平面光波導(dǎo)技術(shù)和應(yīng)用

訊石光通訊網(wǎng) 2009/3/23 16:18:24

        隨著FTTH的蓬勃發(fā)展,PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已經(jīng)成為光通信行業(yè)使用頻率最高的詞匯之一,而PLC的概念并不限于我們光通信人所熟知的光分路器和AWG,其材料、工藝和應(yīng)用多種多樣,本文略作介紹。 

       1.平面光波導(dǎo)材料
        PLC光器件一般在六種材料上制作,它們是:鈮酸鋰(LiNbO3)、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator, 絕緣體上硅)、聚合物(Polymer)和玻璃,各種材料上制作的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示,其波導(dǎo)特性如表1所示。
          
                   圖1. 
PLC光波導(dǎo)常用材料

                   表1. 
PLC光波導(dǎo)常用材料特性
          

        酸鋰波導(dǎo)是通過在鈮酸鋰晶體上擴(kuò)散Ti離子形成波導(dǎo),波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。InP波導(dǎo)以InP為稱底和下包層,以InGaAsP為芯層,以InP或者InP/空氣為上包層,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波導(dǎo)以硅片為稱底,以不同摻雜的SiO2材料為芯層和包層,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。SOI波導(dǎo)是在SOI基片上制作,稱底、下包層、芯層和上包層材料分別為Si、SiO2、Si和空氣,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為脊形。聚合物波導(dǎo)以硅片為稱底,以不同摻雜濃度的Polymer材料為芯層,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為掩埋矩形。玻璃波導(dǎo)是通過在玻璃材料上擴(kuò)散Ag離子形成波導(dǎo),波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴(kuò)散型。 

        2.平面光波導(dǎo)工藝
        以上六種常用的PLC光波導(dǎo)材料中,InP波導(dǎo)、二氧化硅波導(dǎo)、SOI波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)以刻蝕工藝制作,鈮酸鋰波導(dǎo)和玻璃波導(dǎo)以離子擴(kuò)散工藝制作,下面分別以二氧化硅波導(dǎo)和玻璃波導(dǎo)為例,介紹兩類波導(dǎo)工藝。
          二氧化硅光波導(dǎo)的制作工藝如圖2所示,整個(gè)工藝分為七步:
         1)采用火焰水解法(FHD)或者化學(xué)氣相淀積工藝(CVD),在硅片上生長一層SiO2,其中摻雜磷、硼離子,作為波導(dǎo)下包層,如圖2(b)所示;
         2)采用FHD或者CVD工藝,在下包層上再生長一層SiO2,作為波導(dǎo)芯層,其中摻雜鍺離子,獲得需要的折射率差,如圖2(c)所示;
        3)通過退火硬化工藝,使前面生長的兩層SiO2變得致密均勻,如圖2(d)所示。
        4)進(jìn)行光刻,將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來,如圖2(e)所示;
        5)采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝,將非波導(dǎo)區(qū)域刻蝕掉,如圖2(f)所示;
        6)去掉光刻膠,采用FHD或者CVD工藝,在波導(dǎo)芯層上再覆蓋一層SiO2,其中摻雜磷、硼離子,作為波導(dǎo)上包層,如圖2(g)所示;
         7)通過退火硬化工藝,使上包層SiO2變得致密均勻,如圖2(h)所示。 

         二氧化硅波導(dǎo)工藝中的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):
        1)材料生長和退火硬化工藝,要使每層材料的厚度和折射率均勻且準(zhǔn)確,以達(dá)到設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù),盡量減少材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力,以降低波導(dǎo)的雙折射效應(yīng);
         2)RIE刻蝕工藝,要得到陡直且光滑的波導(dǎo)側(cè)壁,以降低波導(dǎo)的散射損耗;
        3)RIE刻蝕工藝總會(huì)存在Undercut,要控制Undercut量的穩(wěn)定性,作為布版設(shè)計(jì)時(shí)的補(bǔ)償依據(jù)。

            
                 圖2. 二氧化硅光波導(dǎo)的制作工藝

       玻璃光波導(dǎo)的制作工藝如圖3所示,整個(gè)工藝分為五步:
       1)在玻璃基片上濺射一層鋁,作為離子交換時(shí)的掩模層,如圖3(b)所示;
       2)進(jìn)行光刻,將需要的波導(dǎo)圖形用光刻膠保護(hù)起來,如圖3(c)所示;
       3)采用化學(xué)腐蝕,將波導(dǎo)上部的鋁膜去掉,如圖3(d)所示;
       4)將做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+離子的混合溶液中,在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M(jìn)行離子交換,如圖3(e)所示,Ag+離子提升折射率,得到如圖3(f)所示的溝道型光波導(dǎo);
      5)對(duì)溝道型光波導(dǎo)施以電場(chǎng),將Ag+離子驅(qū)向玻璃基片深處,得到掩埋型玻璃光波導(dǎo),如圖3(g)所示。

           
                 圖3. 玻璃光波導(dǎo)的制作工藝 
     3.平面光波導(dǎo)的應(yīng)用
    鈮酸鋰晶體具有良好的電光特性,在電光調(diào)制器中應(yīng)用廣泛。InP材料既可以制作光有源器件又可以制作光無源器件,被視為光有源/無源器件集成的最好平臺(tái)。SOI材料在MEMS器件中應(yīng)用廣泛,是光波導(dǎo)與MEMS混合集成的優(yōu)良平臺(tái)。聚合物波導(dǎo)的熱光系數(shù)是SiO2的32倍,應(yīng)用在需要熱光調(diào)制的動(dòng)態(tài)器件中,可以大大降低器件功耗。玻璃波導(dǎo)具有最低的傳輸損耗和與光纖的耦合損耗,而且成本低廉,是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波導(dǎo)具有良好的光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性,被認(rèn)為是無源光集成最有實(shí)用前景的技術(shù)途徑。


              
              圖4. 基于鈮酸鋰光波導(dǎo)的電光調(diào)制器

          
              圖5. 基于玻璃光波導(dǎo)的光
分路器

          
              圖6. 基于聚合物光波導(dǎo)的熱光開關(guān)陣列

          
              圖7. 基于聚合物光波導(dǎo)的
VOA
          
          
              圖8. 基于二氧化硅光波導(dǎo)的
AWG

新聞來源:訊石光通訊網(wǎng)

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