平面光波導技術(shù)及其器件發(fā)展趨勢分析

　　ICCSZ訊    高容量、高速率、高智能是光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著(zhù)全球經(jīng)濟一體化進(jìn)程的全面加速，全社會(huì )對音視頻、數據、多媒體及電子商務(wù)等業(yè)務(wù)的需求急劇增長(cháng)，建設具有高容量、高速率、高智能的全光通信網(wǎng)絡(luò )已成為必然。20世紀是微電子的世紀，其發(fā)展遵循著(zhù)名的“摩爾定律”;21世紀是光電子的世紀，其發(fā)展也將遵循“光摩爾定律”，即光纖通信的傳輸帶寬平均每9~12個(gè)月增加一倍，用戶(hù)數每3~6個(gè)月翻一番。要實(shí)現高容量數據的高速傳輸與交換，對以密集型波分復用為基礎的全光網(wǎng)絡(luò )器件提出了新的要求。光纖通信器件的發(fā)展也將發(fā)生很大變化，從原來(lái)的分立元器件向陣列器件發(fā)展，從體塊型器件向波導型器件發(fā)展，從離散器件向集成化發(fā)展。

　　平面光波導技術(shù)

　　1969年，貝爾實(shí)驗室的Miller S. E.首次提出了“集成光學(xué)”的概念，宣告了光纖通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)入集成器件的時(shí)代。采用集成電路技術(shù)(Integrated Circuit)制造波導芯片的光路，將常規分立光學(xué)元件的各種功能集成到同一光學(xué)襯底表面，完成常規由多個(gè)分立光學(xué)元件所構成的龐大光學(xué)系統的光信息處理能力，實(shí)現光波信號生產(chǎn)與探測、光功率分配、光開(kāi)關(guān)、光濾波等功能。隨著(zhù)光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)也得到了快速發(fā)展，逐步形成了自身特色。且大多數功能結構均在同一光學(xué)襯底上，主要結構是光波導通道，因此稱(chēng)該技術(shù)為平面光波導技術(shù)(Planar Lightwave Circuit)。

　　平面光波導技術(shù)是在集成電路技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，有其獨特的地方。集成電路的基本元件是電阻、電容、電感和晶體管(二極管、三極管)，集成電路技術(shù)是在硅襯底上通過(guò)薄膜沉積、擴散、外延、光刻、刻蝕、退火等工藝制作這些基本的元件，并且用導線(xiàn)互聯(lián)。平面光波導的基本元件是激光器、光波導和探測器，所用襯底材料各異、如InP、GaAs、SiO2、LiNbO3等，材料各異工藝也不盡相同。集成電路技術(shù)對所成薄膜的厚度、折射率和殘余應力要求不甚嚴格，但對于平面光波導技術(shù)而言，厚度、折射率和殘余應力則要求精細控制，否則不能實(shí)現光波信號的產(chǎn)生、控制、傳輸與探測。

　　目前平面光波導技術(shù)主要是針對6英寸襯底，國內生產(chǎn)廠(chǎng)家有河南仕佳光子、上海鴻輝、杭州晶誠、湖南新中合。國外廠(chǎng)家有韓國的PPI、Fi-Ra、Wooriro、Neon，美國的NeoPhotonics、Enablence，日本的NTT、AiDi等。8英寸襯底目前只有韓國Way optics可提供。下面以SiO2平面光波導器件為例，說(shuō)明平面光波導技術(shù)的工藝流程，如圖1所示。

　　(1)沉積下包層。根據襯底材料的不同，沉積下包層的方法也不一樣。選擇Si作為襯底，則可用氧化的方式制作下包層(直接氧化Si襯底表面)，折射率一般控制在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘余應力。批量化制造相對較容易，但折射率難以控制。

　　選擇高純熔融石英玻璃作為襯底，則可用PECVD(等離子體增強化學(xué)氣相沉積法)來(lái)沉積，典型工藝氣體為SiH4、N2O。薄膜沉積完成之后，然后進(jìn)行高溫退火。折射率一般控制在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘余應力。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片，設備可選用Novellus C1、SPTS Delta fxP/c2L等。

