3/9/2005, 本期JLT主編邀請(qǐng)Alan E. Willner教授就當(dāng)前光電器件制造情況辦了一個(gè)專(zhuān)刊，其論文來(lái)自10余個(gè)國(guó)家，內(nèi)容上既有一些器件公司的研究報(bào)告，也有許多一流大學(xué)和實(shí)驗(yàn)室在光電器件制造方面的最新研究成果，基本代表了這一方面的最高水平。
    光電器件通常是一個(gè)電子和光的混合加工體， 在器件制造中可以采用大量的獨(dú)特材料。而這種材料的多樣化正是光電器件集成區(qū)別于傳統(tǒng)的微電子集成的一個(gè)重要因素。 這些材料主要包括：硅，二氧化硅，鈮酸鋰，三五族材料和聚合物等。降低成本，提高生產(chǎn)率和增加器件可靠性是光電器件制造業(yè)的目標(biāo)。
    通過(guò)該專(zhuān)刊的回顧，我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前光電器件制造正從過(guò)去幾十年里所流行的手工裝配轉(zhuǎn)換到高度精確和高產(chǎn)出的自動(dòng)制造和檢測(cè)上，特別從幾個(gè)器件公司的匯報(bào)里可以發(fā)現(xiàn)制造商們已認(rèn)識(shí)到他們必須轉(zhuǎn)換裝配方法的思維模式，以減低器件成本，并加快產(chǎn)品的大量生產(chǎn)。而自動(dòng)化將為光器件集成行業(yè)提供完善的解決方案。但自動(dòng)化目前也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，極度精確性，高度的多樣化，異常的樣式因素和材料要求及波導(dǎo)要求內(nèi)在的困難都限制了當(dāng)前眾多的設(shè)備應(yīng)用于光器件集成。通過(guò)本期的評(píng)析，你或許可以從中找到一些能夠支持和解決這些困難和特殊加工要求的方案。
一、來(lái)自制造商的聲音：
    和以往的專(zhuān)刊不同，來(lái)自幾個(gè)公司的論文不是把焦點(diǎn)放在“如何去做什么”上，而是告訴大家他們最近都“做了什么”。這是一個(gè)有趣的現(xiàn)象，顯然制造商把此次專(zhuān)刊看作是向他們的顧客宣傳的一次大好機(jī)會(huì)，如果你感興趣他們會(huì)隨時(shí)為你提供工藝上的服務(wù)與支持：
    1.當(dāng)基片上光電器件制作完畢后，封裝是器件性能是否可以實(shí)現(xiàn)或發(fā)揮的關(guān)鍵，信號(hào)分配，光源/電源分配，模塊保護(hù)，恒溫散熱等在一定程度上都依賴(lài)于器件封裝。引線鍵合、超聲楔焊和覆晶鍵合都是常用的芯片鍵合封裝方式。但當(dāng)被連接材料非常微細(xì)時(shí)，在傳統(tǒng)連接方法中忽略的一些因素可能對(duì)連接過(guò)程和連接質(zhì)量起到了重要的影響。此時(shí)，適應(yīng)這種要求需要重新設(shè)計(jì)連接方法。本專(zhuān)刊三菱電子的研究人員就對(duì)電吸收（EA）調(diào)制器同電信號(hào)傳輸線的封裝進(jìn)行了探討。此類(lèi)封裝以前普遍使用的是引線鍵合（Wire bonding）技術(shù)，然而該論文指出使用引線鍵合的時(shí)候，引線的寄生自感可能?chē)?yán)重惡化EA調(diào)制器的電吸收性能。并且他們著重介紹了其對(duì)此模塊采用快速覆晶鍵合（Flip chip bonding）技術(shù)封裝的研究成果，并顯示了其最新的40GHz/s的FCB封裝EA器件。采用FCB封裝后，整個(gè)模塊的厚度、體積與重量都大幅縮小，并減少了信號(hào)延遲和噪音的產(chǎn)生。
