中興新地PLC光芯片實(shí)現重大產(chǎn)業(yè)突破

中興新地離子交換PLC光芯片成功產(chǎn)業(yè)化　

　一、PLC光芯片應用的現實(shí)意義

　　從2007年開(kāi)始，隨著(zhù)XPON技術(shù)的走向成熟，中國開(kāi)始了光纖最后一公里的建設之路，歷經(jīng)FTTC/FTTB的技術(shù)過(guò)渡，2012年，中國發(fā)布了《GB 50846-2012 住宅區和住宅建筑內光纖到戶(hù)通信設施工程設計規范》的新的國家標準，光纖到戶(hù)（FTTH）已經(jīng)成為建筑樓宇必配的通信基礎設施，以PLC光分路器為主要應用的FTTH模式迎來(lái)了大規模的建設高潮，而PLC光芯片作為光分路器的核心功能器件，是影響光分路器技術(shù)指標和成本的重要因素，突破PLC光芯片的制造工藝難關(guān)，不僅對我國的FTTH進(jìn)程有著(zhù)重要影響，而且對提升中國的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，進(jìn)而成為全球光分路器的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)制造基地，都具有重要的現實(shí)意義。

　　二、PLC光芯片的工藝制造技術(shù)及優(yōu)特點(diǎn)分析

　　PLC光分芯片是通過(guò)特殊的制造工藝，在一種基板材料上生成一種一入多出的樹(shù)枝狀光波導通道，當光信號從輸出端進(jìn)入時(shí)，會(huì )沿著(zhù)光波導的路徑，分成多束光信號從輸出端射出，在PLC光芯片的輸入和輸出端耦合連接上FA（光纖陣列）和光纖端頭后，就可以完成正常的分光功能了。PLC光芯片的工作原理如圖1所示：

　　圖1 PLC光芯片工作原理

　　目前世界上PLC光芯片制造工藝主要有PECVD法（等離子體增強化學(xué)氣相淀積）和離子交換法，前者用的基板材料一般用石英玻璃，通過(guò)一種向上生長(cháng)的工藝方法來(lái)形成光波導通道，其所采用的主要工藝技術(shù)和設備與半導體集成電路基本類(lèi)似，其具有工藝技術(shù)穩定、適于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，由于其與半導體集成電路的生產(chǎn)工藝具有同源性，所以日本、韓國等半導體技術(shù)發(fā)達的國家，這方面的生產(chǎn)優(yōu)勢比較明顯，而我國由于半導體集成電路制造水平目前仍不發(fā)達，所以用PECVD工藝生產(chǎn)PLC芯片，生產(chǎn)成本仍然偏高。目前國際上以PECVD技術(shù)生產(chǎn)PLC晶圓及芯片的廠(chǎng)家主要有中國的河南仕佳光子公司和韓國的Woorori公司。而離子交換法用的基板材料為玻璃，其工藝實(shí)現原理是采用一種特殊材質(zhì)的玻璃基板，通過(guò)濺射、顯影、光刻等工藝在基板上形成特定的光波導圖形，然后采用特殊配方的電解熔鹽，并加以適當的電場(chǎng)和溫度，以在基板的下方形成光波導通道的制造方法。這種工藝方法對離子交換設備及玻璃原材料等需要進(jìn)行特殊研發(fā)及定制，需要攻克的工藝技術(shù)難關(guān)也較多，但技術(shù)一旦突破后，其生產(chǎn)工藝相對簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高，工藝容差較大，芯片成本相對較低等優(yōu)勢將變得非常突出，是當前性?xún)r(jià)比最高的PLC光芯片生產(chǎn)技術(shù)，目前國際上以離子交換法生產(chǎn)PLC晶圓及芯片的廠(chǎng)家主要有深圳的中興新地公司和以色列的Colorchip公司。

　　三、中興新地在離子交換工藝方面取得的技術(shù)突破

　　由于離子交換法屬于電化學(xué)工藝的技術(shù)特點(diǎn)，所以對玻璃原材料、電化學(xué)工藝、特制生產(chǎn)設備等方面均要自行研發(fā)，可借鑒的技術(shù)信息不多，技術(shù)難度較大，中興新地經(jīng)過(guò)多年技術(shù)攻關(guān)，主要完成如下技術(shù)突破：

　　1.基板用特殊光學(xué)玻璃研發(fā)

　　玻璃基板作為離子交換的載體，對基于離子交換技術(shù)的PLC 光分路器的性能有著(zhù)決定性的作用。為了制造出高性能的PLC光分路器芯片，玻璃基材需要滿(mǎn)足的要求主要包括：適合的堿金屬含量（以保證引入適合的折射率差）、合適的離子電導率、低透射損耗、穩定的Ag+的環(huán)境、合適的折射率（與光纖匹配）、良好的化學(xué)穩定性、高度各向同性、低缺陷（包括氣泡、皮紋等）等。經(jīng)過(guò)持續努力，中興新地完成了具有特定堿金屬成分的光學(xué)玻璃材料的研發(fā)，其優(yōu)異的光學(xué)和電化學(xué)指標是保證離子交換工藝PLC芯片得以成功的關(guān)鍵。

　　2.基于離子交換的電化學(xué)工藝研發(fā)

　　離子交換的電化學(xué)工藝主要包括：一次離子交換、二次電場(chǎng)輔助掩埋法，其形成的波導截面示意圖參見(jiàn)圖2所示。

　　圖2 兩種常見(jiàn)的離子交換法形成的波導

　　一次離子交換主要通過(guò)純熱擴散，在玻璃表面形成光波導，其折射率變化最大值位于玻璃表面（如圖4-a），光波在玻璃表面傳輸。玻璃表面的缺陷使得這種波導的傳輸損耗很高。所以一次交換后的芯片仍不具有可用性，還要通過(guò)二次電場(chǎng)輔助掩埋，將交換離子從玻璃表面推到玻璃內部。中興新地通過(guò)不斷的工藝驗證和改進(jìn)，摸索出了一套可靠的電化學(xué)交換工藝。其優(yōu)異的光學(xué)性能指標達到了產(chǎn)品化的要求。