　　(2)沉積光波導芯層。沉積方法主要有兩種，FHD(火焰水解法)和PECVD。FHD是日本NTT發(fā)明。典型工藝氣體為SiCl4、GeCl4、H2和O2。PECVD的典型工藝其他為SiH4、GeH4、N2O。薄膜沉積完成之后，然后進(jìn)行He和O2氣氛中高溫退火。根據平面光波導器件的設計要求，控制芯層折射率與下包層折射率差為0.3%、0.45%、0.75%、1.5%等，均勻性小于0.0005;厚度3～8μm，均勻性小于0.3μm。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片，設備可選用Novellus C1、SPTS Delta fxP/c2L等。

　　(3)掩膜。單采用光刻膠作為掩膜層，在刻蝕芯層光波導的時(shí)候，光刻膠也被刻蝕了。如此則要求厚的光刻膠，厚光刻膠成膜、均勻性等難控制，通常采用復合掩膜的方式?？刹捎媒饘傺谀?，如Cr或Al，也可采用晶體掩膜，如Si3N4等。金屬掩膜可采用PVD(物理氣相沉積)濺射的方式沉積。晶體掩膜可采用LPCVD(低氣壓化學(xué)氣相沉積)法進(jìn)行。

　　(4)光刻。光刻是把設計好的版圖轉移到芯層光波導上。包括涂膠、前烘、曝光、堅膜、顯影、后烘等。工廠(chǎng)批量化過(guò)程中，只需兩臺設備即可完成，一臺Track完成除曝光以外的工藝，一臺光刻機完成曝光工藝。Track可選用日本TEL、沈陽(yáng)芯源KS-L150，效率高，控制可控。光刻機可選用步進(jìn)掃描式或接觸式，接觸式如SUSS MA-150，生產(chǎn)效率略低，需要經(jīng)常清洗光刻版。步進(jìn)掃描式生產(chǎn)效率高，設備價(jià)格也高，可選用Nikon的NSR系列或上海微電子裝備的200系列。

　　(5)刻蝕?？涛g金屬或晶體掩膜和光波導芯層，殘留光刻膠、掩膜可采用濕法化學(xué)腐蝕除去。為了保證掩膜精度，通常采用RIE(反應離子刻蝕法)刻蝕掩膜層，速率慢、刻蝕精度高。采用ICP(感應耦合等離子刻蝕)刻蝕光波導芯層，速率快，方向性好，要求光波導側壁刻蝕粗糙度小于200nm，否則過(guò)大的側邊粗糙度將會(huì )引起大的傳輸損耗?？涛g機臺可采用單機多腔室組合，如SPTS fxP/c2L平臺、AMAT CENTURA平臺等。

　　(6)沉積上包層?？涛g完成后，經(jīng)過(guò)清洗，然后可進(jìn)行上包層沉積?？刹捎肍HD法和PECVD法。PECVD法典型工藝氣體為SiH4、N2O，需要進(jìn)行多次沉積多次退火，不能一次完成，否則過(guò)厚的薄膜在退火中易析出晶體或在表面產(chǎn)生龜裂，盡管可在包層中摻雜少量的B2O3和P2O5來(lái)提高SiO2的熱膨脹系數，同時(shí)降低SiO2的軟化溫度，但仍然難控制其中的殘余應力。多次沉積、多次退火工藝難控制。采用FHD法，優(yōu)化退火工藝，可一次性成膜一次性退火完成。

　　圖1：典型SiO2平面光波導器件工藝流程。

　　平面光波導器件

　　平面光波導器件是采用平面光波導技術(shù)制造而成的器件，分為無(wú)源器件、有源器件以及有源/無(wú)源混合集成器件。

　　無(wú)源平面光波導器件，顧名思義，無(wú)需能(電)源的器件就是無(wú)源器件，僅作為光波信號的傳輸、分波/合波濾波等功能。主要有平面光波導分路器、陣列波導光柵(AWG)、光濾波器等。目前平面光波導分路器在國內外市場(chǎng)非?；鸨?，根據2016年4月5日市場(chǎng)及技術(shù)咨詢(xún)公司ElectroniCast報告，2015年全球平面光波導分路器市場(chǎng)總額達到6.96億美元，同比增長(cháng)達到14%。中國目前已經(jīng)成為平面光波導分路器市場(chǎng)的主導者，占市場(chǎng)總額的35%以上。2012年之前，國內的光分路器器件全都是從韓國和日本進(jìn)口，國內僅能做封裝，大部分利潤都被韓、日、歐美拿走。經(jīng)過(guò)多年的潛心研究與開(kāi)發(fā)，2015年之后，河南仕佳光子一躍成為全球最大的光分路器芯片供應商，月產(chǎn)6英寸晶圓可達3000片。目前國內圍繞平面光波導分路器專(zhuān)門(mén)從事封裝制造的企業(yè)不下100家。

