光电器件制造：05年2月JLT评析

3/9/2005, 本期JLT主编邀请Alan E. Willner教授就当前光电器件制造情况办了一个专刊，其论文来自10余个国家，内容上既有一些器件公司的研究报告，也有许多一流大学和实验室在光电器件制造方面的最新研究成果，基本代表了这一方面的最高水平。
    光电器件通常是一个电子和光的混合加工体， 在器件制造中可以采用大量的独特材料。而这种材料的多样化正是光电器件集成区别于传统的微电子集成的一个重要因素。 这些材料主要包括：硅，二氧化硅，铌酸锂，三五族材料和聚合物等。降低成本，提高生产率和增加器件可靠性是光电器件制造业的目标。
    通过该专刊的回顾，我们可以发现当前光电器件制造正从过去几十年里所流行的手工装配转换到高度精确和高产出的自动制造和检测上，特别从几个器件公司的汇报里可以发现制造商们已认识到他们必须转换装配方法的思维模式，以减低器件成本，并加快产品的大量生产。而自动化将为光器件集成行业提供完善的解决方案。但自动化目前也面临着巨大的挑战，极度精确性，高度的多样化，异常的样式因素和材料要求及波导要求内在的困难都限制了当前众多的设备应用于光器件集成。通过本期的评析，你或许可以从中找到一些能够支持和解决这些困难和特殊加工要求的方案。
一、来自制造商的声音：
    和以往的专刊不同，来自几个公司的论文不是把焦点放在“如何去做什么”上，而是告诉大家他们最近都“做了什么”。这是一个有趣的现象，显然制造商把此次专刊看作是向他们的顾客宣传的一次大好机会，如果你感兴趣他们会随时为你提供工艺上的服务与支持：
    1.当基片上光电器件制作完毕后，封装是器件性能是否可以实现或发挥的关键，信号分配，光源/电源分配，模块保护，恒温散热等在一定程度上都依赖于器件封装。引线键合、超声楔焊和覆晶键合都是常用的芯片键合封装方式。但当被连接材料非常微细时，在传统连接方法中忽略的一些因素可能对连接过程和连接质量起到了重要的影响。此时，适应这种要求需要重新设计连接方法。本专刊三菱电子的研究人员就对电吸收（EA）调制器同电信号传输线的封装进行了探讨。此类封装以前普遍使用的是引线键合（Wire bonding）技术，然而该论文指出使用引线键合的时候，引线的寄生自感可能严重恶化EA调制器的电吸收性能。并且他们着重介绍了其对此模块采用快速覆晶键合（Flip chip bonding）技术封装的研究成果，并显示了其最新的40GHz/s的FCB封装EA器件。采用FCB封装后，整个模块的厚度、体积与重量都大幅缩小，并减少了信号延迟和噪音的产生。
    2.目前常用的WDM器件，主要基于薄膜滤波（TFF）、光纤光栅（FBG）以及AWG等。尽管基于TFF的WDM器件传输能力很难高于50GHz，但其工艺简单，对环境要求低，因此仍被广泛使用。另外从销售比重上看，采用TFF方式制作的WDM器件也是目前市场的主流产品（占同类器件市场份额80％以上）。TFF的原理是采用镀膜的方式，以气相沉积的原理，将所需膜层一层层镀在薄平板玻璃上，当滤波波长频带间隔较小的时候，加工对膜层厚度，特别是应力控制的要求也相应提高。本期专刊上来自PhotonicsComm Solutions, Inc的研究者就对一个50GHz的TFF的WDM器件制造过程里，玻璃衬底和膜层间的内应力的产生，以及对光学性能的影响进行了深入的分析，为实际加工如何选择衬底类型和厚度，材料的热膨胀系数，以及如何优化色散，带通纹波，PMD等性能参数提供了有益的参考。
    3.通常的SMF包层外还有一层聚合物的涂覆层，用来保护光纤不受机械和化学的侵蚀。然而当我们制作光纤光栅、光纤耦合器、光纤传感器以及光纤连接器等光纤器件的时候，我们经常需要将聚合物的涂覆层剥离。现在常用的涂覆层剥离机都是机械式的，在剥离的过程里会与玻璃光纤直接接触，通常包层表面都会产生很多微裂纹，对光纤强度和性能都产生了巨大影响。本期专刊里，Hahnwool Optics Inc. 的研究者为我们展示了其最新的借助热空气流的非接触式光纤涂覆层剥离技术。借助该技术，在连续快速剥离涂覆层的同时，可以保证光纤强度几乎不变，大大改善了原有技术。
