基于ＡＷＧ的平面光波導技術

摘要:采用平面光波導(Planar Lightwave Circuit，PLC)技術制作的陣列波導光柵(Arrayed Wave-guide Grating， AWG)是應用于光網絡中的支撐技術波分復用(Wave Division Multiplexing， WDM)的重要器件。本文介紹了國內外AWG的應用現狀和發展前景。

關鍵詞:平面光波導陣列波導光柵波分復用

中圖分類號:TN913.7文獻標識碼:A

1 平面光波導(Planar Light Circuit，PLC)技術的市場分析

伴隨著光通信的發展，在金融危機影響下的亞太地區正成為全球光通信市場中最活躍的一部分，目前所面臨的問題主要有:①運營商投資重心從SONET/SDH轉移到WDM的趨勢將會持續高漲;② 3G網絡正式商用化帶動了移動與固網寬帶市場新舊技術的轉換;③受市場驅動和政策面的影響，光纖到戶(Fiber to the Home， FTTH)更加深入市場;④系統設備商們將持續兼并收購，以實現技術優勢和資源整合。

基于PLC技術開發的光器件在光網絡的組網中占據重要地位。波分復用(Waveguide Division Multiplexing， WDM)系統是當前最常見的光層組網技術，它通過復用/解復用器實現多路信號傳輸。早期的WDM系統并沒有實現真正意義上的光層組網，難以滿足業務網絡IP化和分組化的要求，這種情況直到可重構光分插復用器(Reconfigurable Optical Add Drop Multiplexer， ROADM)的出現才得以改善。平面光波導ROADM是近年來廣泛采用的ROADM子系統之一。PLC的ROADM上下路通道是彩色光，這意味著只有預定義的彩色波長可以在每個端口上下，也可以配合可調濾波器和可調激光器使用。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，一般都是以玻璃、LiNbO3、GaAs單晶等做襯底，再用擴散或外延技術制成的。PLC可以集成多種器件，例如:韓國的Byung Sup Rho等人用PLC研制的WDM雙向模塊[1]，我國的浙江大學也研制出一種利用PLC的高集成化的PMD補償器[2][3]。

2 AWG的結構及其工藝簡介

陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating， AWG)是第一個將PLC技術商品化的元器件。它是基于干涉原理形成的波分復用器件，通過集成的AWG可以實現波長復用和解復用，這種技術已被用于WDM系統中。目前平面波導型WDM器件有多種實現方案，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)及反應式離子蝕刻法(RIE)制作出AWG。該類器件通路數大、緊湊、易于批量生產，但帶內頻響尚不夠平坦。由于AWG采用與一般半導體相同的制作過程，多通道數與低通道數的制作成本相差不多，但更適合生產，而且整合度較高，因此應用在DWDM上具有相當的潛力。北美市場在2008年初呈現活躍狀態，比如:美國加州的PLC設備供應商ANDevices在一月份簽訂協議，提供價值$13.5百萬的產品給FTTH發展商Enablence Technologies Inc[4]。在我國，以PLC技術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鍵技術來看，芯片、封裝2.5Gb/s有大批量生產能力，模塊10Gb/s正在形成大規模生產能力，這跟發達國家相比還有一定差距，我國的企業家們也正致力于開發低成本、高質量的完整產業鏈，用以生產包括PLC技術在內的光電子產品[5]。

3 AWG應用現狀及未來發展趨勢

支持者們一直認為PLC有更廣闊的應用前景，特別是在晶圓上集成多種功能和大規模生產低成本器件方面。在光通信產業仍處于困境之時，器件制造商們認為剛剛萌芽的FTTH市場會帶來光器件的大規模應用，這可以幫助他們恢復增長。這個觀點在許多PLC技術的支持者中非常流行，他們認為潛在的大規模應用是一個強勁動力。“一旦掌握了PLC的結構和工藝，就可以大規模、低成本地制造非常復雜的器件”。因為亞洲是最具競爭力的FTTH市場，該地區的元器件供應商對PLC的應用很感興趣。Gemfire總裁和首席執行官RichardTompane認為PLC在FTTH系統中扮演著重要角色。另外，單片集成的方向不是最好的選擇，除非被市場的大規模需求推動。混合集成可以將一系列非常復雜的功能集成為智能PLC模塊。Tompane還預測將來PLC光子系統將設計得和現在的線路插卡一樣。

用戶的帶寬需求驅動FTTH的發展，而FTTH的發展又為新的網絡業務提供良好的平臺，網絡信息流量迅速增長，促進城域網和接入網大發展。2008年10月，由咨詢公司PwC會計事務所發表的一份研究報告表明，美國電信網絡高帶寬，光纖到家庭和光纖到企業最后一公里的更新將在短期內提供大量的環境效益。FTTH委員會總裁Joe Savage聲稱，“對于電信運營商而言，這意味著FTTH的這次升級不僅是一個良好的商業命題，也是一條走向綠化的很好的道路。”該報告聲稱“隨著未來低碳經濟和提高環境管理的設想，光纖到戶解決方案是一個重要的可持續利用的網絡‘司機’常用的‘鑰匙’”。在我國，對于FTTH的使用目前僅限于一些賓館和高檔住宅小區，比如，2004年中國電信鋪設在武漢鋪設的紫松花園，大規模的部署尚需時日。本著光進銅退的發展戰略，2009年2月18日國務院召開第50次常務會議，審議并原則通過“電子信息產業調整振興規劃”，同時國家要求通過推進農村信息化建設拉動內需，這些都從政策上促進了FTTH市場的發展。預計2009年FTTH的建設規模會比2008年翻一番，EPON仍然會是FTTH建設的主流技術。GPON也將在一些省市進行一定規模的試驗和部署。

4 結論

基于PLC技術的光器件生產鏈可分為三個主要環節:PLC芯片、光纖陣列和器件封裝。對PLC芯片而言，AWG芯片主要以硅基二氧化硅光波導制作。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。目前國內已有兩條硅基二氧化硅光波導工藝線，分別屬于中科院北京半導體研究所和武漢光訊公司，后者的工藝線已經正常運轉，對國內科研院所提供了一些研究用途的PLC芯片代工服務，而其自主設計的AWG芯片也正在商品化過程中。但是，由于開發AWG芯片需要大規模的設備投資，而國外市場對可靠性的要求較高，因此除少數公司已經將產品推向國際市場，多數國內廠商在PLC項目上還比較保守，僅僅停留在技術儲備階段，如收集相關技術資料，了解設備和原材料渠道等。到目前為止，國內企業尚無產品化的AWG芯片推出，均為進口芯片進行封裝。整體來說，國內PLC產業尚處于起步階段。國外主要的AWG器件供應商有NTT Electronics、Hitachi Cable、NeoPhotonics、Ignis Photonyx、Avanex等公司。

參考文獻:

[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線路的PMD補償器的性能分析”，浙江大學學報(工學版)，40卷第1期，63-66，2006.

[3]劉旭，肖金標等，“楔形光纖與半導體多量子阱平面光波光路芯片的耦合分析”，光學學報，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.