　　AWG是WDM(波分復用/解復用)系統的關(guān)鍵器件，其設計與制造較平面光波導器件難，目前國內還沒(méi)有規?；慨a(chǎn)，還處于量產(chǎn)攻關(guān)階段。目前采用串聯(lián)的AWG濾波結構可獲得信道間隔達到10GHz(波長(cháng)間隔0.08nm)，信道數超過(guò)1000。商用的AWG通常為100GHz(波長(cháng)間隔0.8nm)。

　　有源平面光波導器件，是指需要能(電)源才能工作的光波導器件，可作為光波信號的生成、調控、放大與探測等。以Ⅲ-Ⅴ半導體化學(xué)物材料來(lái)制造。主要半導體激光器(LD)、光探測器(PD)、光波導放大器(OSA)、可調光衰減器等，可單片，也可集成，Infinera是此類(lèi)器件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導者。圖2為集成型的無(wú)源平面光波導器件，其制造工藝復雜，需要用到MOCVD(金屬氣相沉積法)。這類(lèi)產(chǎn)品歐美日較發(fā)達，國內只能生產(chǎn)10G以下產(chǎn)品，高端產(chǎn)品全部依賴(lài)進(jìn)口。

　　圖2：集成型有源平面光波導器件。

　　無(wú)源/有源混合集成平面光波導器件。無(wú)源器件和有源器件的材料各異，其制造工藝不盡相同，近來(lái)出現了以SiO2或Si做好光波導回路，然后將PD、LD以倒裝或貼裝的方式混合在一起，如圖3所示。

　　圖3：無(wú)源/有源混合集成平面光波導器件。

　　硅光子集成

　　用于光波導器件的材料種類(lèi)非常多，二氧化硅和玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體(GaAs和InP)、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機聚合物、硅和鍺半導體，因此器件的種類(lèi)也很多。光波導器件能否像集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，只采用硅這一種材料呢?由于作為激光器的介質(zhì)要求是直接帶隙才能激射，而硅是間接帶隙。因此自光纖通信技術(shù)發(fā)展伊始，其器件的發(fā)展始終不能像集成電路的發(fā)展一樣，可實(shí)現大規模、超大規模的集成，而只能是幾個(gè)、幾十個(gè)、幾種功能的集成，能做到上百、上千的個(gè)數或功能的集成異常困難。

　　硅基集成電路已經(jīng)發(fā)展到近乎完美的程度，CMOS工藝已經(jīng)堪稱(chēng)完美。能否把光子器件與CMOS工藝相結合，使得光子器件材料統一，實(shí)現大規模集成?Intel和IBM早在本世紀初就開(kāi)始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號產(chǎn)生和處理技術(shù)，先后突破了硅基光子調制與探測技術(shù)。2007年7月，Intel研究人員實(shí)現了硅激光調制器帶寬為40Gbps，2008年5月采用8路硅調制器實(shí)現了200Gbps。2015年5月，實(shí)現了在10~40Gbps的帶寬內具有穩定的增益，且增益帶寬積保證在300GHz以上的硅基光探測器。

　　硅基激光器是弱項。2006年9月，Intel公司和UCSB(加州大學(xué)圣芭芭拉分校)聯(lián)合發(fā)布了世界上首個(gè)采用標準CMOS工藝制造的混合硅激光器，7年之后，該團隊展示了速度達1000Gbps的混合硅基激光器。到目前為止，拉曼散射是在硅材料中產(chǎn)生激光的唯一可行的方法，2004年，首次驗證了受激拉曼散射效應的硅基激光器，而后2005年，連續拉曼散射激光器也得到了驗證。如果硅基激光器技術(shù)得到了全面的解決，硅基放大器也將得到全面解決，屆時(shí)即可實(shí)現全面硅基CMOS技術(shù)，光纖通信技術(shù)將會(huì )得到前面的發(fā)展，如圖4所示。

　　圖4：基于CMOS工藝的硅基光子器件。

　　平面光波導技術(shù)及其器件是全面提升信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與核心器件，是衡量一個(gè)國家技能水平和能力的關(guān)鍵。(文/陳波，余朝晃，彭彥斌：湖南新中合光電科技股份有限公司;向桂花，曲星;國網(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司)