集成光子学研究国际会议（1998）
OSA Technical Digest Vol. 4 技术简报
一、会议信息与缘起
1.1 会议著录
会议名称：Integrated Photonics Research（集成光子学研究）——OSA技术研讨会（Topical Meeting）
联合会议：Workshop on Novel Solitons and Nonlinear Periodic Structures + Nonlinear Guided Waves and Their Applications
主办：美国光学学会（Optical Society of America, OSA）
合作：欧洲集成光学会议（ECIO）、IEEE激光与电光学会（LEOS）
时间：1998年3月30日-4月1日（3月29日为Workshop日）
地点：加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚会议中心（Victoria Conference Centre）
出版物：OSA Technical Digest Series, Vol. 4, ISBN 1-55752-536-6
DTIC入藏号：ADA361153
分发级别：公开，分发不限
1.2 缘起：为什么开这个会
1998年春天，光通信产业正处于爆发前夜。互联网用户量每年翻倍，电话线已经不够用了——电信公司急需在一条光纤上塞进更多的频道。这叫WDM——波分复用（Wavelength Division Multiplexing）——就像在一条高速公路上画不同车道，每条车道走不同颜色（波长）的光信号。
但WDM系统需要大量精密的光学器件：把不同波长的光分到不同信道的&039;解复用器&039;、把信号从光纤引导到芯片上的&039;耦合器&039;、把信号开关的&039;调制器&039;、放大信号的&039;放大器&039;。如果每个器件都做成一个独立的小盒子用光纤连起来，成本高、体积大、可靠性差。
解决方案是&039;集成光子学&039;——像集成电路把晶体管做到硅片上一样，把光学器件做到一块芯片上。一块光子芯片可以包含几十个光学功能，体积只有指甲盖大小。1998年正是集成光子学从实验室走向市场的转折点——这就是这场会议的背景。
1.3 参会者画像
三个主旨报告人代表了三个阵营：
Masao Kawachi（NTT）：代表日本电信巨头——NTT的硅基平面光波回路（PLC）技术已经进入&039;真实电信市场&039;
Hans Melchior（瑞士联邦理工）：代表欧洲学术界——InP光子器件与光纤耦合技术的权威
Philip J. Anthony（Lucent/Bell Labs）：代表美国工业界——光子集成的商业化时间表
台下坐着来自全球实验室、大学和公司的约200位研究者——NTT、Lucent/Bell Labs、Corning、Honeywell、MIT Lincoln Lab、Sandia、Lawrence Livermore、Heinrich-Hertz Institut、Twente大学、Nottingham大学、台湾大学——他们要在三天里展示和讨论各自的最新进展。
二、会议核心内容：三天讨论了什么
2.1 三场主旨报告：产业现状与未来
第一场——Masao Kawachi（NTT）：《平面光波回路：进入真实电信市场》。Kawachi报告了NTT的硅基平面光波回路（PLC）技术——在硅基板上沉积二氧化硅玻璃层，用光刻技术刻出波导图案。低损耗、几何精度高，已经做成各种器件：光分支器、滤波器、开关和混合光电集成模块。关键信息：&039;正在进入真实电信市场&039;——不是实验室原型，是正在卖的产品。应用场景：光纤接入网和密集WDM系统。
第二场——Hans Melchior（瑞士联邦理工）：《InP光子波导器件及其光纤耦合》。Melchior报告了磷化铟（InP）材料体系——激光器、半导体光放大器、调制器、开关、波长转换器。InP器件性能好但芯片极小，和光纤耦合很困难——需要单片集成的&039;光束扩展器&039;和自动对准技术。这是InP器件从实验室走向实用的最大工程障碍。
第三场——Philip J. Anthony（Lucent/Bell Labs）：《光子集成的商业化时间表》。Anthony不谈技术细节——他谈的是&039;什么时候能赚钱&039;。他预测光子集成的商业化速度可以用其他新技术的历史来类比——不会比微电子更快，因为光子器件的制造复杂性比电子器件高。
