PLC(光分路器)技术以及制作工艺大全

2021年06月02日 16:36
PLC更广为人知的是在电子技术领域,它是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)的简称。在光通信技术领域,PLC是平面光路(Planar Lightwave Circuit)的简称,它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构,在技术上,可实现的功能性器件有方向耦合器DC、Y分支器、多模干涉耦合器MMI、阵列波导光栅AWG、光学梳状滤波器ITL、马赫-增德尔MZ电光调制器、热光可调衰减器TO-VOA、热光开关TO-SW等。

在光通信产业界,得到广泛应用的PLC器件主要有光分路器、AWG、MZ电光调制器、TO-VOA等,其中光分路器是基于Y分支串并联实现的分光器件,比如一个1×16端口的光分路器,需要15个Y分支器。AWG是一种1×N端口器件,它可以将输入的数十个波长分开到不同输出端口。基于铌酸锂光波导制备的MZ调制器,是目前最主流的调制器方案;而硅光调制器技术业已发展成熟,成为50G以上高速调制器的首选方案。基于PLC技术的TO-VOA与AWG结合,构成具备信道均衡功能的波分复用/解复用器VMUX模块。

基于PLC技术、得到广泛应用的光通信器件有多种,但是在产业界,PLC通常指的是光分路器,它是一种在FTTH网络中应用最多的光无源器件。在2000年的互联网泡沫之后,光通信产业进入萧条期;2004年左右,在应用场景还没出现的情况下,日本率先将FTTH作为基础设施进行投资建设;2008年后随着中国的加入,FTTH建设在2012年左右达到高峰。FTTH通常采用无源光网络PON,其核心就是PLC光分路器,在各种商业楼宇和住宅中被广泛敷设。在生活体验中,离我们最近的就是,入户调制解调器的“猫”尾巴,由早期的双绞线升级至目前的光纤跳线,就是引自PLC光分路器的一个端口,光纤入户通常能支持100-200M的网速,这比电缆所能支持的4M传输速率高得多。

光分路器(PLC)制作工艺大全
在光通信领域,PLC是平面光路的简称,它是基于集成光学技术制备的各种光波导结构,以实现某种功能性器件。光波导的制备工艺,主要有四种:离子交换,离子注入,化学气相沉积和火焰水解法。

1)        离子交换
离子交换工艺的原理,是将含有A+离子的玻璃材料浸泡在含有B+离子的溶液中,利用离子会从高浓度区域向低浓度区域扩散的性质,以溶液中的B+离子将玻璃中的A+离子交换出来。由于含A+离子的玻璃材料比含B+离子的玻璃材料具有更高的折射率,从而在发生离子交换的区域获得高折射率,作为光波导的芯层,未发生离子交换的区域作为光波导的包层,得到所需的光波导结构。
通过离子交换制备光波导的大致工艺流程如图1所示:
1)通过蒸镀或者溅射工艺,在玻璃基底上覆盖一层掩模层;
2)通过光刻和腐蚀工艺,在掩膜层开出一个波导结构的窗口;
3)将制备好掩模层并开窗口的玻璃材料,浸泡在溶液中进行离子交换;
4)通过电场驱动,将分布在表层的交换离子驱动到一定深度,形成波导结构。
实际工艺中,为了更好的保证离子交换效果,上述3-4两步需要同时进行,这有赖于具体的工艺设计。

图1. 离子交换制备光波导的工艺流程

为了提高离子交换效率并获得良好的光波导特性,需要适当选择两种相互交换的离子,优化玻璃配方,控制溶液的浓度和温度,并适当的施加电场。

2)        离子注入
离子注入是一种材料表面改性技术,属于半导体行业中的一种标准加工工艺。离子注入光波导,是通过离子加速器将离子加速到数万至数十万电子伏特的高能量,轰击基片材料表面,通过原子或者分子之间的相互作用,在材料表面引起损伤或者缺陷,改变折射率,形成光波导结构。

典型的离子注入制备光波导工艺如图2所示,离子注入机通常由离子源、离子提取与预加速、磁分析器、后道加速器、电子扫描系统、离子注入腔及真空系统构成。在离子源的腔体中,通过气体放电产生的离子;被离子提取器中的电极导出并进行预加速;磁分析器控制离子束的质量,获得方向性较好的离子束;经后道加速后的离子束,在电子偏转器的控制下,注入腔体中的样品。

图2. 离子注入制备光波导的工艺

放入离子注入腔体中的基片材料需要预处理,根据光波导图形制备掩膜层,在离子注入之后,还需要后道处理,比如退火工艺,减小注入产生的材料缺陷对损耗的影响。

3)        化学气相沉积
化学气相沉积CVD工艺也是半导体行业中的一种标准工艺,CVD工艺制备光波导的流程如图3所示,它是在硅基片(或者石英基片)上相继沉积具有不同掺杂层的光波导层,比如芯层通过掺磷、硼来提高折射率,包层通过掺锗来降低折射率。在沉积芯层之后与沉积上包层之前,需要通过光刻工艺来制备掩膜层,定义光波导图形。在每一层沉积之后,都需要退火硬化工艺来增强沉积层的致密度和均匀性,并减小应力。

图3. 化学气相沉积制备光波导的工艺流程

4)        火焰水解法
火焰水解法FHD制备光波导的工艺流程与化学气相沉积CVD类似,差别仅在生成薄膜层的工艺条件不同。CVD是将含有膜层元素的各种单质和化合物通入腔体,在一定温度下发生化学反应,从而在衬底表面沉积所需薄膜层。FHD是将含有膜层元素的挥发性卤化物如四氯化硅,以及含有各种掺杂元素如磷、硼、锗的卤化物,通入气体燃烧器,在高温火焰中与水发生化学反应,生成掺有各种杂质元素的二氧化硅薄膜层。

5)        工艺比较
离子交换和离子注入工艺,可以制备出低成本的光波导,但对波导横截面形状的控制稍差,主要用来制作光分路器,其中离子注入工艺的生产效率较离子交换高得多。CVD和FHD对波导横截面形状的控制要好得多,可用来制作高端光波导器件如阵列波导光栅AWG,其中FHD较CVD更利于厚膜的制备。