在光學(xué)器件制造領(lǐng)域，人們一直試圖將光放大器、激光器、隔離器、光開關(guān)、濾光器和可調(diào)性等器件或功能集成在一個(gè)光模塊上，并用現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)光器件的大批量生產(chǎn)，從而大幅度降低光學(xué)器件的成本。本文概要介紹了亞波長(zhǎng)光學(xué)器件(SOE)制造技術(shù)，它向人們展示了微型光通信器件制造技術(shù)的重大變革，值得引起中國(guó)電子行業(yè)的密切關(guān)注。 
    當(dāng)今基于晶圓的納米級(jí)加工技術(shù)已進(jìn)入商用化階段，使得被稱為亞波長(zhǎng)光學(xué)器件(SOE)的最新一代光學(xué)器件的實(shí)現(xiàn)成為可能。由于SOE的物理結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于光波長(zhǎng)，其高精度表面結(jié)構(gòu)與光相互間的物理作用能夠促成光處理功能的重新排列。與現(xiàn)有的許多技術(shù)相比，這種排列方式能夠產(chǎn)生更高的密度、更佳的性能和更高的集成度，從而根本上改變光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。
    不過就像任何其它新技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)師必須清楚地理解該技術(shù)所包含的基本概念及其潛在影響(對(duì)光學(xué)器件設(shè)計(jì)方面)，同時(shí)也要了解新技術(shù)革命的意義。 
傳統(tǒng)技術(shù)的限制 
    集成化光學(xué)器件和模塊設(shè)計(jì)在離散光學(xué)元件的組合方面已經(jīng)達(dá)到了很高的復(fù)雜度，光學(xué)材料及其化合物的屬性、智能的光學(xué)設(shè)計(jì)和先進(jìn)的排列組裝法的靈活運(yùn)用不僅提高了器件和模塊的密度，還降低了成本，提高了可靠性。但局限性也很明顯。許多離散光學(xué)元件的自然屬性比較固定，極大地限制了光器件設(shè)計(jì)師的靈活性，并減少了設(shè)計(jì)間的可轉(zhuǎn)移性。這就是業(yè)界推出SOE的原因所在。 
    SOE是納米技術(shù)在光學(xué)元件上成功的運(yùn)用，這些器件能夠提供優(yōu)秀的光學(xué)屬性，同時(shí)能方便地集成其它不同配置的光學(xué)材料。另外，它們能夠自動(dòng)整合，允許設(shè)計(jì)師靈活組合光學(xué)功能，因此可以減少部件數(shù)量，提高可靠性，增加光學(xué)器件設(shè)計(jì)的靈活性。通過控制光束路徑中的納米結(jié)構(gòu)還可以獲得各種不同的光學(xué)效應(yīng)。 
動(dòng)作機(jī)理 
    光與亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)(尺寸要比入射光波長(zhǎng)小一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)的一維或多維光柵)間的相互作用可以產(chǎn)生大量可控制的效應(yīng)。 
    為了解釋這些效應(yīng)，請(qǐng)參考圖1所示的一個(gè)簡(jiǎn)單亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，它包含一個(gè)構(gòu)筑于光學(xué)襯底上的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)光正常入射到結(jié)構(gòu)上時(shí)，光的傳送部分(即通過光柵結(jié)構(gòu)的部分)會(huì)受到影響。通過調(diào)整光柵結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和間距就可以改變對(duì)通過光的影響。特別是圖1所示的一維光柵結(jié)構(gòu)，通過選擇合適的尺寸就可以形成極化器、波盤或極化型濾波器。利用圖2所示的二維光柵還能獲得更復(fù)雜的效應(yīng)，如獨(dú)立于極化功能的濾波器。這些結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為SOE。 
    由于入射光束的直徑通常要比光柵結(jié)構(gòu)大得多，對(duì)發(fā)送光的影響效果實(shí)際上就是光與光柵之間多種局部作用的統(tǒng)計(jì)和。例如，如果一束直徑為300微米的光束入射到圖2所示的二維光柵上，光柵結(jié)構(gòu)尺寸大約是100×100納米，那么將有超過100萬(wàn)的納米結(jié)構(gòu)會(huì)被照射到。因此改變通過入射光束前面的光柵空間尺寸可以有效地控制光學(xué)處理效應(yīng)。
