平面光波導(dǎo)技術(shù)和應(yīng)用

        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散Ti離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型。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散Ag離子形成波導(dǎo)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為擴散型。 

        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)工藝中的幾個關(guān)鍵點：
        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刻蝕工藝總會存在Undercut，要控制Undercut量的穩(wěn)定性，作為布版設(shè)計時的補償依據(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)對溝道型光波導(dǎo)施以電場，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。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。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)、機械性能和熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是無源光集成最有實用前景的技術(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