,大規(guī)模的部署尚需時(shí)日。本著光進(jìn)銅退的發(fā)展戰(zhàn)略,2009年2月18日國(guó)務(wù)院召開第50次常務(wù)會(huì)議,審議并原則通過“電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整振興規(guī)劃”,同時(shí)國(guó)家要求通過推進(jìn)農(nóng)村信息化建設(shè)拉動(dòng)內(nèi)需,這些都從政策上促進(jìn)了FTTH市場(chǎng)的發(fā)展。預(yù)計(jì)2009年FTTH的建設(shè)規(guī)模會(huì)比2008年翻一番,EPON仍然會(huì)是FTTH建設(shè)的主流技術(shù)。GPON也將在一些省市進(jìn)行一定規(guī)模的試驗(yàn)和部署。

4 結(jié)論

基于PLC技術(shù)的光器件生產(chǎn)鏈可分為三個(gè)主要環(huán)節(jié):PLC芯片、光纖陣列和器件封裝。對(duì)PLC芯片而言,AWG芯片主要以硅基二氧化硅光波導(dǎo)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與InP基有源與無源光子器件及InP基微電子回路集成在同一基片上。目前國(guó)內(nèi)已有兩條硅基二氧化硅光波導(dǎo)工藝線,分別屬于中科院北京半導(dǎo)體研究所和武漢光訊公司,后者的工藝線已經(jīng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),對(duì)國(guó)內(nèi)科研院所提供了一些研究用途的PLC芯片代工服務(wù),而其自主設(shè)計(jì)的AWG芯片也正在商品化過程中。但是,由于開發(fā)AWG芯片需要大規(guī)模的設(shè)備投資,而國(guó)外市場(chǎng)對(duì)可靠性的要求較高,因此除少數(shù)公司已經(jīng)將產(chǎn)品推向國(guó)際市場(chǎng),多數(shù)國(guó)內(nèi)廠商在PLC項(xiàng)目上還比較保守,僅僅停留在技術(shù)儲(chǔ)備階段,如收集相關(guān)技術(shù)資料,了解設(shè)備和原材料渠道等。到目前為止,國(guó)內(nèi)企業(yè)尚無產(chǎn)品化的AWG芯片推出,均為進(jìn)口芯片進(jìn)行封裝。整體來說,國(guó)內(nèi)PLC產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段。國(guó)外主要的AWG器件供應(yīng)商有NTT Electronics、Hitachi Cable、NeoPhotonics、Ignis Photonyx、Avanex等公司。

參考文獻(xiàn):

[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,“一種基于平面光波導(dǎo)線路的PMD補(bǔ)償器的性能分析”,浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),40卷第1期,63-66,2006.

[3]劉旭,肖金標(biāo)等,“楔形光纖與半導(dǎo)體多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析”,光學(xué)學(xué)報(bào),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.