2.2 WDM器件：把不同颜色的光分开
WDM是这场会议最热门的技术方向——几乎每个session都有WDM相关报告。NTT的Yoshikuni综述了WDM网络中的集成光学器件进展。Lucent的Livescu讨论了WDM网络中的&039;信道监控&039;——你怎么知道每条波长信道还在正常工作？这需要集成在系统里的光学监测器。
具体器件包括：
阵列波导光栅（AWG）：一块芯片上几十条长度递增的波导——不同波长的光在出口端聚焦到不同位置。这是WDM系统最核心的器件——一个指甲盖大小的芯片替代了一堆棱镜和透镜。
可调谐DBR激光器+EA调制器：分布布拉格反射（DBR）激光器可以调谐波长，电吸收（EA）调制器把电信号变成光信号——两者集成在一块芯片上，10 Gb/s速率，用于WDM发射端。
宽带&039;盒形&039;滤波器：用啁啾光栅实现——对制造误差不敏感，适合大规模生产。
2.3 光束传播法（BPM）：模拟工具的标准化
一个专门的session讨论&039;光束传播法&039;（BPM）——这是模拟光在波导中传播的标准数值方法。滑铁卢大学的Huang综述了BPM的理论、算法和应用。
有趣的是&039;基准测试&039;——Heinrich-Hertz Institut联合荷兰Twente大学、意大利Rome大学和德国Fernuniversität，用两个标准测试问题（对称耦合器和增益-损耗波导）检验不同BPM算法的一致性。这就像给所有模拟软件做一次&039;统考&039;——确保不同实验室用不同代码算出来的结果可以互相比对。
新方法：Nottingham大学提出三维锥形结构中消除&039;阶梯化&039;数值噪声的算法；台湾大学提出局部斜坐标BPM——处理沿传播方向变化的波导结构不需要阶梯近似。
2.4 硅光子学：用半导体工业的基础设施造光子芯片
1998年，硅光子学还不叫这个名字——叫&039;硅基光电子技术&039;。但方向已经清楚：用半导体工业成熟的硅工艺（光刻、刻蚀、沉积）制造光子器件，把成本降下来。
具体进展：GaAs/AlGaAs外延层转移技术——把III-V族材料从GaAs衬底上揭下来粘到硅上，实现&039;硅上的化合物半导体光子学&039;。多孔硅（porous silicon）的双折射特性——可以作为偏振敏感器件。硅基光电子集成技术专题session——从材料到器件到封装的完整链条。
2.5 聚合物光子器件：便宜但不稳定
聚合物波导器件是另一个热门方向——聚合物可以旋涂成膜、紫外光刻图案化，制造成本远低于无机材料。但聚合物的问题也明显：热稳定性差、吸水率高、长期可靠性不确定。会议讨论了多种聚合物材料和器件方案——包括电光聚合物调制器和聚合物波导耦合器。
2.6 孤子 Workshop：光的&039;不变色&039;波包
会议前一天（3月29日）有一个专门的Workshop——&039;新型孤子和非线性周期结构&039;。
孤子（soliton）是一种特殊的波——它在传播中不发散。普通的光脉冲在光纤中传播会&039;展宽&039;——因为不同频率分量在玻璃中的速度不同（色散）。但孤子利用非线性效应（光纤的克尔效应）恰好抵消色散——脉冲保持形状不变。这在长距离光通信中极具吸引力——不需要沿途放大和整形。
1998年的孤子研究前沿是&039;色散管理孤子&039;（dispersion-managed solitons）——不是在整条光纤上用均匀色散，而是交替使用正负色散光纤——平均色散为零但局部色散不为零。Aston大学的Doran报告了色散管理孤子的理论进展。WDM孤子系统的碰撞和四波混频效应也被讨论——多波长孤子系统中的相互作用是实用化的主要障碍。
空间孤子（spatial soliton）——在空间上不发散的光束——利用光折变效应或克尔效应实现自聚焦抵消衍射发散。这在全光开关和光互连中有应用前景。
2.7 光子纳米结构和量子阱
两个session专门讨论&039;光子纳米结构&039;——在光波长尺度上设计周期性结构来控制光的行为。光子晶体（photonic crystal）的概念在1998年刚兴起——在材料中打周期性排列的孔，形成&039;光子带隙&039;——某些频率的光不能通过。
量子阱（quantum well）是半导体激光器的核心——把电子限制在纳米厚度的薄层中，降低阈值电流、提高效率。会议讨论了量子阱中载流子输运的物理——这直接影响调制器的速度和激光器的效率。
三、故事：1998年维多利亚的三天
