技术前沿：光子调拔——光通信波分复用器件

技术原理

波分复用（WDM）

核心机理：          
通过不同波长光载波在单根光纤中并行传输，提升容量。主要分为：

粗波分复用（CWDM）：波长间隔20nm（1270~1610nm），适用于城域网接入层，成本低但信道数少（≤18波）。

密集波分复用（DWDM）：波长间隔0.4~1.6nm（C/L波段），支持160波以上，用于骨干网扩容。

关键器件原理：

阵列波导光栅（AWG）：基于多径干涉与罗兰圆聚焦原理，通过等差阵列波导长度差（ΔL）实现相位差分离波长，满足  的干涉条件。

薄膜滤波器（TFF）：多层介质膜选择性反射/透射特定波长，但插损高（~4.5dB）、温漂大（0.05nm/℃）。

时分复用（OTDM）

原理：将低速电信号调制成超短光脉冲，经不同时延合并为高速信号。关键技术包括：

超短脉冲光源：锁模光纤激光器（脉宽<3ps）或DFB激光器+电吸收调制器（EAM）组合。

全光解复用：基于非线性光学环镜（NOLM）或电光调制器实现纳秒级开关。

模分复用（MDM）

少模光纤传输：利用光纤中正交模式（如LP01、LP11）独立传输数据。

模式耦合器：通过非对称波导设计实现模式转换，耦合损耗需<1.5dB。

关键技术挑战：模式串扰抑制与接收端模式解耦。

正交频分复用（OFDM）

光域适配：将电域OFDM映射至光载波，提升频谱效率40%。

调制方式：采用IQ调制器生成M阶QAM信号，结合DSP补偿光纤色散。

产品分类与技术指标

按复用类型分类

按集成方式分类

分立式：TFF+环形器组合，成本低但体积大（如传统CWDM模块）。

平面波导集成：

硅基AWG：220nm SOI晶圆刻蚀，干法刻蚀侧壁陡直度>88°。

聚合物EDG：纳米压印工艺提升衍射效率至85%。

混合集成：AWG与DFB激光器共封，减少光纤跳线损耗（如索尔思光引擎）。

前沿技术突破

硅光子集成

高密度波导：氮化硅（Si₃N₄）微环谐振腔（MRR）Q值>1×10⁶，调谐效率0.15nm/mW，支持1.6T CPO光引擎。

3D堆叠：TSV垂直互连实现光引擎与交换芯片（ASIC）间距≤10μm，功耗降至5pJ/bit。

新材料应用

铌酸锂薄膜（LNOI）：电光系数是硅的30倍，调制带宽>100GHz，突破硅基带宽瓶颈。

碳化硅衬底：热导率490W/mK（石英4倍），用于AWG抑制热透镜效应。

智能调控技术

AI辅助波长调谐：深度学习算法实时补偿硅光AWG温漂，波长稳定性达±0.001nm。

量子点激光器集成：可调谐范围>40nm，替代外部激光器解决CPO光源耦合难题。

CPO共封装架构

光电协同设计：

可插拔CPO：英伟达方案实现光引擎与ASIC电气直连，能效2.1pJ/bit。

全集成CPO：博通3.2T方案采用硅光+TSV，液冷散热成本降40%。

光纤复用技术演进路径与产业需求

随着单波100G向400G/800G演进，复用技术成为突破香农极限的核心手段，各方案产业化成熟度如下：

制造建议：WDM/PDM组合方案仍是当前产线主力（占比80%），工厂需重点布局AWG晶圆加工与偏振分束器(PBS)镀膜工艺。

传统波分复用器件缺陷与替代必要性

四类传统器件技术瓶颈

薄膜滤波器(TFF)：

体积≥20×20×5mm³，无法集成硅光引擎

多层镀膜良率仅65%（膜厚误差>±0.5nm导致插损+1dB）

其中Z-BLOCK（也称为Z-Block合光器件）是光通信领域中的一种关键无源器件，主要用于波分复用（WDM）系统中的光信号合成与分离。其核心功能是实现多波长光信号的合波/分波操作，尤其适用于数据中心、高速光模块等场景。

