PLC光无源器件技术的现状

平面光波导PLC是英文PlanarLightwaveCircuit的缩写，是平面光波导技术。早在几年前，平面光波导技术就能够使光子在晶圆中传输，并已在WDM系统中广泛应用，主要是阵列波导光栅（AWG）复用/解复用模块。近日，河南仕佳光子科技有限公司安俊明博士发表了《PLC光无源器件的现状及展望》，针对PLC光无源器件的技术现状作了阐述。PLC光无源器件技术的第一类第一类是波分复用器-平面光波导器件，其中又分为刻蚀衍射光栅EDG、微环谐振器解复用器、阵列波导光栅AWG和光子品体解复用器这几大类。AWG的工作原理，其中AWG芯片是主十网、数据中心、光互连的关键芯片。不同材料系的AWG性能参数也不同，其中二氧化硅波导的折射率差为0.75%，波导尺寸为6mm'6mm，弯曲半径为5mm，40通道芯片尺寸为45mm'20mm，最大的优点是，单独使用的损耗低；SOI波导的折射率差为40%，波导尺寸为500nm，200nm，弯曲半径为5mm；16通道芯片尺寸为580mmz170mm，属于集成使用，亚微米加工，因此耦合难度大；InGaAsP/InP波导的尺寸为2.5mm'0.5mm，弯曲半径为500mm，属于集成使用，损耗稍高，但是价格贵。硅基二氧化硅AWG需要克服三大难点：均匀的材料生长、相位控制以减少串扰及退火应力补偿，其最大通道数高达512通道。Si纳米线波导AWG的波导尺寸在300nm-500nm，Ghent大学制备出了8通道、400GHz硅纳米线AWG，尺寸仅为200mmz350mm，器件插损仅-1.1dB，串扰为-25dB。硅纳米线AWG关键工艺在于电子束曝光或深紫外曝光和ICP十法刻蚀，需要克服三大难点：EB光刻密集纳米线波导均匀性、EB写场拼结问题（断开或错位）及EB光刻、ICP刻蚀侧壁光滑性。64通道、50GHzInPAWG的禁带为1.05mm,GaInAsP为0.5mm厚，上面覆盖1.5mm厚的InP。深脊型波导宽度为2.55mm，刻蚀深度为4.5mm。NTT采用深脊型结构，实现偏振无关，其尺寸为3.6mm'7.0mm；输入/输出波导展宽为4mm；输出波导间隔为25mm；阵列波导弯曲半径为500山山；输入/输出波导弯曲半径为250mm；插损在14.4-16.4dB间，串扰小于-20dB。第二类为PLC光分路器，属于光纤到户的核心光子器件。PLC平面波导型光分路器采用高度集成的制备技术，分路数最多达128路，采用光刻、生长和十法刻蚀工艺，在石英衬底上形成掩埋光波导，实现光功率分配，是光分路器生产的最佳技术。目前掌握这种技术的公司，国外有NTT、AiDi、HitachiCable、Wooriro、PPI、Fi-Ra，Neon、Corecross、QNIX、Enablence。还有一种采用玻璃基离子交换制备技术，该技术的工艺简单、设备投资少，国外有法国的TeemPhotonics公司和以色列ColorChip公司，国内曾有报道浙江大学也掌握了该技术。目前，PLC光分路器品圆制备工艺流程分6大步骤共19个工序。依次为：芯区生长一退火、生长硬掩膜、光刻（涂胶、前烘、曝光、显影、后烘）、刻蚀硬掩膜、去光刻胶、刻蚀芯区、去硬掩膜、清洗、生长上包层、退火（重复多次）。PLC光无源器件技术的第三类第三种类型为无源与有源功能器件混合集成，有AWG与可调谐衰减器（VOA）集成、AWG与热光开关集成的光上下路器（OADM）这两种集成方式。二氧化硅平台混合集成有LD倒装和PD侧面贴装两种方式。而封装模块-片上倒装结构属于SOI平台混合集成，有LD倒装和PD表面贴装两道工序，比二氧化硅平台少一个工序。混合集成工艺-LD倒装焊采用两侧台阶标记的方式，SOI平台混合集成LD倒装混合集成工艺-PD表面贴装，采用面探测器，NTT以前用波导型探测器。相比较两种探测器，面探测器对准容差大，简化了工艺。PLC光无源器件技术的第四类第四种类型为SOI纳米线AWG与Ge探测器单片集成，属于硅基器件混合、单片集成。PLC光无源器件技术的第五类第五种类型为InP基单片集成（PIC），其中Infinera公司是全球PIC集成芯片代表。InP基单片集成KeyInnovationPIC是技术上的创新，属于有源光子的集成，具有空间小、能耗低、可靠性高的特点，能够实现数字带宽，带来部署和管理的灵活性。目前光子集成实现了传送IP化，单蚀刻，大规模InP光子集成、每芯片100Gb/sWDM系统容量、一对PIC集成了62个分离Tx&RxInfineraInP基集成实现了光纤耦合次数减少30倍，空间占用减少3倍，并且功率消耗减少50%，相对而言，优势明显。目前，国内光通信产业链在系统集成这一环节实力雄厚，其中华为、中兴、峰火均已跃居世界前列。但是不可否认的是，我国在上游芯片这一块的技术比较弱，只有低端有源可以自产