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浅谈平面光波导技术和应用 \^4S^9QT'  
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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。 1nyvK<  
1.平面光波导材料 UYsQ%qO\H  
　　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。 Fp?nRSa  
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　　图1. PLC光波导常用材料 qJ#Y
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　　表1. PLC光波导常用材料特性 )`c\^&fH  
　　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。 847 &_{o  
2.平面光波导工艺 o8z6;@  
　　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。 xyTRd6e1%  
　　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： 6ma32|  
　　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； =u)qDlQ  
　　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； 62p
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　　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。 ZHfh==76z  
　　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； H(i ]} L  
　　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； rg}*vr  
　　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； J,4e!
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　　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。 f)a q,v$  
　　二氧化硅波导工艺中的几个关键点： \_oF*{*zi  
　　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})<n&  
　　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\I3W&h!K  
　　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。 J'_M7 yq  
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　　图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 ^?yY-G9!  
　　玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： =WO~v )l_o  
　　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； !Z(3h`Ia+  
　　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； vE)FpaTh  
　　3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图3（d）所示； x#5nZ.cE  
　　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； 3iwN)  
　　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。 wid`!tD<  
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　　图3. 玻璃光波导的制作工艺 Sp'D5yN
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3.平面光波导的应用 !;-$Gfhyjx  
　　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。 oZ>F $zp  
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　　图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 MMQLJ  
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　　图5. 基于玻璃光波导的光分路器 fN(<c  
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　　图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 <Xkh +hX,  
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　　图7. 基于聚合物光波导的VOA [vEbe8t  
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　　图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       "C`$:7/^  
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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。 35P@'<j  
1.平面光波导材料 I+,B]A}L`R  
　　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。 #svH:f.u  
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　　图1. PLC光波导常用材料 V VsQgC  
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　　表1. PLC光波导常用材料特性 J[D/e&.aOv  
　　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。 ET^"lv#3z  
2.平面光波导工艺 n>;`MM2  
　　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。 jk<.md6  
　　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： z.N]b6I  
　　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； 
yd"Xc%  
　　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； A|;i;oYDB  
　　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。 mS ]%L3g  
　　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； ai j_ *  
　　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； KV=CF:: :  
　　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； kpy<  
　　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。 bl(,:vY  
　　二氧化硅波导工艺中的几个关键点： .d;Q*v(B$  
　　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； V uD) (ql.  
　　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； YIB5n<{  
　　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。 ZD}/nX5  
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　　图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 |7Fns3A&  
　　玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： ! }4U"2  
　　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； rKN%D-q  
　　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； ilrse'3  
　　3)采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图3（d）所示； :xcnEsIs  
　　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； 0BUazdlh  
　　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。 jgGt0Krf  
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　　图3. 玻璃光波导的制作工艺 93gtv|;  
3.平面光波导的应用 06mRPwXE+  
　　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。 ZoG Qv_  
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　　图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 3WdQ 2n;e  
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　　图5. 基于玻璃光波导的光分路器 &v 2Wb2E  
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　　图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 f9^O B  
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　　图7. 基于聚合物光波导的VOA L|e]&]A1]  
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　　图8. 基于二氧化硅光波导的AWG       dpvuoHn  
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