平面光波導(dǎo)技術(shù)及其器件發(fā)展趨勢分析

　　ICCSZ訊    高容量、高速率、高智能是光纖通信技術(shù)的發(fā)展趨勢。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的全面加速，全社會對音視頻、數(shù)據(jù)、多媒體及電子商務(wù)等業(yè)務(wù)的需求急劇增長，建設(shè)具有高容量、高速率、高智能的全光通信網(wǎng)絡(luò)已成為必然。20世紀(jì)是微電子的世紀(jì)，其發(fā)展遵循著名的“摩爾定律”;21世紀(jì)是光電子的世紀(jì)，其發(fā)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(shù)每3~6個月翻一番。要實(shí)現(xiàn)高容量數(shù)據(jù)的高速傳輸與交換，對以密集型波分復(fù)用為基礎(chǔ)的全光網(wǎng)絡(luò)器件提出了新的要求。光纖通信器件的發(fā)展也將發(fā)生很大變化，從原來的分立元器件向陣列器件發(fā)展，從體塊型器件向波導(dǎo)型器件發(fā)展，從離散器件向集成化發(fā)展。

　　平面光波導(dǎo)技術(shù)

　　1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Miller S. E.首次提出了“集成光學(xué)”的概念，宣告了光纖通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)入集成器件的時代。采用集成電路技術(shù)(Integrated Circuit)制造波導(dǎo)芯片的光路，將常規(guī)分立光學(xué)元件的各種功能集成到同一光學(xué)襯底表面，完成常規(guī)由多個分立光學(xué)元件所構(gòu)成的龐大光學(xué)系統(tǒng)的光信息處理能力，實(shí)現(xiàn)光波信號生產(chǎn)與探測、光功率分配、光開關(guān)、光濾波等功能。隨著光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，該技術(shù)也得到了快速發(fā)展，逐步形成了自身特色。且大多數(shù)功能結(jié)構(gòu)均在同一光學(xué)襯底上，主要結(jié)構(gòu)是光波導(dǎo)通道，因此稱該技術(shù)為平面光波導(dǎo)技術(shù)(Planar Lightwave Circuit)。

　　平面光波導(dǎo)技術(shù)是在集成電路技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，有其獨(dú)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(shù)是在硅襯底上通過薄膜沉積、擴(kuò)散、外延、光刻、刻蝕、退火等工藝制作這些基本的元件，并且用導(dǎo)線互聯(lián)。平面光波導(dǎo)的基本元件是激光器、光波導(dǎo)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(shù)對所成薄膜的厚度、折射率和殘余應(yīng)力要求不甚嚴(yán)格，但對于平面光波導(dǎo)技術(shù)而言，厚度、折射率和殘余應(yīng)力則要求精細(xì)控制，否則不能實(shí)現(xiàn)光波信號的產(chǎn)生、控制、傳輸與探測。

　　目前平面光波導(dǎo)技術(shù)主要是針對6英寸襯底，國內(nèi)生產(chǎn)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(dǎo)器件為例，說明平面光波導(dǎo)技術(shù)的工藝流程，如圖1所示。

　　(1)沉積下包層。根據(jù)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，則可用氧化的方式制作下包層(直接氧化Si襯底表面)，折射率一般控制在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘余應(yīng)力。批量化制造相對較容易，但折射率難以控制。

　　選擇高純?nèi)廴谑⒉Ａё鳛橐r底，則可用PECVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法)來沉積，典型工藝氣體為SiH4、N2O。薄膜沉積完成之后，然后進(jìn)行高溫退火。折射率一般控制在1.457@633nm，厚度10～15μm，低殘余應(yīng)力。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片，設(shè)備可選用Novellus C1、SPTS Delta fxP/c2L等。

