PLC Splitter芯片的離子交換工藝及玻璃選擇

         玻璃基離子交換技術(shù)具有有數(shù)百年的悠久歷史。其最早被用于改變玻璃的光吸收特性，實(shí)現(xiàn)玻璃著色。之后該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于玻璃表面的處理（如觸摸屏表面加硬處理）。隨著光通信時(shí)代到來，玻璃基離子交換技術(shù)由于其良好的環(huán)境穩(wěn)定性以及光纖兼容性，開始廣泛應(yīng)用于光通信器件的制造（如：自聚焦透鏡、光分路器、光放大器等），并延展到傳感領(lǐng)域（如：基于光消逝波的各種生物、化學(xué)傳感器、電流傳感器等）。

        一：玻璃基離子交換技術(shù)介紹

        目前PLC Splitter芯片主流技術(shù)包括：PECVD技術(shù)、火焰水解技術(shù)、玻璃基離子交換技術(shù)。玻璃基離子交換技術(shù)的原理及工藝流程參見圖1、圖2所示，火焰水解技術(shù)的主要工藝流程參見圖3所示。其工藝特點(diǎn)對(duì)比參見表1。從行業(yè)多年的使用以及可靠性實(shí)驗(yàn)來看，目前兩種技術(shù)都在大規(guī)模的生產(chǎn)使用，性能上不分伯仲。PECVD/火焰水解的特點(diǎn)是：設(shè)備及原材料是現(xiàn)有的材料，但是其工藝很復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，工藝容差小；玻璃基離子交換技術(shù)的特點(diǎn)是：設(shè)備及原材料需要特殊定制，但是其工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高，工藝容差較大，芯片成本相對(duì)較低。

        二：離子交換工藝及玻璃材料選擇

        深圳市中興新地通信器材有限公司，多年來致力于玻璃基離子交換PLC光分路器芯片的開發(fā)。從玻璃原材料到交換工藝，從波導(dǎo)設(shè)計(jì)到交換設(shè)備開發(fā)，攻克了眾多的技術(shù)難關(guān)，于2012年開發(fā)出了PLC光分路器樣片，并通過了業(yè)界各種可靠性驗(yàn)證。2013年我們實(shí)現(xiàn)了光分路器芯片的批量化生產(chǎn)。下面我們主要介紹芯片生產(chǎn)流程中交換離子、交換方法以及交換玻璃的選擇要點(diǎn)。
 
        1：交換離子選擇 

        高溫下玻璃中可被交換的離子主要是堿金屬Na+、K+，而外界的交換離子主要有：Li+，K+，Rb+，Cs+，Tl+，Ag+。幾種交換離子的相關(guān)特性參見表2所示。綜合性能以及批量生產(chǎn)可操作性考慮，我們選擇Ag+—Na+交換生產(chǎn)PLC光分路器芯片，根據(jù)玻璃材料特性，可交換溫度300~400度。

      

         2：離子交換方法選擇

        目前報(bào)道的離子交換方法有多種，主要包括：一次離子交換發(fā)、二次電場(chǎng)輔助掩埋法，其形成的波導(dǎo)截面示意圖參見圖4所示。一次離子交換主要通過純熱擴(kuò)散，在玻璃表面形成光波導(dǎo)，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(dǎo)的傳輸損耗很高。同時(shí)波導(dǎo)截面及光場(chǎng)的不對(duì)稱性使得波導(dǎo)的耦合損耗以及PDL嚴(yán)重。目前一次離子交換主要用于需要光場(chǎng)泄露到表面的傳感波導(dǎo)器件制作。二次電場(chǎng)輔助掩埋主要通過高溫下電場(chǎng)將交換離子從玻璃表面推到玻璃內(nèi)部。
                                   

        中興新地采用的離子交換工藝主要流程包括：清洗、鍍惰性金屬膜、光刻、腐蝕、一次交換、去膜、電場(chǎng)輔助二次交換、熱退火。通過交換以及最后熱退火的直波導(dǎo)，其傳輸損耗達(dá)到了0.1dB/cm，芯片器件PDL<0.1dB。

        3：玻璃材料的選擇

        玻璃基材作為離子交換的載體，對(duì)基于離子交換技術(shù)的PLC 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(dǎo)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(xué)穩(wěn)定性、高度各向同性、低缺陷（包括氣泡、皮紋等）等。

