侵权投诉
订阅
纠错
加入自媒体

平面光波导技术及其器件发展

2016-07-07 10:04
Radow
关注

  高容量、高速率、高智能是光纤通信技术的发展趋势。随着全球经济一体化进程的全面加速,全社会对音视频、数据、多媒体及电子商务等业务的需求急剧增长,建设具有高容量、高速率、高智能的全光通信网络已成为必然。20世纪是微电子的世纪,其发展遵循著名的“摩尔定律”;21世纪是光电子的世纪,其发展也将遵循“光摩尔定律”,即光纤通信的传输带宽平均每9~12个月增加一倍,用户数每3~6个月翻一番。要实现高容量数据的高速传输与交换,对以密集型波分复用为基础的全光网络器件提出了新的要求。光纤通信器件的发展也将发生很大变化,从原来的分立元器件向阵列器件发展,从体块型器件向波导型器件发展,从离散器件向集成化发展。

  平面光波导技术

  1969年,贝尔实验室的Miller S. E.首次提出了“集成光学”的概念,宣告了光纤通信产业进入集成器件的时代。采用集成电路技术(Integrated Circuit)制造波导芯片的光路,将常规分立光学元件的各种功能集成到同一光学衬底表面,完成常规由多个分立光学元件所构成的庞大光学系统的光信息处理能力,实现光波信号生产与探测、光功率分配、光开关、光滤波等功能。随着光纤通信技术的快速发展,该技术也得到了快速发展,逐步形成了自身特色。且大多数功能结构均在同一光学衬底上,主要结构是光波导通道,因此称该技术为平面光波导技术(Planar Lightwave Circuit)。

  平面光波导技术是在集成电路技术的基础上发展起来的,有其独特的地方。集成电路的基本元件是电阻、电容、电感和晶体管(二极管、三极管),集成电路技术是在硅衬底上通过薄膜沉积、扩散、外延、光刻、刻蚀、退火等工艺制作这些基本的元件,并且用导线互联。平面光波导的基本元件是激光器、光波导和探测器,所用衬底材料各异、如InP、GaAs、SiO2、LiNbO3等,材料各异工艺也不尽相同。集成电路技术对所成薄膜的厚度、折射率和残余应力要求不甚严格,但对于平面光波导技术而言,厚度、折射率和残余应力则要求精细控制,否则不能实现光波信号的产生、控制、传输与探测。

  目前平面光波导技术主要是针对6英寸衬底,国内生产厂家有河南仕佳光子、上海鸿辉、杭州晶诚、湖南新中合。国外厂家有韩国的PPI、Fi-Ra、Wooriro、Neon,美国的NeoPhotonics、Enablence,日本的NTT、AiDi等。8英寸衬底目前只有韩国Way optics可提供。下面以SiO2平面光波导器件为例,说明平面光波导技术的工艺流程,如图1所示。

  (1)沉积下包层。根据衬底材料的不同,沉积下包层的方法也不一样。选择Si作为衬底,则可用氧化的方式制作下包层(直接氧化Si衬底表面),折射率一般控制在1.457@633nm,厚度10~15μm,低残余应力。批量化制造相对较容易,但折射率难以控制。

  选择高纯熔融石英玻璃作为衬底,则可用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)来沉积,典型工艺气体为SiH4、N2O。薄膜沉积完成之后,然后进行高温退火。折射率一般控制在1.457@633nm,厚度10~15μm,低残余应力。工艺模式可以是一腔多片或者是多腔多片,设备可选用Novellus C1、SPTS Delta fxP/c2L等。

  (2)沉积光波导芯层。沉积方法主要有两种,FHD(火焰水解法)和PECVD。FHD是日本NTT发明。典型工艺气体为SiCl4、GeCl4、H2和O2。PECVD的典型工艺其他为SiH4、GeH4、N2O。薄膜沉积完成之后,然后进行He和O2气氛中高温退火。根据平面光波导器件的设计要求,控制芯层折射率与下包层折射率差为0.3%、0.45%、0.75%、1.5%等,均匀性小于0.0005;厚度3~8μm,均匀性小于0.3μm。工艺模式可以是一腔多片或者是多腔多片,设备可选用Novellus C1、SPTS Delta fxP/c2L等。

  (3)掩膜。单采用光刻胶作为掩膜层,在刻蚀芯层光波导的时候,光刻胶也被刻蚀了。如此则要求厚的光刻胶,厚光刻胶成膜、均匀性等难控制,通常采用复合掩膜的方式。可采用金属掩膜,如Cr或Al,也可采用晶体掩膜,如Si3N4等。金属掩膜可采用PVD(物理气相沉积)溅射的方式沉积。晶体掩膜可采用LPCVD(低气压化学气相沉积)法进行。

  (4)光刻。光刻是把设计好的版图转移到芯层光波导上。包括涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘等。工厂批量化过程中,只需两台设备即可完成,一台Track完成除曝光以外的工艺,一台光刻机完成曝光工艺。Track可选用日本TEL、沈阳芯源KS-L150,效率高,控制可控。光刻机可选用步进扫描式或接触式,接触式如SUSS MA-150,生产效率略低,需要经常清洗光刻版。步进扫描式生产效率高,设备价格也高,可选用Nikon的NSR系列或上海微电子装备的200系列。

  (5)刻蚀。刻蚀金属或晶体掩膜和光波导芯层,残留光刻胶、掩膜可采用湿法化学腐蚀除去。为了保证掩膜精度,通常采用RIE(反应离子刻蚀法)刻蚀掩膜层,速率慢、刻蚀精度高。采用ICP(感应耦合等离子刻蚀)刻蚀光波导芯层,速率快,方向性好,要求光波导侧壁刻蚀粗糙度小于200nm,否则过大的侧边粗糙度将会引起大的传输损耗。刻蚀机台可采用单机多腔室组合,如SPTS fxP/c2L平台、AMAT CENTURA平台等。

  (6)沉积上包层。刻蚀完成后,经过清洗,然后可进行上包层沉积。可采用FHD法和PECVD法。PECVD法典型工艺气体为SiH4、N2O,需要进行多次沉积多次退火,不能一次完成,否则过厚的薄膜在退火中易析出晶体或在表面产生龟裂,尽管可在包层中掺杂少量的B2O3和P2O5来提高SiO2的热膨胀系数,同时降低SiO2的软化温度,但仍然难控制其中的残余应力。多次沉积、多次退火工艺难控制。采用FHD法,优化退火工艺,可一次性成膜一次性退火完成。

  图1:典型SiO2平面光波导器件工艺流程。

  平面光波导器件

  平面光波导器件是采用平面光波导技术制造而成的器件,分为无源器件、有源器件以及有源/无源混合集成器件。

1  2  下一页>  
声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

发表评论

0条评论,0人参与

请输入评论内容...

请输入评论/评论长度6~500个字

您提交的评论过于频繁,请输入验证码继续

暂无评论

暂无评论

文章纠错
x
*文字标题:
*纠错内容:
联系邮箱:
*验 证 码:

粤公网安备 44030502002758号