　　3.特制生產(chǎn)設備研發(fā)

　　離子交換工藝生產(chǎn)PLC光波導芯片，在完成工藝原理及參數的配置后，就可以在實(shí)驗室完成樣片的生產(chǎn)，但要實(shí)現大批量的工業(yè)化生產(chǎn)，則對生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝流程控制、器件良率等提出了較高的要求，否則將無(wú)法實(shí)現批量生產(chǎn)而不具有可用性。在當前國際市場(chǎng)上，除中國外，只有以色列的Colorchip公司實(shí)現了離子交換工藝的大批量生產(chǎn)，而中國雖然有一些高校的研發(fā)團隊在實(shí)驗室也完成了相關(guān)工藝探索和樣片生產(chǎn)，但由于缺乏產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，所以批量化生產(chǎn)都不很成功，中興新地基于多年的通信鏈路設備生產(chǎn)經(jīng)驗，有一支產(chǎn)業(yè)化技術(shù)經(jīng)驗豐富的研發(fā)和生產(chǎn)隊伍，在沒(méi)有可借鑒的生產(chǎn)設備的基礎上，結合購買(mǎi)、自研和綜合化改造，完成了適應大批量生產(chǎn)的前端工藝處理設備、一次交換爐、二次交換爐、交換工裝治具、批量性能指標檢測設備等一大批專(zhuān)用設備及治具研發(fā)，從而保證了PLC光芯片的大批量生產(chǎn)。

　　四、中興新地離子交換工藝PLC光芯片的產(chǎn)業(yè)化現狀

　　2011年8月，項目立項。并開(kāi)展與IEP公司的技術(shù)合作。為加快研發(fā)進(jìn)程，2011年12月與北京大學(xué)深圳研究生院成立光器件聯(lián)合實(shí)驗室，綜合北京大學(xué)在半導體制造方面的技術(shù)優(yōu)勢共同研發(fā)PLC光芯片的前端濺射鍍膜、顯影、光刻等技術(shù)工藝。參見(jiàn)圖3。在2012年至2013年的2年時(shí)間內，陸續完成了具有優(yōu)異光學(xué)性能的玻璃基板材料研發(fā)，超凈離子交換工藝生產(chǎn)平臺建設，具有生產(chǎn)穩定性的離子交換工藝的研發(fā)等工作，在2013年底生產(chǎn)出了第一片具有工藝穩定性的離子交換PLC晶圓，目前已可以生產(chǎn)1X2～1X64全系列的光分路器芯片，產(chǎn)品指標完全符合國際GR-1209-CORE、GR-1221-CORE標準和中國平面光波導集成光路器件行業(yè)標準的指標要求。參見(jiàn)圖4。

　　圖3 北京大學(xué)-中興新地光器件聯(lián)合實(shí)驗室成立

　　圖4 PLC晶圓及芯片

　　經(jīng)過(guò)2年多的不斷生產(chǎn)、工藝改進(jìn)和規模擴充，目前已具有日產(chǎn)能達6萬(wàn)粒芯片/天（按1X8計算）的生產(chǎn)能力，以及配套的切割，研磨和封裝車(chē)間，形成了可向客戶(hù)提供PLC晶圓、芯片、U槽及V槽、FA、裸器件及光分路器成品的全套的供貨能力，參見(jiàn)圖5，圖6。

　　圖5 超凈PLC光芯片生產(chǎn)車(chē)間

　　圖6 PLC芯片配套生產(chǎn)車(chē)間

　　五、中興新地PLC光芯片成功產(chǎn)業(yè)化的現實(shí)意義

　　中興新地通過(guò)基于離子交換工藝的PLC光芯片技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，打破了韓國以PECVD技術(shù)為主導的PLC光芯片的技術(shù)壟斷，另辟蹊徑開(kāi)創(chuàng )了一條低成本的高性能PLC光芯片生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn)，在PLC芯片的研發(fā)過(guò)程中，中興新地廣泛開(kāi)展與高校的技術(shù)合作，同時(shí)獲得了深圳市政府的多項技術(shù)獎勵，成功探索出了一條產(chǎn)、學(xué)、研結合的高新技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化道路，通過(guò)PLC芯片的技術(shù)突破，中興新地已實(shí)現了PLC光分路器產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋，大大增強了技術(shù)創(chuàng )新能力和生產(chǎn)實(shí)力。據2015年發(fā)貨數據統計，中興新地光分路器系列產(chǎn)品發(fā)貨量已占國內三大運營(yíng)商總采購量的15%，成為國內第一大光分路器生產(chǎn)廠(chǎng)商，這也標志著(zhù)中興新地已成為全球最大的光分路器生產(chǎn)廠(chǎng)家。離子交換工藝PLC晶圓及芯片的大批量投產(chǎn)，可以明顯降低光分路器成品的制造成本，進(jìn)而降低FTTH網(wǎng)絡(luò )建設的成本投入，同時(shí)，對提高中國光通信類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)附加值和國際競爭力，也具有重要意義。技術(shù)的研發(fā)和探索永遠都沒(méi)有止境，該項目的成功將進(jìn)一步激發(fā)全體新地人的開(kāi)拓進(jìn)取精神，并將與國內同行一起，共同努力，為實(shí)現光通信事業(yè)的發(fā)展而繼續奮斗。

        作者：付勇 焦俊濤 （中興新地）