在光學元件製造領域，人們一直試圖將光放大器、雷射器、隔離器、光開關、濾光器和可調性等元件或功能整合在一個光模組上，並用現有的半導體製造製程技術實現光元件的大量產，因而大幅度降低光學元件的成本。本文概要介紹了次波長光學元件(SOE)製造技術，它向人們展示了微型光通訊元件製造技術的重大變革，值得電子產業的密切關注。
目前基於晶圓的奈米級加工技術已進入商用化階段，使得被稱為次波長光學元件(SOE)的最新一代光學元件的實現成為可能。由於SOE的實體結構遠小於光波長，其高精密度表面結構與光相互間的實體作用能夠促成光處理功能的重新排列。與現有的許多技術相較，這種排列方式能夠產生更高的密度、更佳的性能和更高的整合度，因而根本上改變光學系統設計方法。
不過就像任何其它新技術一樣，設計師必須清楚地理解該技術所包含的基本概念及其潛在影響(對光學元件設計方面)，同時也要了解新技術革命的意義。
傳統技術的限制
整合光學元件和模組設計在離散光學元件的組合方面的複雜度已獲得大幅提升，光學材料及其化合物的屬性、智慧的光學設計和先進的排列組裝法的靈活運用不僅提高了元件和模組的密度，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，大幅限制了光元件設計師的靈活性，並減少了設計間的可轉移性。這就是業界推出SOE的原因所在。
SOE是奈米技術在光學元件上成功的運用，這些元件能夠提供優秀的光學屬性，同時能方便地整合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，因此可以減少元件數量，提高可靠性，增加光學元件設計靈活性。透過控制光束路徑中的奈米結構還可以獲得各種不同的光學效應。
動作機理
光與次波長光柵結構(尺寸要比入射光波長小一個或多個數量級的一維或多維光柵)間的相互作用可以產生大量可控制的效應。
為了解釋這些效應，請參考圖1所示的一個簡單次波長光柵結構，它包含一個構築於光學底板上的次波長光柵結構。當光正常入射到結構上時，光的傳送部份(即透過光柵結構的部份)會受到影響。藉由調整光柵結構的尺寸、形狀和間距就可以改變對通過光的影響。特別是圖1所示的一維光柵結構，透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複雜的效應，如獨立於極化功能的濾波器。這些結構統稱為SOE。
由於入射光束的直徑通常要比光柵結構大得多，對發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，光柵結構尺寸大約是100×100奈米，那麼將有超過100萬的奈米結構會被照射到。因此改變藉由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的實體性能取決於描述光與光柵結構間相互作用的麥克斯韋方程邊界條件的嚴格運用。在電信領域使用的波長(980-1800nm)區間內，那些要求達到這些效應的光柵結構的一些尺寸必須要達到十至數百奈米等級。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、繞射和干涉原理描述了傳統光學元件的行為，但對SOE來說描述傳統光行為的方程已經不能完全覆蓋所有現象，因為這時會有量子機械效應產生。
在許多應用中次波長結構被作為奈米級繞射光柵，它與入射光的互作用可以用嚴格的繞射光柵理論和上面提及的麥克斯韋方程邊界條件來建模。考慮到折射情況，在光學元件中會產生一種重要特性。一般情況下要獲得不同的折射指數必須使用不同的材料。但在SOE中只需調整實體結構就可以用相同的材料獲得不同的折射指數。例如，可以用SOE結構製作‘人工’雙折射效應。假如a代表光柵周期，t代表光柵寬度，那麼TE波的折射指數nte(電子向量平行於光柵通道)和TM波的折射指數ntm(電子向量垂直於光柵通道)將分別表示為：
這�n1代表光柵材料的介電常數，n2是填充材料的介電常數，f是光柵填充係數，它被定義為f=t/a。藉由選擇SOE材料和調整光柵填充係數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。當投射光垂直於光柵表面時，傳統的光柵公式可以被表示為：
公式中a代表光柵的周期，Qm代表繞射角，m是光柵階數，而l則是波長。當光柵周期小於工作波長時(通常SOE都具有這樣的特性)，入射光仍然從屬於光柵繞射。然而，入射光的所有繞射光能將進入零階狀態，在實體空間將不存在高階光能。因此SOE在很寬範圍的波長和接受角情況下具有相對一致的性能。
為什麼現在才推出SOE？