Z-BLOCK技术原理与工作机理

基于薄膜滤波片的分光原理

Z-BLOCK由多层介质薄膜滤波片（TFF）堆叠构成，每层滤光片针对特定波长设计。

当复合光信号入射时，不同波长的光在滤光片界面发生选择性透射或反射：

透射：目标波长穿过当前滤光片进入对应通道；

反射：非目标波长反射至下一层滤光片继续分离。

例如，在800G光模块中，需分离8个波长（如Lan-WDM波段），Z-BLOCK需集成8组薄膜滤光片，每层精确控制波长间隔（通常±0.8nm）。

光路转折设计

为适配紧凑封装（如QSFP28），Z-BLOCK内置转折棱镜（Reflective Prism），将水平入射光转折90°垂直输出，避免与相邻光学元件（如磁光隔离器）的空间冲突。

棱镜表面镀高反射膜（如金或铝），反射率>99.5%，减少插入损耗。

核心结构特点

Z-BLOCK通常为长方体玻璃块结构，包含以下关键组件：

滤光片堆栈

采用离子束溅射工艺沉积数十层Ta₂O₅/SiO₂介质膜，膜厚精度达±0.1nm，确保窄带滤波特性（带宽≤0.8nm）。

自准直光路

输入端集成准直透镜系统，将光纤输入的发散光转换为平行光，减少因光束发散导致的串扰。

基板集成封装

所有光学元件（Z-BLOCK、棱镜、透镜）通过无源耦合工艺固定在单一玻璃基板上，提升机械稳定性，抗振动性能优于分立式AWG芯片。

性能优势与局限性

优势

局限性

体积较大：每增加一个通道需叠加滤光片，导致器件长度线性增长（8通道Z-BLOCK长约15mm），限制超紧凑模块设计。

插损累积：多级反射引入额外损耗（8通道典型插损~4.5 dB），高于AWG方案（~2.8 dB）。

产业应用与演进

当前主流场景

数据中心光模块：100G/400G FR4/FR8模块中，Z-BLOCK因低温漂特性占据70%份额（2025年预测降至30%，被AWG替代）。

5G前传网络：CWDM粗波分系统（通道间隔20nm）中成本优势显著，单器件价格<$10。

技术演进方向

混合集成：与硅光芯片耦合（如索尔思方案），将Z-BLOCK作为“光学引擎”嵌入COB封装，减少光纤跳线损耗。

材料革新：采用碳化硅（SiC）衬底替代玻璃，热导率提升4倍（490 W/mK），降低高功率下的热透镜效应。

不可替代的精密光学组件

Z-BLOCK凭借低串扰、高温度稳定性的核心优势，仍在特定场景（如高温工业环境、高功率激光系统）保持竞争力。但其未来将受AWG技术挤压，需通过三维光路折叠（如波导集成棱镜）和超表面滤光片（Metasurface TFF）实现小型化突破。

光纤光栅(FBG)：

信道数≤16（紫外写入精度受限）

温度敏感性0.01nm/℃，需TEC控温增加功耗

体光栅(VBG)：

手动对准工时>30分钟/件，人力成本占比40%

衍射效率衰减速率>5%/年（胶合层老化）

自由空间型：

装配公差要求±0.5μm（超出常规贴片机精度）

平面波导集成化替代路径

核心优势：

晶圆级制造（单次流片≥500芯片）

单片集成度提升（AWG+调制器+探测器）

成本下降规律：每代工艺节点（如130nm→90nm）

阵列波导光栅(AWG) —— DWDM主力方案

AWG的核心原理与结构

工作机理

多波长分波/合波
AWG基于光的多径干涉与罗兰圆聚焦原理实现波长路由。输入复合光信号经输入星形耦合器（平板波导）分散至阵列波导，阵列波导长度呈等差级数（长度差ΔL），导致不同波长光波产生相位差。

