光波导的一些基本概念

平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成 中文为：平面光波导(技术)。所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面 内。正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。 因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的 PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如 玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如 InP,GaAs 等)、绝缘体上的硅(Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、 高分子聚合物(Polymer)等。基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器 (Starcoupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver )和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。根 据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材 料体系以及加工工艺制作而成。值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并 且是独立的。他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成 各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图 2)。这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通 信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知 的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。1. 平面光波导材料PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂(LiNbO3)、B-V族 半导体化合物、二氧化硅(SiO2)、SOI(Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅)、聚 合物(Polymer)和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性 如表1所示。铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散 型。InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气 为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为称底，以不 同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基 片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导 结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯 层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波 导，波导结构为扩散型。2. 平面光波导工艺以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和 聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下 面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：1）采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长 一层SiO2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示；2）采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层， 其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；3）通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d） 所示。4）进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示；5）采用反应离子刻蚀（RIE）X艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所 示；6）去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2, 其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示；7）通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。二氧化硅波导工艺中的几个关键点：1）材料生长和退火硬化工艺，要使每层材料的厚度和折射率均匀且准确， 以达到设计的波导结构参数，尽量减少材料内部的残留应力，以降低波导的双 折射效应；2）RIE刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗；3）RIE刻蚀工艺总会存在Undercut,要控制Undercut量的稳定性，作为布版 设计时的补偿依据。玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步：1）在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所 示；2）进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；3）采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉，如图3（d）所示；4）将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+Na+离子的混合溶液中，在适当的温 度下进行离子交换，如图3 （e）所示，Ag+离子提升折射率，得到如图3 （f） 所示的沟道型光波导；5）对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深 处，得到掩埋型玻璃光波导，如图3 （g）所示。3. 平面光波导的应用铌酸锂晶体具有良好的电光特性，在电光调制器中应用广泛。InP材料既可 以制作光有源器件又可以制作光无源器件，被视为光有源/无源器件集成的最好 平台。SOI材料在MEMS器件中应用广泛，是光波导与MEMS混合集成的优良 平台。聚合物波导的热光系数是SiO2的32倍，应用在需要热光调制的动态器 件中，可以大大降低器件功耗。玻璃波导具有最低的传输损耗和与光纤的耦合 损耗，而且成本低廉，是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有 良好的光学、电学、机械性能和热稳定性，被认为是无源光集成最有实用前景 的技术途径。