技術前沿：光子調拔——光通信波分復用器件

技術原理

波分復用（WDM）

核心機理：          
通過不同波長光載波在單根光纖中并行傳輸，提升容量。主要分為：

粗波分復用（CWDM）：波長間隔20nm（1270~1610nm），適用于城域網接入層，成本低但信道數少（≤18波）。

密集波分復用（DWDM）：波長間隔0.4~1.6nm（C/L波段），支持160波以上，用于骨干網擴容。

關鍵器件原理：

陣列波導光柵（AWG）：基于多徑干涉與羅蘭圓聚焦原理，通過等差陣列波導長度差（ΔL）實現相位差分離波長，滿足  的干涉條件。

薄膜濾波器（TFF）：多層介質膜選擇性反射/透射特定波長，但插損高（~4.5dB）、溫漂大（0.05nm/℃）。

時分復用（OTDM）

原理：將低速電信號調制成超短光脈沖，經不同時延合并為高速信號。關鍵技術包括：

超短脈沖光源：鎖模光纖激光器（脈寬<3ps）或DFB激光器+電吸收調制器（EAM）組合。

全光解復用：基于非線性光學環鏡（NOLM）或電光調制器實現納秒級開關。

模分復用（MDM）

少模光纖傳輸：利用光纖中正交模式（如LP01、LP11）獨立傳輸數據。

模式耦合器：通過非對稱波導設計實現模式轉換，耦合損耗需<1.5dB。

關鍵技術挑戰：模式串擾抑制與接收端模式解耦。

正交頻分復用（OFDM）

光域適配：將電域OFDM映射至光載波，提升頻譜效率40%。

調制方式：采用IQ調制器生成M階QAM信號，結合DSP補償光纖色散。

產品分類與技術指標

按復用類型分類

按集成方式分類

分立式：TFF+環形器組合，成本低但體積大（如傳統CWDM模塊）。

平面波導集成：

硅基AWG：220nm SOI晶圓刻蝕，干法刻蝕側壁陡直度>88°。

聚合物EDG：納米壓印工藝提升衍射效率至85%。

混合集成：AWG與DFB激光器共封，減少光纖跳線損耗（如索爾思光引擎）。

前沿技術突破

硅光子集成

高密度波導：氮化硅（Si?N?）微環諧振腔（MRR）Q值>1×10?，調諧效率0.15nm/mW，支持1.6T CPO光引擎。

3D堆疊：TSV垂直互連實現光引擎與交換芯片（ASIC）間距≤10μm，功耗降至5pJ/bit。

新材料應用

鈮酸鋰薄膜（LNOI）：電光系數是硅的30倍，調制帶寬>100GHz，突破硅基帶寬瓶頸。

碳化硅襯底：熱導率490W/mK（石英4倍），用于AWG抑制熱透鏡效應。

智能調控技術

AI輔助波長調諧：深度學習算法實時補償硅光AWG溫漂，波長穩定性達±0.001nm。

量子點激光器集成：可調諧范圍>40nm，替代外部激光器解決CPO光源耦合難題。

CPO共封裝架構

光電協同設計：

可插拔CPO：英偉達方案實現光引擎與ASIC電氣直連，能效2.1pJ/bit。

全集成CPO：博通3.2T方案采用硅光+TSV，液冷散熱成本降40%。

光纖復用技術演進路徑與產業需求

隨著單波100G向400G/800G演進，復用技術成為突破香農極限的核心手段，各方案產業化成熟度如下：

制造建議：WDM/PDM組合方案仍是當前產線主力（占比80%），工廠需重點布局AWG晶圓加工與偏振分束器(PBS)鍍膜工藝。

傳統波分復用器件缺陷與替代必要性

四類傳統器件技術瓶頸

薄膜濾波器(TFF)：

體積≥20×20×5mm³，無法集成硅光引擎

多層鍍膜良率僅65%（膜厚誤差>±0.5nm導致插損+1dB）

其中Z-BLOCK（也稱為Z-Block合光器件）是光通信領域中的一種關鍵無源器件，主要用于波分復用（WDM）系統中的光信號合成與分離。其核心功能是實現多波長光信號的合波/分波操作，尤其適用于數據中心、高速光模塊等場景。

