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2008-06-27

浅谈平面光波导技术和应用

浅谈平面光波导技术和应用 yFd.b((o  
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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。 k%NV!z,YN  
1.平面光波导材料 @5#[*m3GJW  
  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。 x5-_YOOu  
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  图1. PLC光波导常用材料 `i$YQ  
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  表1. PLC光波导常用材料特性 ,/GcA cv3  
  铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。 jBh3#]-9  
2.平面光波导工艺 PX"7IG]We  
  以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。 Pb+Ne%)Qf  
  二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步: 9jjK2S\  
  1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示; KQ RkAmd  
  2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示; &:05e  
  3)通过退火硬化工艺,使前面生长的两层SiO2变得致密均匀,如图2(d)所示。 XwL'T)on2  
  4)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图2(e)所示; skxKI{.:  
  5)采用反应离子刻蚀(RIE)工艺,将非波导区域刻蚀掉,如图2(f)所示; D]Wp NJU]  
  6)去掉光刻胶,采用FHD或者CVD工艺,在波导芯层上再覆盖一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导上包层,如图2(g)所示; I1@^b?  
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。 rd4Lqom$  
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点: } gq4m  
  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; ,b4w58:=  
  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; 4 bK _  
  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。 apW< `  
   Ia;cp~  
  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 qa=-}w+  
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: `ap^ 5O1  
  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; Tr3 0Mv S  
  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; s-u~,))`V  
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; ?M] :Wt  
  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; EJ4W\Tz|<E  
  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。 Y6Q l?o.}  
   _V_g[8  
  图3. 玻璃光波导的制作工艺 X^x*M8  
3.平面光波导的应用 {(VuEfH(  
  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。 Z_ ,lx  
   _QlXw:   
  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 'ravw7Ye  
   Lp.Wj(  
  图5. 基于玻璃光波导的光分路器 3&4yl 4@1  
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  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 A;s`dly;  
   xc^w>-s_  
  图7. 基于聚合物光波导的VOA nBW/h &&6  
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  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       )"ucw[+l>  
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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。 2=k=0>02  
1.平面光波导材料 M(Rs5l(  
  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。 _R&L0_%E  
   k1 RL zb,5  
  图1. PLC光波导常用材料 =:trfrvu  
   zDu g`cA  
  表1. PLC光波导常用材料特性 S=}y)Rh:L  
  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。 Yib5B=K<  
2.平面光波导工艺 4 REMtV  
  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。 kR.?DN0_  
  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: 7Ce<S)'I-E  
  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; x+5= wA  
  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; tAR9- s  
  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。 Xz:l~UPv@;  
  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; \ylrXh  
  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; ;2]Dk:*=  
  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; ;-P8+$>`  
  7)通过退火硬化工艺,使上包层SiO2变得致密均匀,如图2(h)所示。 G%DZ^Tj0D  
  二氧化硅波导工艺中的几个关键点: =Yu t-bS  
  1)材料生长和退火硬化工艺,要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确,以达到设计的波导结构参数,尽量减少材料内部的残留应力,以降低波导的双折射效应; X#W* G-7  
  2)RIE刻蚀工艺,要得到陡直且光滑的波导侧壁,以降低波导的散射损耗; IwI9]i6  
  3)RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性,作为布版设计时的补偿依据。 Bv -b  
   DK#2/l#B  
  图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 )8z0IFl  
  玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: { FNK|X&=  
  1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示; B 5t\^2  
  2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示; f^X>`pZKiz  
  3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; /LE`%8gU  
  4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导; KGF$?D{"  
  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。 ?fg\n+3  
   ;pitrl]+  
  图3. 玻璃光波导的制作工艺 ~? od,G  
3.平面光波导的应用 Av%i1)M  
  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。 ,?"iy lf  
   ]h<"fT\:Y  
  图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 F0WGl\&  
   e H2a_U  
  图5. 基于玻璃光波导的光分路器 Vt/Sx,  
   C)v   
  图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 vOzyc{m  
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  图7. 基于聚合物光波导的VOA KDZa[tV*&>  
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  图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       Dt6rN>:>%  
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MSN:fengdou168@hotmail.com
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一共有 2 条评论
frank 2009-04-28 10:55 Says:
楼主图片没转过来?
sunny 2008-08-21 10:10 Says:
图片没啊?
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