平麵光波導技術及其器件發展趨勢分析

高容量、高速率、高智能是光纖通信技術的發展趨勢。隨著全球經濟一體化進程的全麵加速，全社會對音視頻、數據、多媒體及電子商務等業務的需求急劇增長，建設具有高容量、高速率、高智能的全光通信網絡已成為必然。20世紀是微電子的世紀，其發展遵循著名的“摩爾定律”;21世紀是光電子的世紀，其發展也將遵循“光摩爾定律”，即光纖通信的傳輸帶寬平均每9~12個月增加一倍，用戶數每3~6個月翻一番。要實現高容量數據的高速傳輸與交換，對以密集型波分複用為基礎的全光網絡器件提出了新的要求。光纖通信器件的發展也將發生很大變化，從原來的分立元器件向陣列器件發展，從體塊型器件向波導型器件發展，從離散器件向集成化發展。

平麵光波導技術

1969年，貝爾實驗室的Miller S. E.首次提出了“集成光學”的概念，宣告了光纖通信產業進入集成器件的時代。采用集成電路技術(Integrated Circuit)製造波導芯片的光路，將常規分立光學元件的各種功能集成到同一光學襯底表麵，完成常規由多個分立光學元件所構成的龐大光學係統的光信息處理能力，實現光波信號生產與探測、光功率分配、光開關、光濾波等功能。隨著光纖通信技術的快速發展，該技術也得到了快速發展，逐步形成了自身特色。且大多數功能結構均在同一光學襯底上，主要結構是光波導通道，因此稱該技術為平麵光波導技術(Planar Lightwave Circuit)。

平麵光波導技術是在集成電路技術的基礎上發展起來的，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)，集成電路技術是在矽襯底上通過薄膜沉積、擴散、外延、光刻、刻蝕、退火等工藝製作這些基本的元件，並且用導線互聯。平麵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。集成電路技術對所成薄膜的厚度、折射率和殘餘應力要求不甚嚴格，但對於平麵光波導技術而言，厚度、折射率和殘餘應力則要求精細控製，否則不能實現光波信號的產生、控製、傳輸與探測。

目前平麵光波導技術主要是針對6英寸襯底，國內生產廠家有河南仕佳光子、上海鴻輝、杭州晶誠、湖南新中合。國外廠家有韓國的PPI、Fi-Ra、Wooriro、Neon，美國的NeoPhotonics、Enablence，日本的NTT、AiDi等。8英寸襯底目前隻有韓國Way optics可提供。下麵以SiO2平麵光波導器件為例，說明平麵光波導技術的工藝流程，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，則可用氧化的方式製作下包層(直接氧化Si襯底表麵)，折射率一般控製在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘餘應力。批量化製造相對較容易，但折射率難以控製。

選擇高純熔融石英玻璃作為襯底，則可用PECVD(等離子體增強化學氣相沉積法)來沉積，典型工藝氣體為SiH4、N2O。薄膜沉積完成之後，然後進行高溫退火。折射率一般控製在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘餘應力。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。薄膜沉積完成之後，然後進行He和O2氣氛中高溫退火。根據平麵光波導器件的設計要求，控製芯層折射率與下包層折射率差為0.3%、0.45%、0.75%、1.5%等，均勻性小於0.0005;厚度3～8μm，均勻性小於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、均勻性等難控製，通常采用複合掩膜的方式。可采用金屬掩膜，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(低氣壓化學氣相沉積)法進行。

(4)光刻。光刻是把設計好的版圖轉移到芯層光波導上。包括塗膠、前烘、曝光、堅膜、顯影、後烘等。工廠批量化過程中，隻需兩台設備即可完成，一台Track完成除曝光以外的工藝，一台光刻機完成曝光工藝。Track可選用日本TEL、沈陽芯源KS-L150，效率高，控製可控。光刻機可選用步進掃描式或接觸式，接觸式如SUSS MA-150，生產效率略低，需要經常清洗光刻版。步進掃描式生產效率高，設備價格也高，可選用Nikon的NSR係列或上海微電子裝備的200係列。

(5)刻蝕。刻蝕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於200nm，否則過大的側邊粗糙度將會引起大的傳輸損耗。刻蝕機台可采用單機多腔室組合，如SPTS fxP/c2L平台、AMAT CENTURA平台等。

(6)沉積上包層。刻蝕完成後，經過清洗，然後可進行上包層沉積。可采用FHD法和PECVD法。PECVD法典型工藝氣體為SiH4、N2O，需要進行多次沉積多次退火，不能一次完成，否則過厚的薄膜在退火中易析出晶體或在表麵產生龜裂，盡管可在包層中摻雜少量的B2O3和P2O5來提高SiO2的熱膨脹係數，同時降低SiO2的軟化溫度，但仍然難控製其中的殘餘應力。多次沉積、多次退火工藝難控製。采用FHD法，優化退火工藝，可一次性成膜一次性退火完成。