1998年3月29日，星期天。加拿大西海岸的维多利亚市——一座被海洋和雪山环抱的小城。维多利亚会议中心门口挂着OSA的会标。会场里弥漫着咖啡味和投影仪的热气。
这天是Workshop日——专门讨论孤子。不是海上的孤子——是光纤里的孤子。一种不发散的波。普通光脉冲在光纤里走几千公里会&039;散开&039;——因为不同颜色的光在玻璃里跑得不一样快。但孤子用一种叫&039;克尔效应&039;的非线性现象恰好抵消这种发散——脉冲自己保持形状。这就像一个人在跑步机上自动调整步伐，不管皮带怎么转都保持在原位。
Workshop结束后大家喝着啤酒在欢迎酒会上聊天。NTT的Kawachi说他们的平面光波回路已经&039;进入真实电信市场&039;了。Lucent的Anthony说光子集成的商业化不会比微电子更快。这两个说法其实并不矛盾——Kawachi说的是&039;技术已经能卖了&039;，Anthony说的是&039;大规模赚钱还早&039;。
周一早上八点十五分，主旨报告开始。Kawachi讲NTT的硅基PLC技术——在硅片上沉积二氧化硅玻璃层，用光刻技术刻出波导。这和制造集成电路几乎一样的工艺——只不过刻出来的不是电路线而是光路线。NTT已经做出了分支器、滤波器、开关——不是实验室样品，是正在卖的产品。
瑞士的Melchior讲InP器件。InP（磷化铟）比硅贵得多，但它的&039;光电性能&039;更好——激光器和高速调制器主要用InP做。问题在于InP芯片太小——不到1平方毫米——怎么和头发丝一样细的光纤对接？Melchior的答案是在芯片上集成一个&039;光束扩展器&039;——把光从波导里慢慢扩出来，到芯片边缘时已经有几十微米宽，好和光纤耦合。还要自动对准技术——不能靠人手对。
Lucent的Anthony不讲技术——讲钱。他说光子集成的商业化速度可以用历史类比来预测。半导体集成电路从1958年发明到1980年代大规模盈利用了二十多年。光子集成不会更快——因为光的波长比电子长得多，制造精度要求更高。台下有人点头有人摇头——每个人都想知道自己投入的钱什么时候能回来。
下午的session更技术化。WDM是热门词——Wavelength Division Multiplexing——波分复用。一条光纤里同时走几十条不同颜色（波长）的光信号。这需要大量精密器件：把不同颜色分开的&039;解复用器&039;（核心是阵列波导光栅AWG——一块指甲盖芯片上几十条长度递增的波导）、把信号开关的调制器、监控每条信道是否正常的监测器。
BPM session有点像数学课——Beam Propagation Method。这是模拟光在波导中怎么走的数值方法。五支团队分别报告了各自的BPM算法改进。最有趣的是一场&039;统考&039;——用一个标准测试问题让不同算法比赛，看谁算得准。这是科学研究中最少见但最有价值的事——不是各自吹自己的方法好，而是用同一个考题公平比拼。
硅光子学还不叫这个名字——叫&039;硅基光电子技术&039;。但思路一样：用半导体工业的成熟硅工艺造光子芯片。有人把GaAs外延层从衬底上&039;揭&039;下来粘到硅上——实现硅上的化合物半导体激光器。有人研究多孔硅的双折射——在硅上打纳米孔，利用孔的各向异性控制偏振。
聚合物光子器件也有一席之地——聚合物便宜，旋涂成膜、紫外光刻，制造成本远低于无机材料。但热稳定性和长期可靠性是大问题——这个会议上还没人能回答&039;十年后还能用吗&039;。
量子阱和光子纳米结构的session讨论的是更前沿的东西。量子阱是半导体激光器的心脏——把电子限制在纳米厚度的薄层里。光子晶体——在材料上打周期性排列的孔——形成&039;光子带隙&039;——某些频率的光不能通过。这在1998年刚从概念走向实验。
三天结束。每个人带回自己机构的笔记。有些人回去之后造出了AWG产品。有些人回去之后继续研究孤子。有些人回去之后做了光子晶体实验。1998年的集成光子学还在&039;从实验室走向市场&039;的拐点——Kawachi的PLC是第一个真正卖出去的集成光子产品，但大规模应用还要等十年——等硅光子学在2000年代后期成熟。
这份技术摘要记录了那个拐点。不是每篇论文都对——有些方向后来被淘汰了（聚合物光子器件至今未大规模商用），有些方向当时没人注意到后来成了主流（硅光子学今天已经是数十亿美元的产业）。但这就是1998年维多利亚的三天——人们在讨论光子集成的&039;商业化时间表&039;时，答案还在远处。
— 简报完 —
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