浅谈平面光波导技术和应用 l0( !}oD0  
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  随着FTTH的蓬勃发展,PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一,而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG,其材料、工艺和应用多种多样,本文略作介绍。 a8gQ9w5  
1.平面光波导材料 -:zFg5X6  
  PLC光器件一般在六种材料上制作,它们是:铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃,各种材料上制作的波导结构如图1所示,其波导特性如表1所示。 ]bbrLCmgH  
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  图1. PLC光波导常用材料 m "jNu S7  
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  表1. PLC光波导常用材料特性 _=@'t o  
  铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。 E`ZD* 1  
2.平面光波导工艺 63cYzgfpG  
  以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。 HSb.%3  
  二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步: )$_N-vn  
  1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示; }ww7M>/V  
  2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示; T+Hr:e-z  
  3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀,如图2(d)所示。 xV70S*NVg  
  4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图2(e)所示; 7 mHkm  
  5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉,如图2(f)所示; <u80>A(h  
  6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层,如图2(g)所示;  <0&JL~  
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。 e)pP9 2  
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点: /? XQt  
  1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应; sz?C&. s-  
  2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗; @"eoR>=p  
  3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。 pmm2\y[S  
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  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 EHJ:Su]  
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: 4#e  
  1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示; 'Y*m=_`  
  2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示; ]b+zS8Gy  
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; Q|'PnJ71  
  4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导; ?"x~%  
  5)对沟道型光波导施以电场,将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导,如图3(g)所示。 mks;]F  
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  图3. 玻璃光波导的制作工艺 BV}~1C  
3.平面光波导的应用 ZYKe\_5o  
  铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与MEMS混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。 ZD1Efzh_-  
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  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 dGdkFW5  
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  图5. 基于玻璃光波导的光分路器 RJD4,)zc  
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  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 _DL5~/%8a9  
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  图7. 基于聚合物光波导的VOA e(sSLaDa5  
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  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       WGS,4uVI/s  
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  随着FTTH的蓬勃发展,PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一,而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG,其材料、工艺和应用多种多样,本文略作介绍。 TL#pll\S8  
1.平面光波导材料 AG~8+U/  
  PLC光器件一般在六种材料上制作,它们是:铌酸锂(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃,各种材料上制作的波导结构如图1所示,其波导特性如表1所示。 oXx;81T')  
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  图1. PLC光波导常用材料 w.zY"G#[  
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  表1. PLC光波导常用材料特性 ,~q8mcq  
  铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。 h ~p6n,E@  
2.平面光波导工艺 8)/_`!~#@  
  以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。 wX'#I*4  
  二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步: Gr;>BWty%  
  1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示; vWPrrR>N  
  2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示; iu*=.~X#8?  
  3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀,如图2(d)所示。 'c,m~E  
  4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图2(e)所示; +q| AgY  
  5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉,如图2(f)所示; /m.:{.Y_8  
  6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层,如图2(g)所示; 6w35(QX;  
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。 t36nt#W  
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点: c,ytl#)Q0  
  1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应; M_OJe\[w  
  2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗; ,!LzpO]y}h  
  3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。 Zw:tDg}  
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  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 WQ2VPz  
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: `qR/o3%9'  
  1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示; Z1/dD7ry K  
  2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示; ^CKJPd@p&  
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; TL+(u(px  
  4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导; dv AK=M  
  5)对沟道型光波导施以电场,将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导,如图3(g)所示。 52alI(L?H  
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  图3. 玻璃光波导的制作工艺 +;*1G  
3.平面光波导的应用 SR^ves/L  
  铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与MEMS混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。 !%6 GyfD  
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  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 F1jTE;?  
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  图5. 基于玻璃光波导的光分路器 N<tX7hQ  
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  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 7@$O+P  
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  图7. 基于聚合物光波导的VOA JG D9;lh  
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  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       Xkxy m  
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