　　(2)沉積光波導(dǎo)芯層。沉積方法主要有兩種，F(xiàn)HD(火焰水解法)和PECVD。FHD是日本NTT發(fā)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。薄膜沉積完成之后，然后進(jìn)行He和O2氣氛中高溫退火。根據(jù)平面光波導(dǎo)器件的設(shè)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，均勻性小于0.0005;厚度3～8μm，均勻性小于0.3μm。工藝模式可以是一腔多片或者是多腔多片，設(shè)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(dǎo)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，通常采用復(fù)合掩膜的方式?？刹捎媒饘傺谀?，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(xué)氣相沉積)法進(jìn)行。

　　(4)光刻。光刻是把設(shè)計好的版圖轉(zhuǎn)移到芯層光波導(dǎo)上。包括涂膠、前烘、曝光、堅(jiān)膜、顯影、后烘等。工廠批量化過程中，只需兩臺設(shè)備即可完成，一臺Track完成除曝光以外的工藝，一臺光刻機(jī)完成曝光工藝。Track可選用日本TEL、沈陽芯源KS-L150，效率高，控制可控。光刻機(jī)可選用步進(jìn)掃描式或接觸式，接觸式如SUSS MA-150，生產(chǎn)效率略低，需要經(jīng)常清洗光刻版。步進(jìn)掃描式生產(chǎn)效率高，設(shè)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?？涛g金屬或晶體掩膜和光波導(dǎo)芯層，殘留光刻膠、掩膜可采用濕法化學(xué)腐蝕除去。為了保證掩膜精度，通常采用RIE(反應(yīng)離子刻蝕法)刻蝕掩膜層，速率慢、刻蝕精度高。采用ICP(感應(yīng)耦合等離子刻蝕)刻蝕光波導(dǎo)芯層，速率快，方向性好，要求光波導(dǎo)側(cè)壁刻蝕粗糙度小于200nm，否則過大的側(cè)邊粗糙度將會引起大的傳輸損耗?？涛g機(jī)臺可采用單機(jī)多腔室組合，如SPTS fxP/c2L平臺、AMAT CENTURA平臺等。

　　(6)沉積上包層?？涛g完成后，經(jīng)過清洗，然后可進(jìn)行上包層沉積?？刹捎肍HD法和PECVD法。PECVD法典型工藝氣體為SiH4、N2O，需要進(jìn)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(chǎn)生龜裂，盡管可在包層中摻雜少量的B2O3和P2O5來提高SiO2的熱膨脹系數(shù)，同時降低SiO2的軟化溫度，但仍然難控制其中的殘余應(yīng)力。多次沉積、多次退火工藝難控制。采用FHD法，優(yōu)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(dǎo)器件工藝流程。

　　平面光波導(dǎo)器件

　　平面光波導(dǎo)器件是采用平面光波導(dǎo)技術(shù)制造而成的器件，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(dǎo)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(dǎo)分路器、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、光濾波器等。目前平面光波導(dǎo)分路器在國內(nèi)外市場非?；鸨?，根據(jù)2016年4月5日市場及技術(shù)咨詢公司ElectroniCast報告，2015年全球平面光波導(dǎo)分路器市場總額達(dá)到6.96億美元，同比增長達(dá)到14%。中國目前已經(jīng)成為平面光波導(dǎo)分路器市場的主導(dǎo)者，占市場總額的35%以上。2012年之前，國內(nèi)的光分路器器件全都是從韓國和日本進(jìn)口，國內(nèi)僅能做封裝，大部分利潤都被韓、日、歐美拿走。經(jīng)過多年的潛心研究與開發(fā)，2015年之后，河南仕佳光子一躍成為全球最大的光分路器芯片供應(yīng)商，月產(chǎn)6英寸晶圓可達(dá)3000片。目前國內(nèi)圍繞平面光波導(dǎo)分路器專門從事封裝制造的企業(yè)不下100家。

　　AWG是WDM(波分復(fù)用/解復(fù)用)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，其設(shè)計與制造較平面光波導(dǎo)器件難，目前國內(nèi)還沒有規(guī)模化量產(chǎn)，還處于量產(chǎn)攻關(guān)階段。目前采用串聯(lián)的AWG濾波結(jié)構(gòu)可獲得信道間隔達(dá)到10GHz(波長間隔0.08nm)，信道數(shù)超過1000。商用的AWG通常為100GHz(波長間隔0.8nm)。

