基于半导体工艺的微型光器件制造技术

    在光学器件制造领域，人们一直试图将光放大器、激光器、隔离器、光开关、滤光器和可调性等器件或功能集成在一个光模块上，并用现有的半导体制造工艺技术实现光器件的大批量生产，从而大幅度降低光学器件的成本。本文概要介绍了亚波长光学器件(SOE)制造技术，它向人们展示了微型光通信器件制造技术的重大变革，值得引起中国电子行业的密切关注。 
    当今基于晶圆的纳米级加工技术已进入商用化阶段，使得被称为亚波长光学器件(SOE)的最新一代光学器件的实现成为可能。由于SOE的物理结构远小于光波长，其高精度表面结构与光相互间的物理作用能够促成光处理功能的重新排列。与现有的许多技术相比，这种排列方式能够产生更高的密度、更佳的性能和更高的集成度，从而根本上改变光学系统设计的方法。
    不过就像任何其它新技术一样，设计师必须清楚地理解该技术所包含的基本概念及其潜在影响(对光学器件设计方面)，同时也要了解新技术革命的意义。 
传统技术的限制 
    集成化光学器件和模块设计在离散光学元件的组合方面已经达到了很高的复杂度，光学材料及其化合物的属性、智能的光学设计和先进的排列组装法的灵活运用不仅提高了器件和模块的密度，还降低了成本，提高了可靠性。但局限性也很明显。许多离散光学元件的自然属性比较固定，极大地限制了光器件设计师的灵活性，并减少了设计间的可转移性。这就是业界推出SOE的原因所在。 
    SOE是纳米技术在光学元件上成功的运用，这些器件能够提供优秀的光学属性，同时能方便地集成其它不同配置的光学材料。另外，它们能够自动整合，允许设计师灵活组合光学功能，因此可以减少部件数量，提高可靠性，增加光学器件设计的灵活性。通过控制光束路径中的纳米结构还可以获得各种不同的光学效应。 
动作机理 
    光与亚波长光栅结构(尺寸要比入射光波长小一个或多个数量级的一维或多维光栅)间的相互作用可以产生大量可控制的效应。 
    为了解释这些效应，请参考图1所示的一个简单亚波长光栅结构，它包含一个构筑于光学衬底上的亚波长光栅结构。当光正常入射到结构上时，光的传送部分(即通过光栅结构的部分)会受到影响。通过调整光栅结构的尺寸、形状和间距就可以改变对通过光的影响。特别是图1所示的一维光栅结构，通过选择合适的尺寸就可以形成极化器、波盘或极化型滤波器。利用图2所示的二维光栅还能获得更复杂的效应，如独立于极化功能的滤波器。这些结构统称为SOE。 
    由于入射光束的直径通常要比光栅结构大得多，对发送光的影响效果实际上就是光与光栅之间多种局部作用的统计和。例如，如果一束直径为300微米的光束入射到图2所示的二维光栅上，光栅结构尺寸大约是100×100纳米，那么将有超过100万的纳米结构会被照射到。因此改变通过入射光束前面的光栅空间尺寸可以有效地控制光学处理效应。
    SOE的物理性能取决于描述光与光栅结构间相互作用的麦克斯韦方程边界条件的严格运用。在电信领域使用的波长(980-1,800nm) 区间内，那些要求达到这些效应的光栅结构的一些尺寸必须要达到十至数百纳米等级。在更小尺寸时，还可以观察到单个电子或量子效应。 
    虽然反射、折射、衍射和干涉原理描述了传统光学元件的行为，但对SOE来说描述传统光行为的方程已经不能完全覆盖所有现象，因为这时会有量子机械效应发生。 
    在许多应用中亚波长结构被用作纳米级衍射光栅，它与入射光的互作用可以用严格的衍射光栅理论和上面提及的麦克斯韦方程边界条件来建模。考虑到折射情况，在光学元件中会产生一种重要特性。一般情况下要获得不同的折射指数必须使用不同的材料。但在SOE中只需调整物理结构就可以用相同的材料获得不同的折射指数。例如，可以用SOE结构创建“人工”双折射效应。假如a代表光栅周期，t代表光栅宽度，那么TE波的折射指数nte(电子向量平行于光栅沟道)和TM波的折射指数ntm(电子向量垂直于光栅沟道)将分别表示为： 
    这里n1代表光栅材料的介电常数，n2是填充材料的介电常数，f是光栅填充系数，它被定义为f=t/a。通过选择SOE材料和调整光栅填充系数就可以获得比标准元件大得多的双折射效应。 
    许多SOE都具有周期性图案，因此把它当作光栅看待。当投射光垂直于光栅表面时，传统的光栅公式可以被表示为： 
    公式中a代表光栅的周期，Qm代表衍射角，m是光栅阶数，而l则是波长。当光栅周期小于工作波长时(通常SOE都具有这样的特性)，入射光仍然从属于光栅衍射。然而，入射光的所有衍射光能将进入零阶状态，在物理空间将不存在高阶光能。因此SOE在很宽范围的波长和接受角情况下具有相对一致的性能。 
为什么现在才推出SOE？
    既然有这样的灵活性，为什么SOE到现在才推向电信市场呢？主要原因是可制造性。虽然这些光学效应的研究历史至少有20年了，但一直没有开发出性价比非常好的光学元件制造方案。在实验环境中创建亚波长光栅结构一般需要采用电子束蚀刻等高能量技术，或者特别高精度的工艺控制，如通过“自排列”生成纳米结构。其次，创建大量纳米结构图案的工艺一致性必须要好。许多创建纳米图案的技术只能生成有限的若干图案。 
    纳米印刷蚀刻技术可以克服这些限制因素，它具有4个关键步骤：生成印有想要纳米结构负片的模版；将这个模版刻印到覆盖有保护层(抗腐蚀剂)的晶圆上；分离开模版，用活性离子蚀刻法仔细地去除保护层，以便将纳米图案传送到目标材料上(见图3)； 
    然后，再采用后刻印工艺增加金属层来增强性能，并提供保护层使其在标准制造环境条件下能被正常操作。随后进行测试和分块切割。由于纳米刻印法是通过直接的物理工艺而不是能量束形成纳米结构的SOE的，因此保护层中的波衍射、散射和干涉不会影响制造过程。 
    二氧化硅通常用来生成具有想要纳米结构图案的模版。可以用包括电子束蚀刻在内的多种技术创建想要的纳米结构负片。由于模版是可以复制和复用的，因此可以用复杂的多步骤多工艺方法创建想要的纳米结构。由于不需要对每批产品化晶圆重复那些最初的加工步骤，因此一个特定SOE的整个生产过程可以分步分期完成。在相同的制造工艺下可以利用具有不同纳米结构图案的不同模版生成全系列的SOE产品。