在输出星形耦合器中，相位差引发干涉聚焦，不同波长被分离至特定输出波导。

数学关系：焦点位置满足 （为波导有效折射率，为衍射级数），波长间隔由ΔL和罗兰圆半径决定。

核心结构组件

AWG vs. 传统方案（Z-Block）的性能对比

AWG设计的核心挑战与优化路径

技术瓶颈

串扰控制：信道间隔缩小至200GHz时串扰达-10 dB（400GHz时为-20 dB）

解决方案：

奇偶波长分离：梳状滤波器（MZI+MMI）将波长分组，降低串扰。

级联结构：一级高分辨率AWG + 二级低分辨率AWG，拓展自由光谱范围（FSR）。

偏振敏感性：硅基AWG因高Δn产生偏振依赖

优化方案：

阵列波导嵌入半波片补偿。

聚合物材料降低双折射。

工艺与可靠性

耦合失效风险：AWG与PCB粘接后温循（-40~85℃）易开裂

设计规范：

PCB覆铜区网孔直径需为0.1~0.15mm（φ0.5mm致AWG破裂）

剪切力>5kg（满足MIL-STD-883标准）

产业应用场景与演进方向

数据中心光模块

400G/800G FR4/FR8模块：AWG替代Z-Block（2025年渗透率70%），单芯片价值1.6-3.2美元。

5G前传网络：CWDM系统（通道间隔20nm）中AWG单价<$10，成本优势显著。

前沿演进

硅光集成

混合集成：索尔思将AWG作为“光学引擎”嵌入COB封装，减少光纤跳线损耗。

CPO技术：天孚通信1.6T硅光引擎配合CPO，能效≤5pJ/bit。

超紧凑设计

微环谐振器（MRR）级联：提升分辨率并扩展FSR，但需热调谐稳定性

AWG的核心价值与未来趋势

AWG凭借高集成度、低温漂、低成本特性，正成为数据中心光模块的主流解复用方案。超融合架构（AWG+MRR+AI调优）实现单模块1.6T速率，支撑英伟达GBXXX超算集群。

量产参数：

信道数：48通道（C波段±10nm）

插损：≤4dB（90nm SOI工艺）

串扰：<-30dB（波导侧壁粗糙度<2nm RMS）

工厂工艺关键点：

干法刻蚀：采用HBr/O₂等离子体优化波导侧壁陡直度（倾角>88°）

退火工艺：1050℃氢气环境修复缺陷，降低传输损耗至0.03dB/cm

刻蚀衍射光栅(EDG) —— CWDM性价比之选

数据中心应用优势：

4通道插损<1.5db（对比awg>2.5dB）

温度不敏感性（波长漂移<0.005nm/℃）

量产痛点与改进：

衍射效率低（原工艺55% → 纳米压印提升至85%）

采用SiO₂/Ta₂O₅双材料波导，降低折射率差至0.5%抑制高阶模

微环谐振腔阵列(MRR) —— 高密度集成方向

微环谐振腔是多波长对量子关联产生和输出的器件基础。光学微腔的色散决定了微腔中能否产生关联光子对, 谐振特性决定了微腔中关联光子对的产生和输出速率, 微腔的自由光谱范围决定了产生关联光子对的间隔以及个数。

MRR的核心优势与基础限制

MRR的一个优势是可以做成可调谐的滤波器，在微环上加上电极加热即可实现谐振波长的可调谐。通过MRR的级联也可以实现较少波长的波分复用/解复用器。

高集成度优势

紧凑结构：SOI波导芯层与包层折射率差（Δn > 40%）使微环半径可缩至 3–5 μm（对比传统材料>100 μm），实现 μm级器件尺寸，适合高密度光子集成。