　　有源平面光波導(dǎo)器件，是指需要能(電)源才能工作的光波導(dǎo)器件，可作為光波信號的生成、調(diào)控、放大與探測等。以Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體化學(xué)物材料來制造。主要半導(dǎo)體激光器(LD)、光探測器(PD)、光波導(dǎo)放大器(OSA)、可調(diào)光衰減器等，可單片，也可集成，Infinera是此類器件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。圖2為集成型的無源平面光波導(dǎo)器件，其制造工藝復(fù)雜，需要用到MOCVD(金屬氣相沉積法)。這類產(chǎn)品歐美日較發(fā)達(dá)，國內(nèi)只能生產(chǎn)10G以下產(chǎn)品，高端產(chǎn)品全部依賴進(jìn)口。

　　圖2：集成型有源平面光波導(dǎo)器件。

　　無源/有源混合集成平面光波導(dǎo)器件。無源器件和有源器件的材料各異，其制造工藝不盡相同，近來出現(xiàn)了以SiO2或Si做好光波導(dǎo)回路，然后將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(dǎo)器件。

　　硅光子集成

　　用于光波導(dǎo)器件的材料種類非常多，二氧化硅和玻璃、Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體(GaAs和InP)、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機(jī)聚合物、硅和鍺半導(dǎo)體，因此器件的種類也很多。光波導(dǎo)器件能否像集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，只采用硅這一種材料呢?由于作為激光器的介質(zhì)要求是直接帶隙才能激射，而硅是間接帶隙。因此自光纖通信技術(shù)發(fā)展伊始，其器件的發(fā)展始終不能像集成電路的發(fā)展一樣，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、超大規(guī)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(shù)或功能的集成異常困難。

　　硅基集成電路已經(jīng)發(fā)展到近乎完美的程度，CMOS工藝已經(jīng)堪稱完美。能否把光子器件與CMOS工藝相結(jié)合，使得光子器件材料統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成?Intel和IBM早在本世紀(jì)初就開始重點(diǎn)發(fā)展硅芯片光學(xué)信號產(chǎn)生和處理技術(shù)，先后突破了硅基光子調(diào)制與探測技術(shù)。2007年7月，Intel研究人員實(shí)現(xiàn)了硅激光調(diào)制器帶寬為40Gbps，2008年5月采用8路硅調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了200Gbps。2015年5月，實(shí)現(xiàn)了在10~40Gbps的帶寬內(nèi)具有穩(wěn)定的增益，且增益帶寬積保證在300GHz以上的硅基光探測器。

　　硅基激光器是弱項(xiàng)。2006年9月，Intel公司和UCSB(加州大學(xué)圣芭芭拉分校)聯(lián)合發(fā)布了世界上首個采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的混合硅激光器，7年之后，該團(tuán)隊(duì)展示了速度達(dá)1000Gbps的混合硅基激光器。到目前為止，拉曼散射是在硅材料中產(chǎn)生激光的唯一可行的方法，2004年，首次驗(yàn)證了受激拉曼散射效應(yīng)的硅基激光器，而后2005年，連續(xù)拉曼散射激光器也得到了驗(yàn)證。如果硅基激光器技術(shù)得到了全面的解決，硅基放大器也將得到全面解決，屆時即可實(shí)現(xiàn)全面硅基CMOS技術(shù)，光纖通信技術(shù)將會得到前面的發(fā)展，如圖4所示。

　　圖4：基于CMOS工藝的硅基光子器件。

　　平面光波導(dǎo)技術(shù)及其器件是全面提升信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)與核心器件，是衡量一個國家技能水平和能力的關(guān)鍵。(文/陳波，余朝晃，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(wǎng)湖南省電力公司湘西供電分公司)