平面光波導技術及其器件發展趨勢分析 - 訊石光通訊網-做光通訊...

　　ICCSZ訊    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面加速，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，對以密集型波分復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。

　　平面光波導技術

　　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。採用集成電路技術(Integrated Circuit)製造波導晶片的光路，將常規分立光學元件的各種功能集成到同一光學襯底表面，完成常規由多個分立光學元件所構成的龐大光學系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，因此稱該技術為平面光波導技術(Planar Lightwave Circuit)。

　　平面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、電感和電晶體(二極體、三極體)，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。平面光波導的基本元件是雷射器、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，但對於平面光波導技術而言，厚度、折射率和殘餘應力則要求精細控制，否則不能實現光波信號的產生、控制、傳輸與探測。

　　目前平面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英寸襯底目前只有韓國Way optics可提供。下面以SiO2平面光波導器件為例，說明平面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襯底表面)，折射率一般控制在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。折射率一般控制在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。單採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、均勻性等難控制，通常採用複合掩膜的方式。可採用金屬掩膜，如Cr或Al，也可採用晶體掩膜，如Si3N4等。金屬掩膜可採用PVD(物理氣相沉積)濺射的方式沉積。晶體掩膜可採用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，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、瀋陽芯源KS-L150，效率高，控制可控。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系列或上海微電子裝備的200系列。

　　(5)刻蝕。刻蝕金屬或晶體掩膜和光波導芯層，殘留光刻膠、掩膜可採用溼法化學腐蝕除去。為了保證掩膜精度，通常採用RIE(反應離子刻蝕法)刻蝕掩膜層，速率慢、刻蝕精度高。採用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。刻蝕機臺可採用單機多腔室組合，如SPTS fxP/c2L平臺、AMAT CENTURA平臺等。

　　(6)沉積上包層。刻蝕完成後，經過清洗，然後可進行上包層沉積。可採用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面產生龜裂，儘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，但仍然難控制其中的殘餘應力。多次沉積、多次退火工藝難控制。採用FHD法，優化退火工藝，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

　　平面光波導器件是採用平面光波導技術製造而成的器件，分為無源器件、有源器件以及有源/無源混合集成器件。

　　無源平面光波導器件，顧名思義，無需能(電)源的器件就是無源器件，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非常火爆，根據2016年4月5日市場及技術諮詢公司ElectroniCast報告，2015年全球平面光波導分路器市場總額達到6.96億美元，同比增長達到14%。中國目前已經成為平面光波導分路器市場的主導者，佔市場總額的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口，國內僅能做封裝，大部分利潤都被韓、日、歐美拿走。經過多年的潛心研究與開發，2015年之後，河南仕佳光子一躍成為全球最大的光分路器晶片供應商，月產6英寸晶圓可達3000片。目前國內圍繞平面光波導分路器專門從事封裝製造的企業不下100家。

　　AWG是WDM(波分復用/解復用)系統的關鍵器件，其設計與製造較平面光波導器件難，目前國內還沒有規模化量產，還處於量產攻關階段。目前採用串聯的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100GHz(波長間隔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半導體化學物材料來製造。主要半導體雷射器(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業的領導者。圖2為集成型的無源平面光波導器件，其製造工藝複雜，需要用到MOCVD(金屬氣相沉積法)。這類產品歐美日較發達，國內只能生產10G以下產品，高端產品全部依賴進口。

　　

　　圖2：集成型有源平面光波導器件。

　　無源/有源混合集成平面光波導器件。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做好光波導迴路，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/有源混合集成平面光波導器件。

　　矽光子集成

　　用於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(GaAs和InP)、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機聚合物、矽和鍺半導體，因此器件的種類也很多。光波導器件能否像集成電路產業一樣，只採用矽這一種材料呢?由於作為雷射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，而只能是幾個、幾十個、幾種功能的集成，能做到上百、上千的個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晶片光學信號產生和處理技術，先後突破了矽基光子調製與探測技術。2007年7月，Intel研究人員實現了矽雷射調製器帶寬為40Gbps，2008年5月採用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。

　　矽基雷射器是弱項。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採用標準CMOS工藝製造的混合矽雷射器，7年之後，該團隊展示了速度達1000Gbps的混合矽基雷射器。到目前為止，拉曼散射是在矽材料中產生雷射的唯一可行的方法，2004年，首次驗證了受激拉曼散射效應的矽基雷射器，而後2005年，連續拉曼散射雷射器也得到了驗證。如果矽基雷射器技術得到了全面的解決，矽基放大器也將得到全面解決，屆時即可實現全面矽基CMOS技術，光纖通信技術將會得到前面的發展，如圖4所示。

　　

　　圖4：基於CMOS工藝的矽基光子器件。

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