Z-BLOCK技術原理與工作機理

基于薄膜濾波片的分光原理

Z-BLOCK由多層介質薄膜濾波片（TFF）堆疊構成，每層濾光片針對特定波長設計。

當復合光信號入射時，不同波長的光在濾光片界面發生選擇性透射或反射：

透射：目標波長穿過當前濾光片進入對應通道；

反射：非目標波長反射至下一層濾光片繼續分離。

例如，在800G光模塊中，需分離8個波長（如Lan-WDM波段），Z-BLOCK需集成8組薄膜濾光片，每層精確控制波長間隔（通常±0.8nm）。

光路轉折設計

為適配緊湊封裝（如QSFP28），Z-BLOCK內置轉折棱鏡（Reflective Prism），將水平入射光轉折90°垂直輸出，避免與相鄰光學元件（如磁光隔離器）的空間沖突。

棱鏡表面鍍高反射膜（如金或鋁），反射率>99.5%，減少插入損耗。

核心結構特點

Z-BLOCK通常為長方體玻璃塊結構，包含以下關鍵組件：

濾光片堆棧

采用離子束濺射工藝沉積數十層Ta?O?/SiO?介質膜，膜厚精度達±0.1nm，確保窄帶濾波特性（帶寬≤0.8nm）。

自準直光路

輸入端集成準直透鏡系統，將光纖輸入的發散光轉換為平行光，減少因光束發散導致的串擾。

基板集成封裝

所有光學元件（Z-BLOCK、棱鏡、透鏡）通過無源耦合工藝固定在單一玻璃基板上，提升機械穩定性，抗振動性能優于分立式AWG芯片。

性能優勢與局限性

優勢

局限性

體積較大：每增加一個通道需疊加濾光片，導致器件長度線性增長（8通道Z-BLOCK長約15mm），限制超緊湊模塊設計。

插損累積：多級反射引入額外損耗（8通道典型插損~4.5 dB），高于AWG方案（~2.8 dB）。

產業應用與演進

當前主流場景

數據中心光模塊：100G/400G FR4/FR8模塊中，Z-BLOCK因低溫漂特性占據70%份額（2025年預測降至30%，被AWG替代）。

5G前傳網絡：CWDM粗波分系統（通道間隔20nm）中成本優勢顯著，單器件價格<$10。

技術演進方向

混合集成：與硅光芯片耦合（如索爾思方案），將Z-BLOCK作為“光學引擎”嵌入COB封裝，減少光纖跳線損耗。

材料革新：采用碳化硅（SiC）襯底替代玻璃，熱導率提升4倍（490 W/mK），降低高功率下的熱透鏡效應。

不可替代的精密光學組件

Z-BLOCK憑借低串擾、高溫度穩定性的核心優勢，仍在特定場景（如高溫工業環境、高功率激光系統）保持競爭力。但其未來將受AWG技術擠壓，需通過三維光路折疊（如波導集成棱鏡）和超表面濾光片（Metasurface TFF）實現小型化突破。

光纖光柵(FBG)：

信道數≤16（紫外寫入精度受限）

溫度敏感性0.01nm/℃，需TEC控溫增加功耗

體光柵(VBG)：

手動對準工時>30分鐘/件，人力成本占比40%

衍射效率衰減速率>5%/年（膠合層老化）

自由空間型：

裝配公差要求±0.5μm（超出常規貼片機精度）

平面波導集成化替代路徑

核心優勢：

晶圓級制造（單次流片≥500芯片）

單片集成度提升（AWG+調制器+探測器）

成本下降規律：每代工藝節點（如130nm→90nm）

陣列波導光柵(AWG) —— DWDM主力方案

AWG的核心原理與結構

工作機理

多波長分波/合波
AWG基于光的多徑干涉與羅蘭圓聚焦原理實現波長路由。輸入復合光信號經輸入星形耦合器（平板波導）分散至陣列波導，陣列波導長度呈等差級數（長度差ΔL），導致不同波長光波產生相位差。