既然有這樣的靈活性，為什麼SOE到現在才投入電信市場呢？主要原因是可製造性。雖然這些光學效應的研究歷史至少有20年了，但一直沒有開發出性價比非常好的光學元件製造方案。在實驗環境中製作次波長光柵結構一般需要採用電子束蝕刻等高能量技術，或者特別高精密度的製程控制，如透過‘自排列’產生奈米結構。其次，製作大量奈米結構圖案的製程一致性必須要好。許多製作奈米圖案的技術只能產生有限的若干圖案。
奈米印刷蝕刻技術可以克服這些限制因素，它具有4個關鍵步驟：產生印有想要奈米結構負片的模版；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，以便將奈米圖案傳送到目標材料上(見圖3)；
然後，再採用後刻印製程增加金屬層來增強性能，並提供保護層使其在標準製造環境條件下能被正常作業。隨後進行測試和分塊切割。由於奈米刻印法是透過直接的實體製程而不是能量束形成奈米結構的SOE的，因此保護層中的波繞射、散射和干涉不會影響製造過程。
二氧化矽通常用來產生具有想要奈米結構圖案的模版。可以用包括電子束蝕刻在內的多種技術製作想要的奈米結構負片。由於模版是可以複製和再使用的，因此可以用複雜的多步驟多製程方法製作想要的奈米結構。由於不需要對每批產品化晶圓重覆那些最初的加工步驟，因此一個特定SOE的整個生產過程可以分步分期完成。在相同的製造製程下可以利用具有不同奈米結構圖案的不同模版產生全系列的SOE產品。
未封裝的SOE可以用於自由空間設備，最終的SOE是一塊在底板的一面有一個次波長光柵的光學晶片，如圖1所示。整個元件的厚度取決於底板的厚度。
SOE的應用實例
使用SOE的實際效果可以透過一個特定實例－SOE極化束分離器╱合成器或PBS/C(見圖4)獲得。藉由正確選擇一維次波長光柵結構的尺寸，就可以像所述的那樣發送一個極化波，反射另外一個正交的極化波。從這個角度看，次波長繞射光柵只表現出零階繞射，因此具有大量有用的成分特性，包括很寬波長範圍內的一致性能(光柵結構在980nm到1,800nm波長範圍內的性能是相同的)以及比正常值偏差高達20°的寬範圍入射角。
SOE PBS的典型性能參數表現在反射束與發射束上的插入損耗均小於0.13dB。發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中作出權衡。
PBC/C SOE帶來的好處主要體現在二個方面。首先，SOE在光學元件設計中具有結構上的優越性。由於它們的體積都比較小，因此能作出更緊密的元件設計。由於SOE能夠和其它元件緊鄰擺放達到空閒空間的最小化，因此能減少插入損耗。
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於1微米厚度上獲得180°分離效果的反射元件。正是由於這些不同方式的存在，才使設計師能夠透過光束路徑的佈局簡化元件設計。另外，SOE PBS的自然反射特性也使其能支援與雷射發送器和光纖放大器有關的高能量設備。
其次，還有製造方面的便利。寬的接收角能夠簡化校正製程，減少製造時間和成本，同時還能利用自動化的‘選取置放’製造技術。SOE具有很好的強韌性：透過正確選擇材料可以使它們承受-200℃到400℃的溫度範圍，因而適應各種不同的製造製程環境。最後，尺寸的減少還可以簡化封裝製程，降低封裝成本。
目前SOE PBS/C已經被廣泛使用於光纖放大器、循環器和隔離器、交織器、光交換機和可變光衰耗器等設備。與傳統技術相較，它的小尺寸和低功耗特性是一大特色。
SOE的未來
目前推出的設備只是SOE的最基本應用，今後SOE還將向其它方向不斷發展。基於SOE的塊製作功能將被同時導入晶片和封裝元件設計中。透過論證的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、衰減和調諧進行動態控制。
透過堆疊SOE層製作匯集式光效應可以開發出單片整合的SOE產品。奈米刻印法允許在SOE上直接置層，無需再採取層壓技術。將SOE與光學活動層結合起來可以設立光控電路，因而產生複雜的‘片上’光學元件。多層SOE整合技術也表現出色，它能把光檢測器陣列與濾波器整合在一起來製作動態的光反饋迴路。
由於SOE具有自相容性，能利用晶圓級製造技術生產，且元件與元件之間很少有區別，因此實現它們相對比較容易。
作者：Y.K. Park
系統工程高級總監
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Hubert Kostal
行銷副總裁
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