2004年12月PTL评析：全光器件方向
发布时间：2004-12-06 13:11:17 热度：2951
不支持该视频12/6/2004，本期的Photonics Technology Letters（PTL）文章数目是近一年来最少的一次，仅有近二十篇文章，且都是有关全光器件的研究。细看其文章内容可以知道，当前全光器件研究已经泾渭分明的分成了两个方向，即全光纤器件和半导体集成。现对本期快报具有闪亮点的文章，并结合一年来国内外相关研究，力图以较短的篇幅为大家详尽展示这两个方向的发展现状和实用前景。
一、 全光纤器件：我们的追求目标，但技术不成熟，暂时仅能处于观望。
光通讯应用对机械稳定性和热稳定性都有较高要求，而通常的集成器件在光纤和波导对接的时候明显增大了损耗和不稳定因素。因此我们期望未来用全光纤器件来组成光路，这样信号始终被限制在纤芯范围内传输，稳定性提高；另外散射和损耗都明显很低。然而限制其发展的主要瓶颈就是技术不成熟。尽管当前以熔锥型光纤器件为代表的部分全光纤器件的性能已远远超过了集成光学器件，然而该技术用于制造像AWG类似的复杂器件就无能为力了，且废品率相当高，可以说全光纤技术还不具备加工核心无源器件的能力。
有源方面，本期快报有多篇文章是对光通讯应用的光纤激光器开展研究。当前国际掌握该领域最核心技术的应该算SPI公司，其以外包层泵浦技术获得的单光纤激光器最高功率达600W，这是相当惊人的一个数字。在国内烽火承担的863计划结题的时候也实现了100W的输出。但是我们必须注意，这些光纤激光器均使用了最短几米长的光纤，这么长的光纤在以W量级输出激光时，其以受激布里渊和受激拉曼散射为代表的非线性效应对光通讯应用都会有致命的影响。对于光通讯使用，我们更加关心的是具有相当功率输出，却能保持较短长度（cm量级）的光纤激光器，一方面这样有利于集成，另一方面可以避免由于非线性效应产生的调制和传输误码。但据个人了解，在此之前10cm以下长度的光纤激光器，单模输出均非常的低，这限制了它的应用。
本期快报我们应特别关注亚利桑那大学不同研究小组的两篇文章。首先 Qiu博士基于Er–Yb掺杂，分别实现了7cm光纤上9.3W的多模输出，和7.1cm4W的单模输出。我们应特别注意其单模情况，输出功率已经有了质的飞跃，该激光器应用在通讯中已经指日可待。其实很容易想象对于短距离光纤激光器，要想保证较大的功率输出只有两个途径，第一是增加掺杂浓度，可是就我所知，高浓度的稀土元素掺入光纤会对输出功率有明显负作用，所以未来能否在4W基础上再有提高就值得商榷了。第二个方法就是增大截面尺寸，这对通常的玻璃光纤也非常困难，而目前改用光子晶体光纤技术却可以实现非常大的输出截面而保持单模，同样来自亚利桑那大学的Arash Mafi博士也在本期快报中向我们展示了他们使用该技术实现的光纤激光器，在1.5cm的长度上实现了9.5W的输出。然而大家都知道光子晶体器件由于工艺复杂，制作成本非常高，所以尽管现在已经有光子晶体光纤商用，可是要想大规模出现在我们的系统里尚须不少的时间。即便忽略了成本因素，最重要的是光纤激光器还不具备满足WDM应用的成熟技术。因此全光纤有源器件的发展还任重道远。还应该注意到此次快报中有谢世钟教授的研究组利用FBG制作的分布反馈光纤激光器，实现了1543.81nm，0.2mw的输出。个人觉得对分布反馈光纤激光器需要关注的是它可以实现非常窄的谱宽，且波长热稳定性非常高的输出，因此尽管功率现在较低，可是其输出特性仍非常适合光通讯应用（特别是DWDM应用），我们也应给予关注。
二、半导体光集成器件：工艺成熟，结构紧凑，已具有大规模商用的核心技术。
