浅谈平面光波导技术和应用 w9O
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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。 ={!sz*$
1.平面光波导材料
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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。 {YS;
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图1. PLC光波导常用材料 r2S&toSj
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表1. PLC光波导常用材料特性 `8dj^0
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。 \bmFiG)
2.平面光波导工艺 C.V",!N7M
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。 Yz6<*
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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: p5['t_2Nk
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; "p$69S~,]>
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; G,h@H5IV
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。 ^|Zs7
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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; Dmmzxn
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; C_&^|p<WG
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; {lOnUTUm
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。 C9gk~dS;:
二氧化硅波导工艺中的几个关键点: onv }$9$.?
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; az| ~M~
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; ao],~/fl
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。 qPIY
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图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 nOS{9{hU
玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: [.#Omg.Wx
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; <3HLrD4
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; G\Y+u3BD
3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; //AJ#2UAo
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;
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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。 n)AUE2
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图3. 玻璃光波导的制作工艺 =[ezrWQ
3.平面光波导的应用 KkMk>(ns7
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。 % Ke"AU
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图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 G^TCa Pdyk
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图5. 基于玻璃光波导的光分路器 }sQLyol}
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图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 @(W,kTE1o
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图7. 基于聚合物光波导的VOA *f;o0n
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图8. 基于二氧化硅光波导的AWG &t&jT 9V
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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。 ORms-Gr
1.平面光波导材料 `qaq,m&B-z
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。 B
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图1. PLC光波导常用材料 'kPW!=d5
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表1. PLC光波导常用材料特性 T0@B3<
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。 J3e~R>$Y
2.平面光波导工艺 irAz -=
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。 Z[}@s
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: \)Ez//3A,
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; m=n\Z`a
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; ekP5~N
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。 et56,}Wbr
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; e&[m{rD,i
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; swb`*^3Y
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; ma.AMdAYf
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。 s5E1/ko
二氧化硅波导工艺中的几个关键点: :jCp$.Ea
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; 9({sj+J'8
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; (r?x*OyG
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。 0DiJo
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图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 2qH,T} uG"
玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: @^p|.8's
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; [ZF72h
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; ]K}l $w
3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; W/D#= %-
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; -D>(|Rv|J
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。 :Tm}ScO
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图3. 玻璃光波导的制作工艺
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3.平面光波导的应用 Et;{ X@v
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。 >nDbX~N_
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图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 >|7:8A5
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图5. 基于玻璃光波导的光分路器 Q 2#Pw(gW
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图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 !T',6\{B
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图7. 基于聚合物光波导的VOA \Zyk}jX
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图8. 基于二氧化硅光波导的AWG 1hb lvi
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MSN:fengdou168@hotmail.com
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