平面波导型光分路器(PLC（光分路器）技术以及制作工艺大全)

Posted 2023-05-25

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平面波导型光分路器(PLC（光分路器）技术以及制作工艺大全)

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。

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