高Q值特性：优化后的氮化硅（Si₃N₄）微环Q值> 1×10⁶（半径3 μm），光子寿命延长至ns级，提升传感与滤波精度。

环境敏感性瓶颈

温度漂移：硅的热光系数（1.8×10⁻⁴ K⁻¹）导致谐振波长漂移约 0.1 nm/℃，需主动温控。

工艺容差低：

波导宽度偏差±5 nm → 谐振峰偏移>0.5 nm。

侧壁粗糙度（RMS >2 nm）→ 散射损耗增加，Q值下降30%。

结构创新：提升工艺鲁棒性与光谱性能

垂直耦合结构

设计原理：采用多层波导堆叠（如Si/Si₃N₄），通过倏逝场耦合替代水平耦合，降低对准精度要求（容差±0.5 μm → ±1.5 μm）。

验证案例：双环垂直耦合结构串扰<-40 dB，插损<1 dB，适用于多通道WDM系统。

级联拓扑优化

十级级联微环将FSR扩展至40 nm，3 dB带宽压缩至0.239 nm，但良率降至65%以下。

热调谐与低功耗控制方案

集成加热器

主流方案：

TiN电阻加热器：调谐效率 0.15 nm/mW，响应时间~ms级。

硅掺杂PIN二极管：载流子注入调谐（速率GHz），但引入额外插损~3 dB。

突破性设计：

腔体SOI热隔离：在波导下方刻蚀空气腔（深度3 μm），减少热扩散，功耗降至 2.1 mW/π相移（对比传统方案20 mW）。

ITiO栅极驱动：利用钛掺杂氧化铟的电场调谐（589 pm/V），近零静态功耗（适用于低功耗WDM系统）。

温度不敏感设计

游标效应补偿：双环级联（半径差ΔR≈0.5%）使温度漂移< 0.023 dB/K，免除TEC控温。

混合材料集成：硅波导+聚合物包层（负热光系数），实现被动温度补偿。

制造工艺关键点与良率提升

核心工艺控制

光刻精度：

电子束光刻（EBL）替代DUV：环圆度误差< ±3 nm，抑制谐振峰分裂。

纳米压印（NIL）：降低EDG器件成本30%，但套刻精度需<50 nm。

干法刻蚀优化：

HBr/O₂等离子体工艺：波导侧壁陡直度>88°，粗糙度<1 nm RMS。

深度控制：硅层刻蚀深度偏差需<5%，防止耦合效率波动。

封装与可靠性

ALD密封技术：原子层沉积Al₂O₃隔绝水氧，器件失效概率< 10⁻⁶ FIT。

应力匹配设计：环氧树脂封装胶热膨胀系数（CTE）需匹配硅（2.6 ppm/K），避免温循开裂。

前沿应用与发展趋势

通信与传感

1.6T CPO光引擎：MRR阵列与硅光调制器单片集成，能耗≤ 5 pJ/bit（英伟达GB200架构）。

高灵敏度生物传感：

石墨烯-金复合涂层：折射率灵敏度达 730 nm/RIU，检测限2.8×10⁻⁶ RIU。

多环游标效应：前列腺抗原（PSA）检测灵敏度提升6.5倍[citation:15]。

非线性光学扩展

四波混频（FWM）：高Q微环（Q>10⁵）中泵浦光转换效率> -20 dB，用于量子光源生成。

光频梳生成：氮化硅微环在C波段产生>100条梳线，线宽<100 kHz（光计算与精密测量）。

MRR技术正向 多功能集成（滤波+调制+传感）、超低功耗（零偏置调谐）、三维堆叠 演进，但仍需突破：

工艺标准化：耦合间隙（~150 nm）与波导尺寸的晶圆级均匀性控制（CD误差<3%）。

混合集成瓶颈：硅光芯片与电子ASIC的3D互连（间距≤10 μm）热管理难题。

成本竞争力：8英寸SOI晶圆流片成本>5000美元，需转向硅基氮化硅平台降本30%。

技术突破：

Q值>1×10⁶（氮化硅材料，3μm半径环）

调谐效率：0.15nm/mW（集成TiN加热器）

产线良率提升措施：

电子束光刻替代DUV：环圆度误差<±3nm（降低谐振峰分裂）

原子层沉积(ALD)封装：隔绝水氧保障长期稳定性（失效概率<10⁻⁶ FIT）

产线升级实施建议

设备改造优先级

刻蚀机：升级ICP等离子源（射频功率精度±1%）

镀膜机：引入离子束溅射(IBS)替代磁控溅射（膜厚均匀性±0.3%）

光刻机：配置纳米压印模块（NIL）降低EDG生产成本30%

材料选型指南

测试标准升级

波长精度：可调激光源+光学频谱分析仪(OSA)校准（参考ITU-T G.694.1）

可靠性：85℃/85%RH双85测试1000小时，插损变化≤0.2dB

光子是未来的应用重点技术

20世纪以来, 经典信息科技在信息获取、处理和传递方面取得了巨大进展, 为人类社会的发展提供了重要保障. 随着量子物理研究的深入, 量子信息技术应运而生, 将量子力学的基本原理和资源(如态叠加、不可克隆、不确定性和量子纠缠等)融入信息科技, 发展出包括量子精密测量、量子计算、量子通信等在内的多项技术。

这些技术有望在测量精度、信息处理能力、传输容量和信息安全等方面超越经典信息技术的极限. 在量子信息技术中, 其核心关键是量子信息载源的物理实现. 近年来, 在核磁共振、冷原子、超导线路和量子光学等系统中提出了多种量子信息载源方案。其中, 光子因其无静止质量、良好相干性、低损耗和高速传输等优势, 成为高性能量子信息载源的主要候选者。

参考文章： AIOT大数据

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