    2.目前常用的WDM器件，主要基于薄膜濾波（TFF）、光纖光柵（FBG）以及AWG等。盡管基于TFF的WDM器件傳輸能力很難高于50GHz，但其工藝簡(jiǎn)單，對(duì)環(huán)境要求低，因此仍被廣泛使用。另外從銷(xiāo)售比重上看，采用TFF方式制作的WDM器件也是目前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品（占同類(lèi)器件市場(chǎng)份額80％以上）。TFF的原理是采用鍍膜的方式，以氣相沉積的原理，將所需膜層一層層鍍?cè)诒∑桨宀Ａ�上，�?dāng)濾波波長(zhǎng)頻帶間隔較小的時(shí)候，加工對(duì)膜層厚度，特別是應(yīng)力控制的要求也相應(yīng)提高。本期專(zhuān)刊上來(lái)自PhotonicsComm Solutions, Inc的研究者就對(duì)一個(gè)50GHz的TFF的WDM器件制造過(guò)程里，玻璃襯底和膜層間的內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，以及對(duì)光學(xué)性能的影響進(jìn)行了深入的分析，為實(shí)際加工如何選擇襯底類(lèi)型和厚度，材料的熱膨脹系數(shù)，以及如何優(yōu)化色散，帶通紋波，PMD等性能參數(shù)提供了有益的參考。
    3.通常的SMF包層外還有一層聚合物的涂覆層，用來(lái)保護(hù)光纖不受機(jī)械和化學(xué)的侵蝕。然而當(dāng)我們制作光纖光柵、光纖耦合器、光纖傳感器以及光纖連接器等光纖器件的時(shí)候，我們經(jīng)常需要將聚合物的涂覆層剝離�，F(xiàn)在常用的涂覆層剝離機(jī)都是機(jī)械式的，在剝離的過(guò)程里會(huì)與玻璃光纖直接接觸，通常包層表面都會(huì)產(chǎn)生很多微裂紋，對(duì)光纖強(qiáng)度和性能都產(chǎn)生了巨大影響。本期專(zhuān)刊里，Hahnwool Optics Inc. 的研究者為我們展示了其最新的借助熱空氣流的非接觸式光纖涂覆層剝離技術(shù)。借助該技術(shù)，在連續(xù)快速剝離涂覆層的同時(shí)，可以保證光纖強(qiáng)度幾乎不變，大大改善了原有技術(shù)。
    4.大功率的邊緣輻射半導(dǎo)體LD是光通訊領(lǐng)域重要的一類(lèi)器件，目前已廣泛應(yīng)用為放大器的泵浦源和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的二次諧波發(fā)生器。如何廉價(jià)且高效的制造這類(lèi)器件是當(dāng)前面臨的主要問(wèn)題。而對(duì)一個(gè)半導(dǎo)體激光器，其核心部件是激光棒，激光棒的好壞直接影響到激光器的最終光學(xué)特性。因此我們需要在激光棒的加工過(guò)程中進(jìn)行有效監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)激光棒性能出現(xiàn)問(wèn)題，則不需再進(jìn)行下一步的工藝。本期專(zhuān)刊里，來(lái)自Corning Inc.的研究者就為我們展示了其最新的激光棒生產(chǎn)監(jiān)控器，對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程和具體應(yīng)用都進(jìn)行了細(xì)致的說(shuō)明，并指出了其監(jiān)控器的一些潛在應(yīng)用場(chǎng)合。
    5.此外富士通的研究人員對(duì)階躍和漸變折射率光纖的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行了深入研究，特別對(duì)高斯/拋物線折射率分布的光纖制作進(jìn)行了介紹，可以設(shè)計(jì)制作出與商用光子晶體光纖對(duì)接良好的低色散光纖；而NanoOpto公司的研究人員則在本期專(zhuān)刊上發(fā)布了其納米尺度的大規(guī)模平面器件集成的新工藝，一些工藝因素如晶片參數(shù)，模塊表面粒子分布等對(duì)納米集成的影響也做了深入分析，其工藝適合大規(guī)模高效率的生產(chǎn)，有效降低了器件的成本。
二、微機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）：
    本期專(zhuān)刊大量文章涉及MEMS的具體工藝報(bào)導(dǎo)。其中特別推薦來(lái)自North Carolina大學(xué)的特邀論文，其對(duì)自由空間微光學(xué)器件的發(fā)展?fàn)顩r及主要工藝做了一個(gè)詳盡的介紹。在通訊方面，其談到由于光源的標(biāo)準(zhǔn)化，人們需要大量結(jié)構(gòu)更加緊湊的微光元器件被使用。作為例子他們介紹了他們制作的基于衍射原理的微光柵耦合器，可以有效將VCSEL陣列發(fā)射的激光聚焦耦合到光纖芯層內(nèi)，并將模間色散降到了最小值。其余關(guān)于各種MEMS器件加工的主要論文為：
