平面光波导技术及其器件开发

高容量，高速度和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加快，对音频，视频，数据，多媒体和电子商务服务的需求急剧增加。建立高容量，高速，高智能的全光通信网络已成为必然。 20世纪是微电子学的世纪，其发展遵循着名的摩尔定律，21世纪是光电子学的世纪，其发展也将遵循光与系泊定律，即传输带宽每9到12个月光纤通​​信量就会增加。翻倍，用户数量每3到6个月翻一番。为了实现大容量数据的高速传输和交换，对基于密集波分复用的全光网络设备提出了新的要求。从最初的分立组件到阵列设备，从大容量设备到波导设备，从分立设备到集成，光纤通信设备的发展也将发生巨大变化。平面光波导技术1969年，贝尔实验室的MillerS.E。首先提出了集成光学的概念，宣告了光纤通信行业进入集成设备的时代。集成电路技术（Integrated Circuit）被用于制造波导芯片的光路，并且常规分立光学元件的各种功能被集成在同一光学基板表面上，以完成常规体光学的光学信息处理能力。由多个分立的光学元件组成的系统。实现光波信号的产生和检测，光功率分配，光开关，光滤波等功能。随着光纤通信技术的飞速发展，这项技术也得到了迅速发展，并逐渐形成了自己的特点。大多数功能结构在同一光学基板上，主要结构是光波导通道。因此，该技术被称为平面光波电路。平面光波导技术是在集成电路技术的基础上发展起来的，具有自己独特的地位。集成电路的基本组件是电阻器，电容器，电感器和晶体管（二极管，晶体管）。集成电路技术用于通过薄膜沉积，扩散，外延，光刻，蚀刻，退火等在硅基板上制造这些基本组件。并与电线互连。平面光波导的基本组件是激光器，光波导和检测器。所用的基材材料不同，例如InP，GaAs，SiO2，LiNbO3等，并且材料在一个过程之间有所不同。集成电路技术不需要所形成的膜的严格厚度，折射率和残余应力。然而，对于平面光波导技术，厚度，折射率和残余应力需要精细控制，否则将无法实现光波信号的产生和控制。 ，传输和检测。目前，平面光波导技术主要用于6英寸基板，国内制造商包括河南石家光电，上海宏辉，杭州景城和湖南新中河。国外制造商包括韩国的PPI，Fi-Ra，Wooriro，霓虹灯，美国的NeoPhotonics，Enablence，日本的NTT，AiDi等。 8英寸基板目前仅可从South Korea Wayoptics获得。以SiO 2平面光波导器件为例，说明如图2所示的平面光波导技术的工艺流程。 （1）沉积下包层。沉积下包层的方法根据基板的材料而不同。当选择Si作为衬底时，可以通过氧化形成下包层（直接氧化Si衬底的表面），并且折射率通常控制在1.457@633nm，厚度为10至15μm ，并且残余应力低。批量制造相对容易，但是折射率难以控制。选择高纯度熔融石英玻璃作为基质e，可以通过PECVD（等离子体增强化学气相沉积）沉积。典型的工艺气体是SiH4和N2O。在膜沉积完成之后，然后执行高温退火。折射率通常控制在1.457@633 nm，厚度为10至15μm，残余应力低。处理模式可以是多腔或多腔多芯片，并且该器件可以选自Novellus C1，SPTS Deltafx P / c2L等。 （2）沉积光波导芯层。主要有两种沉积方法，FHD（火焰水解法）和PECVD。 FHD是NTT在日本的发明。典型的工艺气体为SiCl4，GeCl4，H2和O2。 PECVD的典型工艺是SiH4，GeH4和N2O。在膜沉积完成之后，然后在He和O 2气氛中进行高温退火。根据平面光波导器件的设计要求，芯层与下包层的折射率之差为0.3％，0.45％，0.75％，1.5％等，均匀度小于0.0005，厚度为3-8μm，均匀度小于0.3μm。处理模式可以是多腔或多腔多芯片，并且该器件可以选自Novellus C1，SPTS Deltafx P / c2L等。 （3）面膜。光致抗蚀剂用作掩模层，并且在蚀刻核心光波导时也蚀刻光致抗蚀剂。这要求通常使用复合掩模来控制厚的光致抗蚀剂，厚的光致抗蚀剂膜形成，均匀性等难以控制。可以使用诸如Cr或Al的金属掩模，或者可以使用诸如Si 3 N 4的晶体掩模。金属掩模可以通过PVD（物理气相沉积）溅射来沉积。可以通过LPCVD（低压化学气相沉积）来进行晶体掩模。 （4）光刻。光刻将设计的版图转移到核心光波导。包括涂布，预烘烤，曝光，硬膜，显影，后烘烤等。在工厂的批处理过程中，只能完成两台设备，一条轨道完成曝光以外的其他过程，一台光刻机完成曝光过程。轨道可以从日本TEL，沉阳核心源KS-L150中选择，效率高，控制力强。该光刻机可以使用步进扫描或接触式，例如SUSSMA-150等接触式，生产效率稍低，并且需要经常清洁光刻板。步进扫描型具有较高的生产效率和较高的设备价格。可以从尼康的NSR系列或上海微电子的200系列中选择。 （5）蚀刻。蚀刻金属或晶体掩模和光波导芯层，并且可以通过湿化学蚀刻去除残留的光刻胶和掩模。为了确保掩模的精度，通常通过RIE（反应性离子蚀刻）以低的速率和高的蚀刻精度来蚀刻掩模层。光波导芯层通过ICP（电感耦合等离子体蚀刻）进行蚀刻，具有很高的速度和方向性。要求光波导的侧壁的蚀刻粗糙度小于200nm。否则，过大的侧面粗糙度会导致较大的传输损耗。 。蚀刻机可以采用单机多室组合，例如SPTSfxP / c2L平台和AMATCENTURA平台。 （6）沉积上覆层。蚀刻完成后，将其清洗，然后可以沉积上覆层。可以采用FHD方法和PECVD方法。 PECVD的典型工艺气体是SiH4和N2O。它需要多次沉积，不能一次完成。否则，尽管可以在包层中掺杂少量，但厚膜会在退火过程中在表面沉淀晶体或破裂。 B 2 O 3和P 2 O 5在降低SiO 2的软化温度的同时增加了SiO 2的热膨胀系数，但是仍然难以控制残余应力。多次沉积和多次退火工艺难以控制。 FHD方法用于优化退火过程，可以通过一次成膜和一次退火来完成。图1：典型的SiO2平面光波导器件的工艺流程。平面光波导器件平面光波导器件是使用平面光波导技术制造的器件，分为两类。敏感组件，有源设备以及有源/无源混合集成设备。