    未封装的SOE可以用于自由空间设备，最终的SOE是一块在衬底的一面有一个亚波长光栅的光学芯片，如图1所示。整个元件的厚度取决于衬底的厚度。 
SOE应用
    使用SOE的实际效果可以通过一个特定实例-SOE极化束分离器/合成器或PBS/C(见图4)获得。通过正确选择一维亚波长光栅结构的尺寸，就可以像所述的那样发送一个极化波，反射另外一个正交的极化波。从这个角度看，亚波长衍射光栅只表现出零阶衍射，因此具有大量有用的成分特性，包括很宽波长范围内的一致性能(光栅结构在980nm到1,800nm波长范围内的性能是相同的)以及比正常值偏差高达20°的宽范围入射角。 
    SOE PBS的典型性能参数表现在反射束与发射束上的插入损耗均小于0.13dB。发送束和反射束的消光比分别高出40dB和20dB。SOE的灵活性还允许人们围绕这些参数中作出权衡。 

    PBC/C SOE带来的好处主要体现在二个方面。首先，SOE在光学元件设计中具有结构上的优越性。由于它们的体积都比较小，因此能作出更紧凑的元件设计。由于SOE能够和其它元件紧邻摆放达到空闲空间的最小化，因此能减小插入损耗。 
    不同元件有不同的光处理方式，例如极化束分离器就是一个在小于1微米厚度上获得180°分离效果的反射器件。正是由于这些不同方式的存在，才使设计师能够通过光束路径的布局简化器件设计。另外，SOE PBS的自然反射特性也使其能支持与激光发送器和光纤放大器有关的高能量设备。 
    其次，还有制造方面的便利。宽的接收角能够简化校正工艺，减少制造时间和成本，同时还能利用自动化的“选取置放”制造技术。SOE具有很好的鲁棒性：通过正确选择材料可以使它们承受-200°C到400°C的温度范围，从而适应各种不同的制造工艺环境。最后，尺寸的减小还可以简化封装工艺，降低封装成本。 
    目前SOE PBS/C已经被广泛使用于光纤放大器、循环器和隔离器、交织器、光交换机和可变光衰耗器等设备。与传统技术相比，它的小尺寸和低功耗特性是一大亮点。
SOE的未来
    目前推出的设备只是SOE的最基本应用，今后SOE还将向其它方向不断发展。基于SOE的块创建功能将被同时引入芯片和封装器件设计中。经过论证的SOE功能涵盖了极化器、极化束分离器/合成器、滤波器、光检查器和光子带隙设备，还可以对交换、衰减和调谐进行动态控制。 
    通过堆叠SOE层创建汇集式光效应可以开发出单片集成的SOE产品。纳米刻印法允许在SOE上直接置层，无需再采取层压技术。将SOE与光学活动层结合起来可以建立光控电路，从而生成复杂的“片上”光学元件。多层SOE集成技术也表现出色，它能把光检测器阵列与滤波器集成在一起来创建动态的光反馈回路。 
    由于SOE具有自兼容性，能利用晶圆级制造技术生产，且器件与器件之间很少有区别，因此实现它们相对比较容易。