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平面光波導(dǎo)技術(shù)及其器件發(fā)展
材料來源:激光世界           錄入時間:2016/6/2 9:37:17

 

/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

 

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,貝爾實驗室的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-RaWooriro、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1015μm,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1015μm,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 C1SPTS Delta fxP/c2L等。

 

2)沉積光波導(dǎo)芯層。沉積方法主要有兩種,FHD(火焰水解法)和PECVD。FHD是日本NTT發(fā)明。典型工藝氣體為SiCl4、GeCl4、H2O2PECVD的典型工藝其他為SiH4、GeH4、N2O。薄膜沉積完成之后,然后進(jìn)行HeO2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38μm,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。可采用金屬掩膜,如CrAl,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NikonNSR系列或上海微電子裝備的200系列。

 

5)刻蝕。刻蝕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機臺可采用單機多腔室組合,如SPTS fxP/c2L平臺、AMAT CENTURA平臺等。

 

6)沉積上包層。刻蝕完成后,經(jīng)過清洗,然后可進(jìn)行上包層沉積?刹捎FHD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B2O3P2O5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。

/石英襯底

PECVD/氧化沉積下包層

FHD/CVD沉積芯層并退火

PVD濺射金屬掩膜

涂光刻膠

曝光顯影

等離子體刻蝕金屬掩膜

去光刻膠

等離子體刻蝕芯層

去金屬掩膜

FHD/CVD沉積上包層并退火

SiO2下包層

GeSiO2芯層

CrAl金屬掩膜層

光刻膠層

B、PSiO2下包層

 

 

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鶕(jù)201645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。

 

AWGWDM(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);慨a(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。

 

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SiO2Si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。

 

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(GaAsInP)、鈮酸鋰和鉭酸鋰、有機聚合物、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,實現(xiàn)大規(guī)模集成?IntelIBM早在本世紀(jì)初就開始重點發(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)。20077月,Intel研究人員實現(xiàn)了硅激光調(diào)制器帶寬為40Gbps,20085月采用8路硅調(diào)制器實現(xiàn)了200Gbps20155月,實現(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。20069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。

 

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。

 

 


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