在輸出星形耦合器中，相位差引發干涉聚焦，不同波長被分離至特定輸出波導。

數學關系：焦點位置滿足 （為波導有效折射率，為衍射級數），波長間隔由ΔL和羅蘭圓半徑決定。

核心結構組件

AWG vs. 傳統方案（Z-Block）的性能對比

AWG設計的核心挑戰與優化路徑

技術瓶頸

串擾控制：信道間隔縮小至200GHz時串擾達-10 dB（400GHz時為-20 dB）

解決方案：

奇偶波長分離：梳狀濾波器（MZI+MMI）將波長分組，降低串擾。

級聯結構：一級高分辨率AWG + 二級低分辨率AWG，拓展自由光譜范圍（FSR）。

偏振敏感性：硅基AWG因高Δn產生偏振依賴

優化方案：

陣列波導嵌入半波片補償。

聚合物材料降低雙折射。

工藝與可靠性

耦合失效風險：AWG與PCB粘接后溫循（-40~85℃）易開裂

設計規范：

PCB覆銅區網孔直徑需為0.1~0.15mm（φ0.5mm致AWG破裂）

剪切力>5kg（滿足MIL-STD-883標準）

產業應用場景與演進方向

數據中心光模塊

400G/800G FR4/FR8模塊：AWG替代Z-Block（2025年滲透率70%），單芯片價值1.6-3.2美元。

5G前傳網絡：CWDM系統（通道間隔20nm）中AWG單價<$10，成本優勢顯著。

前沿演進

硅光集成

混合集成：索爾思將AWG作為“光學引擎”嵌入COB封裝，減少光纖跳線損耗。

CPO技術：天孚通信1.6T硅光引擎配合CPO，能效≤5pJ/bit。

超緊湊設計

微環諧振器（MRR）級聯：提升分辨率并擴展FSR，但需熱調諧穩定性

AWG的核心價值與未來趨勢

AWG憑借高集成度、低溫漂、低成本特性，正成為數據中心光模塊的主流解復用方案。超融合架構（AWG+MRR+AI調優）實現單模塊1.6T速率，支撐英偉達GBXXX超算集群。

量產參數：

信道數：48通道（C波段±10nm）

插損：≤4dB（90nm SOI工藝）

串擾：<-30dB（波導側壁粗糙度<2nm RMS）

工廠工藝關鍵點：

干法刻蝕：采用HBr/O?等離子體優化波導側壁陡直度（傾角>88°）

退火工藝：1050℃氫氣環境修復缺陷，降低傳輸損耗至0.03dB/cm

刻蝕衍射光柵(EDG) —— CWDM性價比之選

數據中心應用優勢：

4通道插損<1.5db（對比awg>2.5dB）

溫度不敏感性（波長漂移<0.005nm/℃）

量產痛點與改進：

衍射效率低（原工藝55% → 納米壓印提升至85%）

采用SiO?/Ta?O?雙材料波導，降低折射率差至0.5%抑制高階模

微環諧振腔陣列(MRR) —— 高密度集成方向

微環諧振腔是多波長對量子關聯產生和輸出的器件基礎。光學微腔的色散決定了微腔中能否產生關聯光子對, 諧振特性決定了微腔中關聯光子對的產生和輸出速率, 微腔的自由光譜范圍決定了產生關聯光子對的間隔以及個數。

MRR的核心優勢與基礎限制

MRR的一個優勢是可以做成可調諧的濾波器，在微環上加上電極加熱即可實現諧振波長的可調諧。通過MRR的級聯也可以實現較少波長的波分復用/解復用器。

高集成度優勢

緊湊結構：SOI波導芯層與包層折射率差（Δn > 40%）使微環半徑可縮至 3–5 μm（對比傳統材料>100 μm），實現 μm級器件尺寸，適合高密度光子集成。