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圖1：典型SiO2平麵光波導器件工藝流程。

平麵光波導器件

平麵光波導器件是采用平麵光波導技術製造而成的器件，分為(wei) 無源器件、有源器件以及有源/無源混合集成器件。

無源平麵光波導器件，顧名思義(yi) ，無需能(電)源的器件就是無源器件，僅(jin) 作為(wei) 光波信號的傳(chuan) 輸、分波/合波濾波等功能。主要有平麵光波導分路器、陣列波導光柵(AWG)、光濾波器等。目前平麵光波導分路器在國內(nei) 外市場非常火爆，根據2016年4月5日市場及技術谘詢公司ElectroniCast報告，2015年全球平麵光波導分路器市場總額達到6.96億(yi) 美元，同比增長達到14%。中國目前已經成為(wei) 平麵光波導分路器市場的主導者，占市場總額的35%以上。2012年之前，國內(nei) 的光分路器器件全都是從(cong) 韓國和日本進口，國內(nei) 僅(jin) 能做封裝，大部分利潤都被韓、日、歐美拿走。經過多年的潛心研究與(yu) 開發，2015年之後，河南仕佳光子一躍成為(wei) 全球最大的光分路器芯片供應商，月產(chan) 6英寸晶圓可達3000片。目前國內(nei) 圍繞平麵光波導分路器專(zhuan) 門從(cong) 事封裝製造的企業(ye) 不下100家。

AWG是WDM(波分複用/解複用)係統的關(guan) 鍵器件，其設計與(yu) 製造較平麵光波導器件難，目前國內(nei) 還沒有規模化量產(chan) ，還處於(yu) 量產(chan) 攻關(guan) 階段。目前采用串聯的AWG濾波結構可獲得信道間隔達到10GHz(波長間隔0.08nm)，信道數超過1000。商用的AWG通常為(wei) 100GHz(波長間隔0.8nm)。

有源平麵光波導器件，是指需要能(電)源才能工作的光波導器件，可作為(wei) 光波信號的生成、調控、放大與(yu) 探測等。以Ⅲ-Ⅴ半導體(ti) 化學物材料來製造。主要半導體(ti) 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是此類器件技術及產(chan) 業(ye) 的領導者。圖2為(wei) 集成型的無源平麵光波導器件，其製造工藝複雜，需要用到MOCVD(金屬氣相沉積法)。這類產(chan) 品歐美日較發達，國內(nei) 隻能生產(chan) 10G以下產(chan) 品，高端產(chan) 品全部依賴進口。

　　
圖2：集成型有源平麵光波導器件。

無源/有源混合集成平麵光波導器件。無源器件和有源器件的材料各異，其製造工藝不盡相同，近來出現了以SiO2或Si做好光波導回路，然後將PD、LD以倒裝或貼裝的方式混合在一起，如圖3所示。

　　
圖3：無源/有源混合集成平麵光波導器件。

矽光子集成

用於(yu) 光波導器件的材料種類非常多，二氧化矽和玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體(ti) (GaAs和InP)、铌酸鋰和鉭酸鋰、有機聚合物、矽和鍺半導體(ti) ，因此器件的種類也很多。光波導器件能否像集成電路產(chan) 業(ye) 一樣，隻采用矽這一種材料呢?由於(yu) 作為(wei) 激光器的介質要求是直接帶隙才能激射，而矽是間接帶隙。因此自光纖通信技術發展伊始，其器件的發展始終不能像集成電路的發展一樣，可實現大規模、超大規模的集成，而隻能是幾個(ge) 、幾十個(ge) 、幾種功能的集成，能做到上百、上千的個(ge) 數或功能的集成異常困難。

矽基集成電路已經發展到近乎完美的程度，CMOS工藝已經堪稱完美。能否把光子器件與(yu) CMOS工藝相結合，使得光子器件材料統一，實現大規模集成?Intel和IBM早在本世紀初就開始重點發展矽芯片光學信號產(chan) 生和處理技術，先後突破了矽基光子調製與(yu) 探測技術。2007年7月，Intel研究人員實現了矽激光調製器帶寬為(wei) 40Gbps，2008年5月采用8路矽調製器實現了200Gbps。2015年5月，實現了在10~40Gbps的帶寬內(nei) 具有穩定的增益，且增益帶寬積保證在300GHz以上的矽基光探測器。

矽基激光器是弱項。2006年9月，Intel公司和UCSB(加州大學聖芭芭拉分校)聯合發布了世界上首個(ge) 采用標準CMOS工藝製造的混合矽激光器，7年之後，該團隊展示了速度達1000Gbps的混合矽基激光器。到目前為(wei) 止，拉曼散射是在矽材料中產(chan) 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矽基激光器，而後2005年，連續拉曼散射激光器也得到了驗證。如果矽基激光器技術得到了全麵的解決(jue) ，矽基放大器也將得到全麵解決(jue) ，屆時即可實現全麵矽基CMOS技術，光纖通信技術將會(hui) 得到前麵的發展，如圖4所示。