PLC光無源器件技術(shù)的現(xiàn)狀分析

平面光波導(dǎo)PLC是英文Planar Lightwave Circuit的縮寫，是平面光波導(dǎo)技術(shù)。早在幾年前，平面光波導(dǎo)技術(shù)就能夠使光子在晶圓中傳輸，并已在WDM系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，主要是陣列波導(dǎo)光柵(AWG)復(fù)用/解復(fù)用模塊。近日，河南仕佳光子科技有限公司安俊明博士發(fā)表了《PLC光無源器件的現(xiàn)狀及展望》，針對PLC光無源器件的技術(shù)現(xiàn)狀作了闡述。

PLC光無源器件技術(shù)的第一類

第一類是波分復(fù)用器-平面光波導(dǎo)器件，其中又分為刻蝕衍射光柵EDG、微環(huán)諧振器解復(fù)用器、陣列波導(dǎo)光柵AWG和光子晶體解復(fù)用器這幾大類。

安博士還介紹了AWG的工作原理，其中AWG芯片是主干網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、光互連的關(guān)鍵芯片。不同材料系的AWG性能參數(shù)也不同，其中二氧化硅波導(dǎo)的折射率差為0.75%，波導(dǎo)尺寸為6 mm′6mm，彎曲半徑為5mm，40通道芯片尺寸為45mm′20mm，最大的優(yōu)點是，單獨使用的損耗低;SOI波導(dǎo)的折射率差為40%，波導(dǎo)尺寸為500nm′200nm，彎曲半徑為5mm;16通道芯片尺寸為580mm′170mm，屬于集成使用，亞微米加工，因此耦合難度大;InGaAsP/InP波導(dǎo)的尺寸為2.5 m m′0.5mm，彎曲半徑為500mm，屬于集成使用，損耗稍高，但是價格貴。

硅基二氧化硅AWG需要克服三大難點：均勻的材料生長、相位控制以減少串?dāng)_及退火應(yīng)力補(bǔ)償，其最大通道數(shù)高達(dá)512通道。

Si納米線波導(dǎo)AWG的波導(dǎo)尺寸在300nm-500nm，Ghent大學(xué)制備出了8通道、400GHz硅納米線AWG，尺寸僅為200mm′350mm，器件插損僅-1.1dB，串?dāng)_為-25dB。

硅納米線AWG關(guān)鍵工藝在于電子束曝光或深紫外曝光和ICP干法刻蝕，需要克服三大難點：EB光刻密集納米線波導(dǎo)均勻性、EB寫場拼結(jié)問題(斷開或錯位) 及EB光刻、ICP刻蝕側(cè)壁光滑性。

64通道、50GHz InP AWG的禁帶為1.05 mm，GaInAsP為0.5 mm厚，上面覆蓋1.5 mm厚的InP。深脊型波導(dǎo)寬度為2.55 mm，刻蝕深度為4.5 mm。NTT采用深脊型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)偏振無關(guān)，其尺寸為3.6mm′7.0mm;輸入/輸出波導(dǎo)展寬為4 mm;輸出波導(dǎo)間隔為25 mm;陣列波導(dǎo)彎曲半徑為500 mm;輸入/輸出波導(dǎo)彎曲半徑為250 mm;插損在14.4-16.4dB間，串?dāng)_小于-20dB。

PLC光無源器件技術(shù)的第二類

第二類為PLC光分路器，屬于光纖到戶的核心光子器件。PLC平面波導(dǎo)型光分路器采用高度集成的制備技術(shù)，分路數(shù)最多達(dá)128路，采用光刻、生長和干法刻蝕工藝，在石英襯底上形成掩埋光波導(dǎo)，實現(xiàn)光功率分配，是光分路器生產(chǎn)的最佳技術(shù)。目前掌握這種技術(shù)的公司，國外有NTT、AiDi、Hitachi Cable、Wooriro、PPI、Fi-Ra，Neon、Corecross、QNIX、Enablence。還有一種采用玻璃基離子交換制備技術(shù)，該技術(shù)的工藝簡單、設(shè)備投資少，國外有法國的Teem Photonics公司和以色列ColorChip公司，國內(nèi)曾有報道浙江大學(xué)也掌握了該技術(shù)。

目前，PLC光分路器晶圓制備工藝流程分6大步驟共19個工序。依次為：芯區(qū)生長-退火、生長硬掩膜、光刻(涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘)、刻蝕硬掩膜、去光刻膠、刻蝕芯區(qū)、去硬掩膜、清洗、生長上包層、退火(重復(fù)多次)。

PLC光無源器件技術(shù)的第三類

第三種類型為無源與有源功能器件混合集成，有AWG與可調(diào)諧衰減器(VOA)集成、AWG與熱光開關(guān)集成的光上下路器(OADM)這兩種集成方式。

二氧化硅平臺混合集成有LD倒裝和PD側(cè)面貼裝兩種方式。而封裝模塊-片上倒裝結(jié)構(gòu)屬于SOI平臺混合集成，有LD倒裝和PD表面貼裝兩道工序，比二氧化硅平臺少一個工序。

混合集成工藝-LD倒裝焊采用兩側(cè)臺階標(biāo)記的方式，SOI平臺混合集成LD倒裝

混合集成工藝-PD表面貼裝，采用面探測器，NTT以前用波導(dǎo)型探測器。相比較兩種探測器，面探測器對準(zhǔn)容差大，簡化了工藝。

PLC光無源器件技術(shù)的第四類

第四種類型為SOI納米線AWG與Ge探測器單片集成，屬于硅基器件混合、單片集成。

PLC光無源器件技術(shù)的第五類

第五種類型為InP基單片集成(PIC)，其中Infinera公司是全球PIC集成芯片代表。InP基單片集成Key Innovation PIC是技術(shù)上的創(chuàng)新，屬于有源光子的集成，具有空間小、能耗低、可靠性高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字帶寬，帶來部署和管理的靈活性。

目前光子集成實現(xiàn)了傳送IP化，單蝕刻，大規(guī)模InP光子集成、每芯片100Gb/s WDM系統(tǒng)容量、一對PIC集成了62個分離Tx&Rx

Infinera InP基集成實現(xiàn)了光纖耦合次數(shù)減少30倍，空間占用減少3倍，并且功率消耗減少50%，相對而言，優(yōu)勢明顯。

目前，國內(nèi)光通信產(chǎn)業(yè)鏈在系統(tǒng)集成這一環(huán)節(jié)實力雄厚，其中華為、中興、峰火均已躍居世界前列。但是不可否認(rèn)的是，我國在上游芯片這一塊的技術(shù)比較弱，只有低端有源可以自產(chǎn)，高端芯片全部依賴進(jìn)口。國內(nèi)在模塊這一環(huán)節(jié)的實力算是比較強(qiáng)，以光迅昂納等為代表，總體而方屬于經(jīng)組裝為主的封裝大國。眾所周知，光通信產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)在于芯片，只有掌握了高端芯片集成技術(shù)，整個產(chǎn)業(yè)鏈才得以很好的延伸下去。