中興新地PLC光芯片實現重大產業(yè)突破

中興新地離子交換PLC光芯片成功產業(yè)化　

　一、PLC光芯片應用的現實意義

　　從2007年開始，隨著XPON技術的走向成熟，中國開始了光纖最后一公里的建設之路，歷經FTTC/FTTB的技術過渡，2012年，中國發(fā)布了《GB 50846-2012 住宅區(qū)和住宅建筑內光纖到戶通信設施工程設計規(guī)范》的新的國家標準，光纖到戶（FTTH）已經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模式迎來了大規(guī)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指標和成本的重要因素，突破PLC光芯片的制造工藝難關，不僅對我國的FTTH進程有著重要影響，而且對提升中國的產業(yè)技術水平，進而成為全球光分路器的研發(fā)及產業(yè)制造基地，都具有重要的現實意義。

　　二、PLC光芯片的工藝制造技術及優(yōu)特點分析

　　PLC光分芯片是通過特殊的制造工藝，在一種基板材料上生成一種一入多出的樹枝狀光波導通道，當光信號從輸出端進入時，會沿著光波導的路徑，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，通過一種向上生長的工藝方法來形成光波導通道，其所采用的主要工藝技術和設備與半導體集成電路基本類似，其具有工藝技術穩(wěn)定、適于大批量生產等特點，由于其與半導體集成電路的生產工藝具有同源性，所以日本、韓國等半導體技術發(fā)達的國家，這方面的生產優(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PLC芯片，生產成本仍然偏高。目前國際上以PECVD技術生產PLC晶圓及芯片的廠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，其工藝實現原理是采用一種特殊材質的玻璃基板，通過濺射、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行特殊研發(fā)及定制，需要攻克的工藝技術難關也較多，但技術一旦突破后，其生產工藝相對簡單，生產效率較高，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，是當前性價比最高的PLC光芯片生產技術，目前國際上以離子交換法生產PLC晶圓及芯片的廠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突破

　　由于離子交換法屬于電化學工藝的技術特點，所以對玻璃原材料、電化學工藝、特制生產設備等方面均要自行研發(fā)，可借鑒的技術信息不多，技術難度較大，中興新地經過多年技術攻關，主要完成如下技術突破：

　　1.基板用特殊光學玻璃研發(fā)

　　玻璃基板作為離子交換的載體，對基于離子交換技術的PLC 光分路器的性能有著決定性的作用。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(wěn)定的Ag+的環(huán)境、合適的折射率（與光纖匹配）、良好的化學穩(wěn)定性、高度各向同性、低缺陷（包括氣泡、皮紋等）等。經過持續(xù)努力，中興新地完成了具有特定堿金屬成分的光學玻璃材料的研發(fā)，其優(yōu)異的光學和電化學指標是保證離子交換工藝PLC芯片得以成功的關鍵。

　　2.基于離子交換的電化學工藝研發(fā)

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

　　圖2 兩種常見的離子交換法形成的波導

　　一次離子交換主要通過純熱擴散，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?zhèn)鬏?。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，還要通過二次電場輔助掩埋，將交換離子從玻璃表面推到玻璃內部。中興新地通過不斷的工藝驗證和改進，摸索出了一套可靠的電化學交換工藝。其優(yōu)異的光學性能指標達到了產品化的要求。

　　3.特制生產設備研發(fā)

　　離子交換工藝生產PLC光波導芯片，在完成工藝原理及參數的配置后，就可以在實驗室完成樣片的生產，但要實現大批量的工業(yè)化生產，則對生產設備、生產工藝流程控制、器件良率等提出了較高的要求，否則將無法實現批量生產而不具有可用性。在當前國際市場上，除中國外，只有以色列的Colorchip公司實現了離子交換工藝的大批量生產，而中國雖然有一些高校的研發(fā)團隊在實驗室也完成了相關工藝探索和樣片生產，但由于缺乏產業(yè)化經驗，所以批量化生產都不很成功，中興新地基于多年的通信鏈路設備生產經驗，有一支產業(yè)化技術經驗豐富的研發(fā)和生產隊伍，在沒有可借鑒的生產設備的基礎上，結合購買、自研和綜合化改造，完成了適應大批量生產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用設備及治具研發(fā)，從而保證了PLC光芯片的大批量生產。

　　四、中興新地離子交換工藝PLC光芯片的產業(yè)化現狀

　　2011年8月，項目立項。并開展與IEP公司的技術合作。為加快研發(fā)進程，2011年12月與北京大學深圳研究生院成立光器件聯(lián)合實驗室，綜合北京大學在半導體制造方面的技術優(yōu)勢共同研發(fā)PLC光芯片的前端濺射鍍膜、顯影、光刻等技術工藝。參見圖3。在2012年至2013年的2年時間內，陸續(xù)完成了具有優(yōu)異光學性能的玻璃基板材料研發(fā)，超凈離子交換工藝生產平臺建設，具有生產穩(wěn)定性的離子交換工藝的研發(fā)等工作，在2013年底生產出了第一片具有工藝穩(wěn)定性的離子交換PLC晶圓，目前已可以生產1X2～1X64全系列的光分路器芯片，產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。參見圖4。

　　圖3 北京大學-中興新地光器件聯(lián)合實驗室成立

　　圖4 PLC晶圓及芯片

　　經過2年多的不斷生產、工藝改進和規(guī)模擴充，目前已具有日產能達6萬粒芯片/天（按1X8計算）的生產能力，以及配套的切割，研磨和封裝車間，形成了可向客戶提供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，參見圖5，圖6。

　　圖5 超凈PLC光芯片生產車間

　　圖6 PLC芯片配套生產車間

　　五、中興新地PLC光芯片成功產業(yè)化的現實意義

　　中興新地通過基于離子交換工藝的PLC光芯片技術研發(fā)及產業(yè)化，打破了韓國以PECVD技術為主導的PLC光芯片的技術壟斷，另辟蹊徑開創(chuàng)了一條低成本的高性能PLC光芯片生產技術路線，在PLC芯片的研發(fā)過程中，中興新地廣泛開展與高校的技術合作，同時獲得了深圳市政府的多項技術獎勵，成功探索出了一條產、學、研結合的高新技術產品的產業(yè)化道路，通過PLC芯片的技術突破，中興新地已實現了PLC光分路器產品的全產業(yè)鏈覆蓋，大大增強了技術創(chuàng)新能力和生產實力。據2015年發(fā)貨數據統(tǒng)計，中興新地光分路器系列產品發(fā)貨量已占國內三大運營商總采購量的15%，成為國內第一大光分路器生產廠商，這也標志著中興新地已成為全球最大的光分路器生產廠家。離子交換工藝PLC晶圓及芯片的大批量投產，可以明顯降低光分路器成品的制造成本，進而降低FTTH網絡建設的成本投入，同時，對提高中國光通信類產品的技術附加值和國際競爭力，也具有重要意義。技術的研發(fā)和探索永遠都沒有止境，該項目的成功將進一步激發(fā)全體新地人的開拓進取精神，并將與國內同行一起，共同努力，為實現光通信事業(yè)的發(fā)展而繼續(xù)奮斗。

        作者：付勇 焦俊濤 （中興新地）