    1.當(dāng)光器件芯片和光纖連接時(shí)，常常要考慮光學(xué)校準(zhǔn)，而校準(zhǔn)器的加工一直就是光纖器件典型的難點(diǎn)之一。當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展要求與LD對(duì)接時(shí)的校準(zhǔn)精度高于0.2微米，這通�？梢砸蕾�(lài)壓電陶瓷和有源反饋回路來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而在封裝鍵合的過(guò)程里，接口常常會(huì)在原有的位置上發(fā)生漂移，即便這個(gè)漂移很小，也會(huì)帶來(lái)巨大的損耗，通常的鍵合使得耦合效率均低于80％。本期專(zhuān)刊中，Lehigh大學(xué)的研究者展示了一種自適應(yīng)式的光校準(zhǔn)工藝，其利用一塊MEMS的形狀記憶合金（SMA）將載具的位置牢牢限定住，幾乎避免了任何鍵合漂移的產(chǎn)生。具體技術(shù)細(xì)節(jié)如載具的應(yīng)變也被分析，同時(shí)論文還論述了其工藝面向大規(guī)模生產(chǎn)的可行性。
    2.MEMS器件目前其實(shí)在光網(wǎng)絡(luò)里起到的作用并不多，應(yīng)用最多的場(chǎng)合就是基于MEMS的微反射鏡，來(lái)改變光的方向（如光開(kāi)關(guān)等）。其余應(yīng)用通常都需要輔助以其它光器件，比如有報(bào)導(dǎo)利用MEMS器件和一個(gè)AWG結(jié)合在一起從而實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)選擇的作用，然而這樣的應(yīng)用必須對(duì)MEMS部分獨(dú)立配置一個(gè)控制裝置，使得器件工藝復(fù)雜，成本大幅提升。本期專(zhuān)刊韓國(guó)科學(xué)院的研究者指出生長(zhǎng)于微操控平臺(tái)（MAP）上的微光波導(dǎo)（MOW）有望實(shí)現(xiàn)MEMS技術(shù)和光器件的有機(jī)結(jié)合，拓展MEMS器件在光通訊中的應(yīng)用范圍，做為例子，他們展示了基于這一技術(shù)生產(chǎn)的波長(zhǎng)選擇器和可調(diào)VOA器件，器件結(jié)構(gòu)緊湊，性能優(yōu)越。此外，他們還將這一概念引入了光纖熔融拉錐這一工藝，靈活高效的控制了頻譜響應(yīng)，并極大提高了輸出功率。
    3.現(xiàn)代光通訊的發(fā)展中，包括光調(diào)制，光交換在內(nèi)的眾多應(yīng)用場(chǎng)合都需要擁有大量可實(shí)時(shí)重構(gòu)的元器件（如光開(kāi)關(guān)、光束操縱和波前矯正等）。對(duì)于這些實(shí)時(shí)控制的要求，采用電驅(qū)動(dòng)的液晶來(lái)實(shí)現(xiàn)是我們很容易想到的。其實(shí)早在十幾年前就已經(jīng)有人把電驅(qū)動(dòng)的液晶微透鏡陣列應(yīng)用在了光互連網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。本期專(zhuān)刊里，韓國(guó)Hanyang大學(xué)的研究者則對(duì)基于列向液晶材料的電控微透鏡陣列的制造工藝進(jìn)行了深入介紹。其制造的微透鏡陣列在電驅(qū)動(dòng)下，其焦距能在微秒量級(jí)內(nèi)發(fā)生改變，并指出如果使用鐵電LC材料，速度還可能提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。制造過(guò)程可以保證幾乎不存在任何微結(jié)構(gòu)對(duì)光發(fā)生散射，這比起常用的聚合物色散元件，大大提高了光的利用效率和響應(yīng)速度。
此外埃及的研究者還利用蒙特卡羅算法對(duì)MEMS器件大規(guī)模加工過(guò)程里可能出現(xiàn)因素的影響進(jìn)行了預(yù)估，其分析過(guò)程和部分結(jié)論也比較有趣。
(浙江大學(xué)宋軍博士)