在光學器件制造領(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光模塊上，并用現(xiàn)有的半導體制造工藝技術(shù)實現(xiàn)光器件的大批量生產(chǎn)，從而大幅度降低光學器件的成本。本文概要介紹了亞波長光學器件(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，值得引起中國電子行業(yè)的密切關(guān)注。 
    當今基于晶圓的納米級加工技術(shù)已進入商用化階段，使得被稱為亞波長光學器件(SOE)的最新一代光學器件的實現(xiàn)成為可能。由于SOE的物理結(jié)構(gòu)遠小于光波長，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系統(tǒng)設計的方法。
    不過就像任何其它新技術(shù)一樣，設計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(對光學器件設計方面)，同時也要了解新技術(shù)革命的意義。
傳統(tǒng)技術(shù)的限制
    集成化光學器件和模塊設計在離散光學元件的組合方面已經(jīng)達到了很高的復雜度，光學材料及其化合物的屬性、智能的光學設計和先進的排列組裝法的靈活運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。許多離散光學元件的自然屬性比較固定，極大地限制了光器件設計師的靈活性，并減少了設計間的可轉(zhuǎn)移性。這就是業(yè)界推出SOE的原因所在。 
    SOE是納米技術(shù)在光學元件上成功的運用，這些器件能夠提供優(yōu)秀的光學屬性，同時能方便地集成其它不同配置的光學材料。另外，它們能夠自動整合，允許設計師靈活組合光學功能，因此可以減少部件數(shù)量，提高可靠性，增加光學器件設計的靈活性。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效應。 
動作機理 
    光與亞波長光柵結(jié)構(gòu)(尺寸要比入射光波長小一個或多個數(shù)量級的一維或多維光柵)間的相互作用可以產(chǎn)生大量可控制的效應。 
    為了解釋這些效應，請參考圖1所示的一個簡單亞波長光柵結(jié)構(gòu)，它包含一個構(gòu)筑于光學襯底上的亞波長光柵結(jié)構(gòu)。當光正常入射到結(jié)構(gòu)上時，光的傳送部分(即通過光柵結(jié)構(gòu)的部分)會受到影響。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雜的效應，如獨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，對發(fā)送光的影響效果實際上就是光與光柵之間多種局部作用的統(tǒng)計和。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100萬的納米結(jié)構(gòu)會被照射到。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處理效應。 
    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格運用。在電信領(lǐng)域使用的波長(980-1,800nm) 區(qū)間內(nèi)，那些要求達到這些效應的光柵結(jié)構(gòu)的一些尺寸必須要達到十至數(shù)百納米等級。在更小尺寸時，還可以觀察到單個電子或量子效應。 
    雖然反射、折射、衍射和干涉原理描述了傳統(tǒng)光學元件的行為，但對SOE來說描述傳統(tǒng)光行為的方程已經(jīng)不能完全覆蓋所有現(xiàn)象，因為這時會有量子機械效應發(fā)生。 
    在許多應用中亞波長結(jié)構(gòu)被用作納米級衍射光柵，它與入射光的互作用可以用嚴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建模�？紤]到折射情況，在光學元件中會產(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。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)就可以獲得比標準元件大得多的雙折射效應。 
    許多SOE都具有周期性圖案，因此把它當作光柵看待。當投射光垂直于光柵表面時，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。當光柵周期小于工作波長時(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在很寬范圍的波長和接受角情況下具有相對一致的性能。 
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)在才推向電信市場呢？主要原因是可制造性。雖然這些光學效應的研究歷史至少有20年了，但一直沒有開發(fā)出性價比非常好的光學元件制造方案。在實驗環(huán)境中創(chuàng)建亞波長光柵結(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個關(guān)鍵步驟：生成印有想要納米結(jié)構(gòu)負片的模版；將這個模版刻印到覆蓋有保護層(抗腐蝕劑)的晶圓上；分離開模版，用活性離子蝕刻法仔細地去除保護層，以便將納米圖案傳送到目標材料上(見圖3)； 
    然后，再采用后刻印工藝增加金屬層來增強性能，并提供保護層使其在標準制造環(huán)境條件下能被正常操作。隨后進行測試和分塊切割。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，因此保護層中的波衍射、散射和干涉不會影響制造過程。 
    二氧化硅通常用來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)負片。由于模版是可以復制和復用的，因此可以用復雜的多步驟多工藝方法創(chuàng)建想要的納米結(jié)構(gòu)。由于不需要對每批產(chǎn)品化晶圓重復那些最初的加工步驟，因此一個特定SOE的整個生產(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備，最終的SOE是一塊在襯底的一面有一個亞波長光柵的光學芯片，如圖1所示。整個元件的厚度取決于襯底的厚度。 
SOE應用 
    使用SOE的實際效果可以通過一個特定實例-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光柵結(jié)構(gòu)的尺寸，就可以像所述的那樣發(fā)送一個極化波，反射另外一個正交的極化波。從這個角度看，亞波長衍射光柵只表現(xiàn)出零階衍射，因此具有大量有用的成分特性，包括很寬波長范圍內(nèi)的一致性能(光柵結(jié)構(gòu)在980nm到1,800nm波長范圍內(nèi)的性能是相同的)以及比正常值偏差高達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帶來的好處主要體現(xiàn)在二個方面。首先，SOE在光學元件設計中具有結(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計。由于SOE能夠和其它元件緊鄰擺放達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，才使設計師能夠通過光束路徑的布局簡化器件設計。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)的高能量設備。 
     其次，還有制造方面的便利。寬的接收角能夠簡化校正工藝，減少制造時間和成本，同時還能利用自動化的“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，從而適應各種不同的制造工藝環(huán)境。最后，尺寸的減小還可以簡化封裝工藝，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、光交換機和可變光衰耗器等設備。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。 
SOE的未來 
    目前推出的設備只是SOE的最基本應用，今后SOE還將向其它方向不斷發(fā)展�；�于SOE的塊創(chuàng)建功能將被同時引入芯片和封裝器件設計中。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備，還可以對交換、衰減和調(diào)諧進行動態(tài)控制。 
    通過堆疊SOE層創(chuàng)建匯集式光效應可以開發(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，無需再采取層壓技術(shù)。將SOE與光學活動層結(jié)合起來可以建立光控電路，從而生成復雜的“片上”光學元件。多層SOE集成技術(shù)也表現(xiàn)出色，它能把光檢測器陣列與濾波器集成在一起來創(chuàng)建動態(tài)的光反饋回路。 
    由于SOE具有自兼容性，能利用晶圓級制造技術(shù)生產(chǎn)，且器件與器件之間很少有區(qū)別，因此實現(xiàn)它們相對比較容易。 
原文轉(zhuǎn)載自《電子工程專輯》