浅谈平面光波导技术和应用 IKOQs2rA
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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。 s<
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1.平面光波导材料 H`?
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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。 <tN*}(;'
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图1. PLC光波导常用材料 +;D?8
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表1. PLC光波导常用材料特性 :EOJl?AU
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。 U+8
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2.平面光波导工艺 D
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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。 xk%{Wbi"T
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: UJD] 9
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; fX5MT97
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; NCoh"W
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。 A>L SA!
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; 81jLzEa
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; VJ}
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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; 4<-MD.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。 fTiV#lY*b
二氧化硅波导工艺中的几个关键点: !qX#3ye
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; Bf'<\L
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; Or1JL|=a
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。 [ 6iRl{8
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图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 h=+Kx7
玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: !$([)
1)在玻璃基片上溅射一层铝,作为离子交换时的掩模层,如图3(b)所示; W yU,G
2)进行光刻,将需要的波导图形用光刻胶保护起来,如图3(c)所示; '6!/-B,W>
3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; 7DfV^\}_>
4)将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中,在适当的温度下进行离子交换,如图3(e)所示,Ag+离子提升折射率,得到如图3(f)所示的沟道型光波导; E6LW.6#R
5)对沟道型光波导施以电场,将Ag+离子驱向玻璃基片深处,得到掩埋型玻璃光波导,如图3(g)所示。 x#Aw
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图3. 玻璃光波导的制作工艺 "U94h\P
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3.平面光波导的应用 v 3
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铌酸锂晶体具有良好的电光特性,在电光调制器中应用广泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光无源器件,被视为光有源/无源器件集成的最好平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛,是光波导与MEMS混合集成的优良平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍,应用在需要热光调制的动态器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合损耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性,被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。 ])<1YHnR
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图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 d$q?c/F^4
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图5. 基于玻璃光波导的光分路器 KY}Mz
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图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 Du*0z.xD
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图7. 基于聚合物光波导的VOA t^<m
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图8. 基于二氧化硅光波导的AWG
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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。 8=]Xsm
1.平面光波导材料 *`wrtGh
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。 o[);B-pu(
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图1. PLC光波导常用材料 $HVG}H#P0
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表1. PLC光波导常用材料特性 Wa
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铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导,波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层,以InGaAsP为芯层,以InP或者InP/空气为上包层,波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底,以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层,波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作,称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气,波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底,以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层,波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导,波导结构为扩散型。 )'& 4Nl
2.平面光波导工艺 CiqCbn.!p
以上六种常用的PLC光波导材料中,InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作,铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作,下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例,介绍两类波导工艺。 gwk(.og7wr
二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示,整个工艺分为七步: ;dxp}D!
1)采用火焰水解法(FHD)或者化学气相淀积工艺(CVD),在硅片上生长一层SiO2,其中掺杂磷、硼离子,作为波导下包层,如图2(b)所示; vJ;*
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2)采用FHD或者CVD工艺,在下包层上再生长一层SiO2,作为波导芯层,其中掺杂锗离子,获得需要的折射率差,如图2(c)所示; T@g$IKwBv
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。 KP=S &Y4rs
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; Sw~tzwM1,
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; k"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; d' =&0N/
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。 XwCNPw8'
二氧化硅波导工艺中的几个关键点:
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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; ]Lnw: w4
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; Vh*\m+!B
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。 x)_J0#-mq
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图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 .WsT4VQ,(u
玻璃光波导的制作工艺如图3所示,整个工艺分为五步: u]"i#']@
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; >Q:N'sUe
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; n:=
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3)采用化学腐蚀,将波导上部的铝膜去掉,如图3(d)所示; )]BVoTb-P
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; `aJz\-I
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。 x:6{SK0/&
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图3. 玻璃光波导的制作工艺 < ~EOBV![_
3.平面光波导的应用 :\tH;Xcj
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。 9b(P-
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图4. 基于铌酸锂光波导的电光调制器 *aTnG6Z&eu
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图5. 基于玻璃光波导的光分路器 e-NA!j9
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图6. 基于聚合物光波导的热光开关阵列 K*aqO
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图7. 基于聚合物光波导的VOA vS3=C0*
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图8. 基于二氧化硅光波导的AWG -$7QqQ
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MSN:fengdou168@hotmail.com
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