提到半导体光集成器件，特别应关注的是其成熟的半导体加工技术基础。特别是硅锗基材料，不论多复杂的结构都可使用的“沉积－光刻－ICP刻蚀”技术给予实现，尤其是对无源部分，其核心器件如波分复用器等技术已经日益成熟，在大规模商用的同时，研究者还在不断完善和优化其性能。最具有代表性的平面波导波分复用器应该说是AWG了，此次快报中共有两篇文章是对其性能进行完善。其中来自韩国高等科技学院的Eun-Seok Kang等利用有无机材料结合的方式，制备了温度不敏感的AWG，温度每改变1度，波长仅产生3pm的漂移，性能可靠性提高。但是个人认为该方法实现热稳定性其工艺过于复杂，且成本会大幅度提高，个人更加推荐1999年11期PTL上加拿大科学院何建军博士提供的包层刻蚀的技术，其工艺非常简单，且在实现热不敏感的同时还可实现偏振不敏感，其技术已经受权美国专利，并已被一器件厂商购买。本期快报另一篇关于AWG的文章是JDS U的研究者有关频谱平坦化的研究。大家知道，对于波分复用应用，由于通常的频谱响应是高斯形的，因此对光源限制非常严格，即使发生小的波长漂移都可能使最终探测器的检测能量大幅降低，产生误码。而如果我们把频谱响应变成矩形的，显然小的波长漂移不会对我们的探测产生影响。早在96年，NTT的Okamoto就已经开展了相关的研究，此后陆续有多篇论文和多项相关专利被提出。而此次JDS U的研究我认为有新意的是他不是把优化目标定位为矩形的频谱响应，而是一个高斯的高阶响应，这样可以在平坦的同时有效避免色散和带通纹波等性能参数的恶化，特别是通常的平坦化方案中被成倍恶化的色散特性，JDS U此次的测试汇报显示，其改变几乎可以忽略。
有源方面，尽管适合大规模商用的廉价WDM光源也已经出现（详见上月对JLT的评析），但相关研究仍然很火热。此次快报中澳大利亚国立大学著名科学家Jagadish教授就报导了他们最新基于MOCVD工艺生长的InGaAs量子点激光器，实现了在4μm截面上低阈值高功率的输出。然而我们必须注意到，当前PLC的技术瓶颈就是有无源的材料不匹配。大家知道适合半导体工艺的硅锗材料都是间接带隙的半导体，其发光效率很低，而直接带隙的三五族材料却不适合半导体加工技术。在上期的PTL评析中，我已谈到了键和技术可以解决这个问题，但到目前为止，该技术仍不成熟，短期无法实用。而前几天在Nature Materials杂志上报导了荷兰飞利浦实验室与Delft科技大学组成的团队，在硅与锗基板上以外延方式生长出磷化铟纳米线这一研究成果，个人认为该成果对硅锗与三五族材料的匹配问题将做出有益贡献，我们应该对该技术给予充分关注。
写了以上评析，再回过头来看开始提出的全光器件发展两个方向问题，可以简单的总结如下：平面半导体集成的全光器件技术已经成熟，在未来的几年里将走向大规模商用化的道路，而全光纤器件是我们发展的目标，但首先要解决的还是技术成熟化这些基本问题。
一、 全光纤器件：我们的追求目标，但技术不成熟，暂时仅能处于观望。
光通讯应用对机械稳定性和热稳定性都有较高要求，而通常的集成器件在光纤和波导对接的时候明显增大了损耗和不稳定因素。因此我们期望未来用全光纤器件来组成光路，这样信号始终被限制在纤芯范围内传输，稳定性提高；另外散射和损耗都明显很低。然而限制其发展的主要瓶颈就是技术不成熟。尽管当前以熔锥型光纤器件为代表的部分全光纤器件的性能已远远超过了集成光学器件，然而该技术用于制造像AWG类似的复杂器件就无能为力了，且废品率相当高，可以说全光纤技术还不具备加工核心无源器件的能力。
有源方面，本期快报有多篇文章是对光通讯应用的光纤激光器开展研究。当前国际掌握该领域最核心技术的应该算SPI公司，其以外包层泵浦技术获得的单光纤激光器最高功率达600W，这是相当惊人的一个数字。在国内烽火承担的863计划结题的时候也实现了100W的输出。但是我们必须注意，这些光纤激光器均使用了最短几米长的光纤，这么长的光纤在以W量级输出激光时，其以受激布里渊和受激拉曼散射为代表的非线性效应对光通讯应用都会有致命的影响。对于光通讯使用，我们更加关心的是具有相当功率输出，却能保持较短长度（cm量级）的光纤激光器，一方面这样有利于集成，另一方面可以避免由于非线性效应产生的调制和传输误码。但据个人了解，在此之前10cm以下长度的光纤激光器，单模输出均非常的低，这限制了它的应用。