    SOE的物理性能取決于描述光與光柵結(jié)構(gòu)間相互作用的麥克斯韋方程邊界條件的嚴(yán)格運(yùn)用。在電信領(lǐng)域使用的波長(zhǎng)(980-1,800nm) 區(qū)間內(nèi)，那些要求達(dá)到這些效應(yīng)的光柵結(jié)構(gòu)的一些尺寸必須要達(dá)到十至數(shù)百納米等級(jí)。在更小尺寸時(shí)，還可以觀察到單個(gè)電子或量子效應(yīng)。 
    雖然反射、折射、衍射和干涉原理描述了傳統(tǒng)光學(xué)元件的行為，但對(duì)SOE來(lái)說描述傳統(tǒng)光行為的方程已經(jīng)不能完全覆蓋所有現(xiàn)象，因?yàn)檫@時(shí)會(huì)有量子機(jī)械效應(yīng)發(fā)生。 
    在許多應(yīng)用中亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)被用作納米級(jí)衍射光柵，它與入射光的互作用可以用嚴(yán)格的衍射光柵理論和上面提及的麥克斯韋方程邊界條件來(lái)建模�？紤]到折射情況，在光學(xué)元件中會(huì)產(chǎn)生一種重要特性。一般情況下要獲得不同的折射指數(shù)必須使用不同的材料。但在SOE中只需調(diào)整物理結(jié)構(gòu)就可以用相同的材料獲得不同的折射指數(shù)。例如，可以用SOE結(jié)構(gòu)創(chuàng)建“人工”雙折射效應(yīng)。假如a代表光柵周期，t代表光柵寬度，那么TE波的折射指數(shù)nte(電子向量平行于光柵溝道)和TM波的折射指數(shù)ntm(電子向量垂直于光柵溝道)將分別表示為： 
    這里n1代表光柵材料的介電常數(shù)，n2是填充材料的介電常數(shù)，f是光柵填充系數(shù)，它被定義為f=t/a。通過選擇SOE材料和調(diào)整光柵填充系數(shù)就可以獲得比標(biāo)準(zhǔn)元件大得多的雙折射效應(yīng)。 
    許多SOE都具有周期性圖案，因此把它當(dāng)作光柵看待。當(dāng)投射光垂直于光柵表面時(shí)，傳統(tǒng)的光柵公式可以被表示為： 
    公式中a代表光柵的周期，Qm代表衍射角，m是光柵階數(shù)，而l則是波長(zhǎng)。當(dāng)光柵周期小于工作波長(zhǎng)時(shí)(通常SOE都具有這樣的特性)，入射光仍然從屬于光柵衍射。然而，入射光的所有衍射光能將進(jìn)入零階狀態(tài)，在物理空間將不存在高階光能。因此SOE在很寬范圍的波長(zhǎng)和接受角情況下具有相對(duì)一致的性能。 
為什么現(xiàn)在才推出SOE？
    既然有這樣的靈活性，為什么SOE到現(xiàn)在才推向電信市場(chǎng)呢？主要原因是可制造性。雖然這些光學(xué)效應(yīng)的研究歷史至少有20年了，但一直沒有開發(fā)出性價(jià)比非常好的光學(xué)元件制造方案。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中創(chuàng)建亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)一般需要采用電子束蝕刻等高能量技術(shù)，或者特別高精度的工藝控制，如通過“自排列”生成納米結(jié)構(gòu)。其次，創(chuàng)建大量納米結(jié)構(gòu)圖案的工藝一致性必須要好。許多創(chuàng)建納米圖案的技術(shù)只能生成有限的若干圖案。 
    納米印刷蝕刻技術(shù)可以克服這些限制因素，它具有4個(gè)關(guān)鍵步驟：生成印有想要納米結(jié)構(gòu)負(fù)片的模版；將這個(gè)模版刻印到覆蓋有保護(hù)層(抗腐蝕劑)的晶圓上；分離開模版，用活性離子蝕刻法仔細(xì)地去除保護(hù)層，以便將納米圖案?jìng)魉偷侥繕?biāo)材料上(見圖3)； 
    然后，再采用后刻印工藝增加金屬層來(lái)增強(qiáng)性能，并提供保護(hù)層使其在標(biāo)準(zhǔn)制造環(huán)境條件下能被正常操作。隨后進(jìn)行測(cè)試和分塊切割。由于納米刻印法是通過直接的物理工藝而不是能量束形成納米結(jié)構(gòu)的SOE的，因此保護(hù)層中的波衍射、散射和干涉不會(huì)影響制造過程。 