        *高透過率以及機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性

        選擇硅酸鹽玻璃可以在滿足優(yōu)良的紅外透過率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)玻璃的良好機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃原材料采用分析純，特別避免Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、 Ni和 Cu的存在，以減少其在紅外波段的吸收。CaO、BaO以及B2O3的加入可以增加玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性。

        *合適的折射率

PLC光分路器芯片最終需要與光纖耦合對(duì)接，因此需要玻璃材料有合適的折射率(1.46~1.5)。玻璃的折射率主要與玻璃成分有關(guān)，可以通過專門的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。堿金屬以及CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO的加入將增加玻璃的折射率；Al2O3的引入(當(dāng)Al2O3與堿金屬氧化物的比例小于1時(shí))也會(huì)增加玻璃的折射率。F元素的引入可以減小玻璃的折射率，但是引入的量需要小于4%，否則玻璃的機(jī)械性能以及化學(xué)穩(wěn)定性都將顯著下降。

        *合適的離子電導(dǎo)率以及堿金屬含量

        高溫電場(chǎng)下，玻璃中的堿金屬離子以及交換離子需要遷移以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的推進(jìn)、掩埋。離子電導(dǎo)率也是玻璃材料需要重點(diǎn)考慮的對(duì)象。堿金屬氧化物和Al2O3的引入有助于增加電導(dǎo)率；CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO將降低電導(dǎo)率。同時(shí)，堿金屬離子的引入需要考慮離子交換折射率變化量的要求，引入過量將導(dǎo)致折射率變化量的過度增加，不利于單模波導(dǎo)及器件的生產(chǎn)控制。

        *穩(wěn)定的Ag+環(huán)境

        Ag+—Na+交換的一個(gè)工藝控制難點(diǎn)在于：交換過程中，Ag+易于生成Ag0納米顆粒。Ag0的產(chǎn)生將增加光傳輸損耗。導(dǎo)致Ag+轉(zhuǎn)變?yōu)锳g0的因素主要有兩方面：玻璃中的非橋接氧化鍵(NBO)以及還原性金屬Fe、As等的存在。在硅酸鹽玻璃中引入三價(jià)和二價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成體(如：Al2O3，B2O3，ZnO)可以減少甚至杜絕非橋接氧化鍵。

        三：芯片性能與可靠性實(shí)驗(yàn)

        我們對(duì)基于玻璃基離子交換技術(shù)的PLC芯片的性能以及可靠性都進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試與監(jiān)控。芯片的性能完全達(dá)到了行業(yè)商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，芯片的可靠性檢測(cè)內(nèi)容包括：

        *經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，玻璃材料的玻璃化溫度Tg=580度；耐酸等級(jí)1類；耐堿性B類；耐潮性A類；材料透過濾>98% (1250nm~1650nm)。玻璃材料的優(yōu)越光學(xué)特性以及穩(wěn)定性為PLC Splitter芯片的性能及可靠性提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

        *2012年10月，按照Telcordia GR-1209-CORE和Telcordia GR-1221-CORE標(biāo)準(zhǔn)我們對(duì)裸芯片、帶耦合好光纖陣列的半成品、封入管殼的光分路器成品進(jìn)行了可靠性實(shí)驗(yàn)(參見表3)，結(jié)果表明：芯片完全通過相關(guān)可靠性關(guān)測(cè)試要求。芯片的可靠性實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€在延續(xù)，截止2013年3月，經(jīng)過3000h的高溫存儲(chǔ)、低溫存儲(chǔ)、高溫高濕存儲(chǔ)以及2000次高低溫循環(huán)測(cè)試，芯片各項(xiàng)性能指標(biāo)正常。
                      

                                                                 *PCT實(shí)驗(yàn)(110度，1.2atm，96h)

         芯片的PCT實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見圖5所示(樣本數(shù)：50pcs；IL測(cè)試誤差+/-0.1dB)，芯片PCT實(shí)驗(yàn)前后IL變化量<0.3dB。

        基于離子交換技術(shù)的PLC splitter 的成功開發(fā)，使得中興新地建立了完整的光分路器產(chǎn)業(yè)鏈，處于行業(yè)領(lǐng)先地位。該平臺(tái)的建立，也為中興新地后續(xù)新的高端產(chǎn)品的開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (深圳市中興新地通信器材有限公司   高陽 焦俊濤   付勇   楊棟供稿)