本期快报我们应特别关注亚利桑那大学不同研究小组的两篇文章。首先 Qiu博士基于Er–Yb掺杂，分别实现了7cm光纤上9.3W的多模输出，和7.1cm4W的单模输出。我们应特别注意其单模情况，输出功率已经有了质的飞跃，该激光器应用在通讯中已经指日可待。其实很容易想象对于短距离光纤激光器，要想保证较大的功率输出只有两个途径，第一是增加掺杂浓度，可是就我所知，高浓度的稀土元素掺入光纤会对输出功率有明显负作用，所以未来能否在4W基础上再有提高就值得商榷了。第二个方法就是增大截面尺寸，这对通常的玻璃光纤也非常困难，而目前改用光子晶体光纤技术却可以实现非常大的输出截面而保持单模，同样来自亚利桑那大学的Arash Mafi博士也在本期快报中向我们展示了他们使用该技术实现的光纤激光器，在1.5cm的长度上实现了9.5W的输出。然而大家都知道光子晶体器件由于工艺复杂，制作成本非常高，所以尽管现在已经有光子晶体光纤商用，可是要想大规模出现在我们的系统里尚须不少的时间。即便忽略了成本因素，最重要的是光纤激光器还不具备满足WDM应用的成熟技术。因此全光纤有源器件的发展还任重道远。还应该注意到此次快报中有谢世钟教授的研究组利用FBG制作的分布反馈光纤激光器，实现了1543.81nm，0.2mw的输出。个人觉得对分布反馈光纤激光器需要关注的是它可以实现非常窄的谱宽，且波长热稳定性非常高的输出，因此尽管功率现在较低，可是其输出特性仍非常适合光通讯应用（特别是DWDM应用），我们也应给予关注。
二、半导体光集成器件：工艺成熟，结构紧凑，已具有大规模商用的核心技术。
提到半导体光集成器件，特别应关注的是其成熟的半导体加工技术基础。特别是硅锗基材料，不论多复杂的结构都可使用的“沉积－光刻－ICP刻蚀”技术给予实现，尤其是对无源部分，其核心器件如波分复用器等技术已经日益成熟，在大规模商用的同时，研究者还在不断完善和优化其性能。最具有代表性的平面波导波分复用器应该说是AWG了，此次快报中共有两篇文章是对其性能进行完善。其中来自韩国高等科技学院的Eun-Seok Kang等利用有无机材料结合的方式，制备了温度不敏感的AWG，温度每改变1度，波长仅产生3pm的漂移，性能可靠性提高。但是个人认为该方法实现热稳定性其工艺过于复杂，且成本会大幅度提高，个人更加推荐1999年11期PTL上加拿大科学院何建军博士提供的包层刻蚀的技术，其工艺非常简单，且在实现热不敏感的同时还可实现偏振不敏感，其技术已经受权美国专利，并已被一器件厂商购买。本期快报另一篇关于AWG的文章是JDS U的研究者有关频谱平坦化的研究。大家知道，对于波分复用应用，由于通常的频谱响应是高斯形的，因此对光源限制非常严格，即使发生小的波长漂移都可能使最终探测器的检测能量大幅降低，产生误码。而如果我们把频谱响应变成矩形的，显然小的波长漂移不会对我们的探测产生影响。早在96年，NTT的Okamoto就已经开展了相关的研究，此后陆续有多篇论文和多项相关专利被提出。而此次JDS U的研究我认为有新意的是他不是把优化目标定位为矩形的频谱响应，而是一个高斯的高阶响应，这样可以在平坦的同时有效避免色散和带通纹波等性能参数的恶化，特别是通常的平坦化方案中被成倍恶化的色散特性，JDS U此次的测试汇报显示，其改变几乎可以忽略。
有源方面，尽管适合大规模商用的廉价WDM光源也已经出现（详见上月对JLT的评析），但相关研究仍然很火热。此次快报中澳大利亚国立大学著名科学家Jagadish教授就报导了他们最新基于MOCVD工艺生长的InGaAs量子点激光器，实现了在4μm截面上低阈值高功率的输出。然而我们必须注意到，当前PLC的技术瓶颈就是有无源的材料不匹配。大家知道适合半导体工艺的硅锗材料都是间接带隙的半导体，其发光效率很低，而直接带隙的三五族材料却不适合半导体加工技术。在上期的PTL评析中，我已谈到了键和技术可以解决这个问题，但到目前为止，该技术仍不成熟，短期无法实用。而前几天在Nature Materials杂志上报导了荷兰飞利浦实验室与Delft科技大学组成的团队，在硅与锗基板上以外延方式生长出磷化铟纳米线这一研究成果，个人认为该成果对硅锗与三五族材料的匹配问题将做出有益贡献，我们应该对该技术给予充分关注。
写了以上评析，再回过头来看开始提出的全光器件发展两个方向问题，可以简单的总结如下：平面半导体集成的全光器件技术已经成熟，在未来的几年里将走向大规模商用化的道路，而全光纤器件是我们发展的目标，但首先要解决的还是技术成熟化这些基本问题。