    二氧化硅通常用來(lái)生成具有想要納米結(jié)構(gòu)圖案的模版�？梢杂冒�括電子束蝕刻在內(nèi)的多種技術(shù)創(chuàng)建想要的納米結(jié)構(gòu)負(fù)片。由于模版是可以復(fù)制和復(fù)用的，因此可以用復(fù)雜的多步驟多工藝方法創(chuàng)建想要的納米結(jié)構(gòu)。由于不需要對(duì)每批產(chǎn)品化晶圓重復(fù)那些最初的加工步驟，因此一個(gè)特定SOE的整個(gè)生產(chǎn)過程可以分步分期完成。在相同的制造工藝下可以利用具有不同納米結(jié)構(gòu)圖案的不同模版生成全系列的SOE產(chǎn)品。

    未封裝的SOE可以用于自由空間設(shè)備，最終的SOE是一塊在襯底的一面有一個(gè)亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)芯片，如圖1所示。整個(gè)元件的厚度取決于襯底的厚度。 
SOE應(yīng)用
    使用SOE的實(shí)際效果可以通過一個(gè)特定實(shí)例-SOE極化束分離器/合成器或PBS/C(見圖4)獲得。通過正確選擇一維亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的尺寸，就可以像所述的那樣發(fā)送一個(gè)極化波，反射另外一個(gè)正交的極化波。從這個(gè)角度看，亞波長(zhǎng)衍射光柵只表現(xiàn)出零階衍射，因此具有大量有用的成分特性，包括很寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的一致性能(光柵結(jié)構(gòu)在980nm到1,800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的性能是相同的)以及比正常值偏差高達(dá)20°的寬范圍入射角。 
    SOE PBS的典型性能參數(shù)表現(xiàn)在反射束與發(fā)射束上的插入損耗均小于0.13dB。發(fā)送束和反射束的消光比分別高出40dB和20dB。SOE的靈活性還允許人們圍繞這些參數(shù)中作出權(quán)衡。 

    PBC/C SOE帶來(lái)的好處主要體現(xiàn)在二個(gè)方面。首先，SOE在光學(xué)元件設(shè)計(jì)中具有結(jié)構(gòu)上的優(yōu)越性。由于它們的體積都比較小，因此能作出更緊湊的元件設(shè)計(jì)。由于SOE能夠和其它元件緊鄰擺放達(dá)到空閑空間的最小化，因此能減小插入損耗。 
    不同元件有不同的光處理方式，例如極化束分離器就是一個(gè)在小于1微米厚度上獲得180°分離效果的反射器件。正是由于這些不同方式的存在，才使設(shè)計(jì)師能夠通過光束路徑的布局簡(jiǎn)化器件設(shè)計(jì)。另外，SOE PBS的自然反射特性也使其能支持與激光發(fā)送器和光纖放大器有關(guān)的高能量設(shè)備。 
    其次，還有制造方面的便利。寬的接收角能夠簡(jiǎn)化校正工藝，減少制造時(shí)間和成本，同時(shí)還能利用自動(dòng)化的“選取置放”制造技術(shù)。SOE具有很好的魯棒性：通過正確選擇材料可以使它們承受-200°C到400°C的溫度范圍，從而適應(yīng)各種不同的制造工藝環(huán)境。最后，尺寸的減小還可以簡(jiǎn)化封裝工藝，降低封裝成本。 
    目前SOE PBS/C已經(jīng)被廣泛使用于光纖放大器、循環(huán)器和隔離器、交織器、光交換機(jī)和可變光衰耗器等設(shè)備。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，它的小尺寸和低功耗特性是一大亮點(diǎn)。
SOE的未來(lái)
    目前推出的設(shè)備只是SOE的最基本應(yīng)用，今后SOE還將向其它方向不斷發(fā)展。基于SOE的塊創(chuàng)建功能將被同時(shí)引入芯片和封裝器件設(shè)計(jì)中。經(jīng)過論證的SOE功能涵蓋了極化器、極化束分離器/合成器、濾波器、光檢查器和光子帶隙設(shè)備，還可以對(duì)交換、衰減和調(diào)諧進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。 
    通過堆疊SOE層創(chuàng)建匯集式光效應(yīng)可以開發(fā)出單片集成的SOE產(chǎn)品。納米刻印法允許在SOE上直接置層，無(wú)需再采取層壓技術(shù)。將SOE與光學(xué)活動(dòng)層結(jié)合起來(lái)可以建立光控電路，從而生成復(fù)雜的“片上”光學(xué)元件。多層SOE集成技術(shù)也表現(xiàn)出色，它能把光檢測(cè)器陣列與濾波器集成在一起來(lái)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)的光反饋回路。 
    由于SOE具有自兼容性，能利用晶圓級(jí)制造技術(shù)生產(chǎn)，且器件與器件之間很少有區(qū)別，因此實(shí)現(xiàn)它們相對(duì)比較容易。