高Q值特性：優化后的氮化硅（Si?N?）微環Q值> 1×10?（半徑3 μm），光子壽命延長至ns級，提升傳感與濾波精度。

環境敏感性瓶頸

溫度漂移：硅的熱光系數（1.8×10?? K?¹）導致諧振波長漂移約 0.1 nm/℃，需主動溫控。

工藝容差低：

波導寬度偏差±5 nm → 諧振峰偏移>0.5 nm。

側壁粗糙度（RMS >2 nm）→ 散射損耗增加，Q值下降30%。

結構創新：提升工藝魯棒性與光譜性能

垂直耦合結構

設計原理：采用多層波導堆疊（如Si/Si?N?），通過倏逝場耦合替代水平耦合，降低對準精度要求（容差±0.5 μm → ±1.5 μm）。

驗證案例：雙環垂直耦合結構串擾<-40 dB，插損<1 dB，適用于多通道WDM系統。

級聯拓撲優化

十級級聯微環將FSR擴展至40 nm，3 dB帶寬壓縮至0.239 nm，但良率降至65%以下。

熱調諧與低功耗控制方案

集成加熱器

主流方案：

TiN電阻加熱器：調諧效率 0.15 nm/mW，響應時間~ms級。

硅摻雜PIN二極管：載流子注入調諧（速率GHz），但引入額外插損~3 dB。

突破性設計：

腔體SOI熱隔離：在波導下方刻蝕空氣腔（深度3 μm），減少熱擴散，功耗降至 2.1 mW/π相移（對比傳統方案20 mW）。

ITiO柵極驅動：利用鈦摻雜氧化銦的電場調諧（589 pm/V），近零靜態功耗（適用于低功耗WDM系統）。

溫度不敏感設計

游標效應補償：雙環級聯（半徑差ΔR≈0.5%）使溫度漂移< 0.023 dB/K，免除TEC控溫。

混合材料集成：硅波導+聚合物包層（負熱光系數），實現被動溫度補償。

制造工藝關鍵點與良率提升

核心工藝控制

光刻精度：

電子束光刻（EBL）替代DUV：環圓度誤差< ±3 nm，抑制諧振峰分裂。

納米壓?。∟IL）：降低EDG器件成本30%，但套刻精度需<50 nm。

干法刻蝕優化：

HBr/O?等離子體工藝：波導側壁陡直度>88°，粗糙度<1 nm RMS。

深度控制：硅層刻蝕深度偏差需<5%，防止耦合效率波動。

封裝與可靠性

ALD密封技術：原子層沉積Al?O?隔絕水氧，器件失效概率< 10?? FIT。

應力匹配設計：環氧樹脂封裝膠熱膨脹系數（CTE）需匹配硅（2.6 ppm/K），避免溫循開裂。

前沿應用與發展趨勢

通信與傳感

1.6T CPO光引擎：MRR陣列與硅光調制器單片集成，能耗≤ 5 pJ/bit（英偉達GB200架構）。

高靈敏度生物傳感：

石墨烯-金復合涂層：折射率靈敏度達 730 nm/RIU，檢測限2.8×10?? RIU。

多環游標效應：前列腺抗原（PSA）檢測靈敏度提升6.5倍[citation:15]。

非線性光學擴展

四波混頻（FWM）：高Q微環（Q>10?）中泵浦光轉換效率> -20 dB，用于量子光源生成。

光頻梳生成：氮化硅微環在C波段產生>100條梳線，線寬<100 kHz（光計算與精密測量）。

MRR技術正向 多功能集成（濾波+調制+傳感）、超低功耗（零偏置調諧）、三維堆疊 演進，但仍需突破：

工藝標準化：耦合間隙（~150 nm）與波導尺寸的晶圓級均勻性控制（CD誤差<3%）。

混合集成瓶頸：硅光芯片與電子ASIC的3D互連（間距≤10 μm）熱管理難題。

成本競爭力：8英寸SOI晶圓流片成本>5000美元，需轉向硅基氮化硅平臺降本30%。

技術突破：

Q值>1×10?（氮化硅材料，3μm半徑環）

調諧效率：0.15nm/mW（集成TiN加熱器）

產線良率提升措施：

電子束光刻替代DUV：環圓度誤差<±3nm（降低諧振峰分裂）

原子層沉積(ALD)封裝：隔絕水氧保障長期穩定性（失效概率<10?? FIT）

產線升級實施建議

設備改造優先級

刻蝕機：升級ICP等離子源（射頻功率精度±1%）

鍍膜機：引入離子束濺射(IBS)替代磁控濺射（膜厚均勻性±0.3%）

光刻機：配置納米壓印模塊（NIL）降低EDG生產成本30%

材料選型指南

測試標準升級

波長精度：可調激光源+光學頻譜分析儀(OSA)校準（參考ITU-T G.694.1）

可靠性：85℃/85%RH雙85測試1000小時，插損變化≤0.2dB

光子是未來的應用重點技術

20世紀以來, 經典信息科技在信息獲取、處理和傳遞方面取得了巨大進展, 為人類社會的發展提供了重要保障. 隨著量子物理研究的深入, 量子信息技術應運而生, 將量子力學的基本原理和資源(如態疊加、不可克隆、不確定性和量子糾纏等)融入信息科技, 發展出包括量子精密測量、量子計算、量子通信等在內的多項技術。

這些技術有望在測量精度、信息處理能力、傳輸容量和信息安全等方面超越經典信息技術的極限. 在量子信息技術中, 其核心關鍵是量子信息載源的物理實現. 近年來, 在核磁共振、冷原子、超導線路和量子光學等系統中提出了多種量子信息載源方案。其中, 光子因其無靜止質量、良好相干性、低損耗和高速傳輸等優勢, 成為高性能量子信息載源的主要候選者。

參考文章： AIOT大數據

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