    4.大功率的边缘辐射半导体LD是光通讯领域重要的一类器件，目前已广泛应用为放大器的泵浦源和波长转换器的二次谐波发生器。如何廉价且高效的制造这类器件是当前面临的主要问题。而对一个半导体激光器，其核心部件是激光棒，激光棒的好坏直接影响到激光器的最终光学特性。因此我们需要在激光棒的加工过程中进行有效监控，如果发现激光棒性能出现问题，则不需再进行下一步的工艺。本期专刊里，来自Corning Inc.的研究者就为我们展示了其最新的激光棒生产监控器，对其设计过程和具体应用都进行了细致的说明，并指出了其监控器的一些潜在应用场合。
    5.此外富士通的研究人员对阶跃和渐变折射率光纤的设计制造进行了深入研究，特别对高斯/抛物线折射率分布的光纤制作进行了介绍，可以设计制作出与商用光子晶体光纤对接良好的低色散光纤；而NanoOpto公司的研究人员则在本期专刊上发布了其纳米尺度的大规模平面器件集成的新工艺，一些工艺因素如晶片参数，模块表面粒子分布等对纳米集成的影响也做了深入分析，其工艺适合大规模高效率的生产，有效降低了器件的成本。
二、微机械系统（MEMS）：
    本期专刊大量文章涉及MEMS的具体工艺报导。其中特别推荐来自North Carolina大学的特邀论文，其对自由空间微光学器件的发展状况及主要工艺做了一个详尽的介绍。在通讯方面，其谈到由于光源的标准化，人们需要大量结构更加紧凑的微光元器件被使用。作为例子他们介绍了他们制作的基于衍射原理的微光栅耦合器，可以有效将VCSEL阵列发射的激光聚焦耦合到光纤芯层内，并将模间色散降到了最小值。其余关于各种MEMS器件加工的主要论文为：
    1.当光器件芯片和光纤连接时，常常要考虑光学校准，而校准器的加工一直就是光纤器件典型的难点之一。当前的技术发展要求与LD对接时的校准精度高于0.2微米，这通常可以依赖压电陶瓷和有源反馈回路来实现，然而在封装键合的过程里，接口常常会在原有的位置上发生漂移，即便这个漂移很小，也会带来巨大的损耗，通常的键合使得耦合效率均低于80％。本期专刊中，Lehigh大学的研究者展示了一种自适应式的光校准工艺，其利用一块MEMS的形状记忆合金（SMA）将载具的位置牢牢限定住，几乎避免了任何键合漂移的产生。具体技术细节如载具的应变也被分析，同时论文还论述了其工艺面向大规模生产的可行性。
    2.MEMS器件目前其实在光网络里起到的作用并不多，应用最多的场合就是基于MEMS的微反射镜，来改变光的方向（如光开关等）。其余应用通常都需要辅助以其它光器件，比如有报导利用MEMS器件和一个AWG结合在一起从而实现了波长选择的作用，然而这样的应用必须对MEMS部分独立配置一个控制装置，使得器件工艺复杂，成本大幅提升。本期专刊韩国科学院的研究者指出生长于微操控平台（MAP）上的微光波导（MOW）有望实现MEMS技术和光器件的有机结合，拓展MEMS器件在光通讯中的应用范围，做为例子，他们展示了基于这一技术生产的波长选择器和可调VOA器件，器件结构紧凑，性能优越。此外，他们还将这一概念引入了光纤熔融拉锥这一工艺，灵活高效的控制了频谱响应，并极大提高了输出功率。
    3.现代光通讯的发展中，包括光调制，光交换在内的众多应用场合都需要拥有大量可实时重构的元器件（如光开关、光束操纵和波前矫正等）。对于这些实时控制的要求，采用电驱动的液晶来实现是我们很容易想到的。其实早在十几年前就已经有人把电驱动的液晶微透镜阵列应用在了光互连网络当中。本期专刊里，韩国Hanyang大学的研究者则对基于列向液晶材料的电控微透镜阵列的制造工艺进行了深入介绍。其制造的微透镜阵列在电驱动下，其焦距能在微秒量级内发生改变，并指出如果使用铁电LC材料，速度还可能提高三个数量级。制造过程可以保证几乎不存在任何微结构对光发生散射，这比起常用的聚合物色散元件，大大提高了光的利用效率和响应速度。
此外埃及的研究者还利用蒙特卡罗算法对MEMS器件大规模加工过程里可能出现因素的影响进行了预估，其分析过程和部分结论也比较有趣。
(浙江大学宋军博士)