PLC（光分路器）技術(shù)以及制作工藝大全的詳細(xì)介紹

PLC更廣為人知的是在電子技術(shù)領(lǐng)域，它是可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱。在光通信技術(shù)領(lǐng)域，PLC是平面光路（Planar Lightwave Circuit）的簡稱，它是基于集成光學(xué)技術(shù)制備的各種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在技術(shù)上，可實現(xiàn)的功能性器件有方向耦合器DC、Y分支器、多模干涉耦合器MMI、陣列波導(dǎo)光柵AWG、光學(xué)梳狀濾波器ITL、馬赫-增德爾MZ電光調(diào)制器、熱光可調(diào)衰減器TO-VOA、熱光開關(guān)TO-SW等。

在光通信產(chǎn)業(yè)界，得到廣泛應(yīng)用的PLC器件主要有光分路器、AWG、MZ電光調(diào)制器、TO-VOA等，其中光分路器是基于Y分支串并聯(lián)實現(xiàn)的分光器件，比如一個1×16端口的光分路器，需要15個Y分支器。AWG是一種1×N端口器件，它可以將輸入的數(shù)十個波長分開到不同輸出端口?；阝壦徜嚬獠▽?dǎo)制備的MZ調(diào)制器，是目前最主流的調(diào)制器方案；而硅光調(diào)制器技術(shù)業(yè)已發(fā)展成熟，成為50G以上高速調(diào)制器的首選方案。基于PLC技術(shù)的TO-VOA與AWG結(jié)合，構(gòu)成具備信道均衡功能的波分復(fù)用/解復(fù)用器VMUX模塊。

基于PLC技術(shù)、得到廣泛應(yīng)用的光通信器件有多種，但是在產(chǎn)業(yè)界，PLC通常指的是光分路器，它是一種在FTTH網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的光無源器件。在2000年的互聯(lián)網(wǎng)泡沫之后，光通信產(chǎn)業(yè)進(jìn)入蕭條期；2004年左右，在應(yīng)用場景還沒出現(xiàn)的情況下，日本率先將FTTH作為基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行建設(shè)；2008年后隨著中國的加入，F(xiàn)TTH建設(shè)在2012年左右達(dá)到高峰。FTTH通常采用無源光網(wǎng)絡(luò)PON，其核心就是PLC光分路器，在各種商業(yè)樓宇和住宅中被廣泛敷設(shè)。在生活體驗中，離我們最近的就是，入戶調(diào)制解調(diào)器的“貓”尾巴，由早期的雙絞線升級至目前的光纖跳線，就是引自PLC光分路器的一個端口，光纖入戶通常能支持100-200M的網(wǎng)速，這比電纜所能支持的4M傳輸速率高得多。

光分路器(PLC)制作工藝大全

在光通信領(lǐng)域，PLC是平面光路的簡稱，它是基于集成光學(xué)技術(shù)制備的各種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)某種功能性器件。光波導(dǎo)的制備工藝，主要有四種：離子交換，離子注入，化學(xué)氣相沉積和火焰水解法。

1) 離子交換

離子交換工藝的原理，是將含有A+離子的玻璃材料浸泡在含有B+離子的溶液中，利用離子會從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散的性質(zhì)，以溶液中的B+離子將玻璃中的A+離子交換出來。由于含A+離子的玻璃材料比含B+離子的玻璃材料具有更高的折射率，從而在發(fā)生離子交換的區(qū)域獲得高折射率，作為光波導(dǎo)的芯層，未發(fā)生離子交換的區(qū)域作為光波導(dǎo)的包層，得到所需的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

通過離子交換制備光波導(dǎo)的大致工藝流程如圖1所示：

1）通過蒸鍍或者濺射工藝，在玻璃基底上覆蓋一層掩模層；

2）通過光刻和腐蝕工藝，在掩膜層開出一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的窗口；

3）將制備好掩模層并開窗口的玻璃材料，浸泡在溶液中進(jìn)行離子交換；

4）通過電場驅(qū)動，將分布在表層的交換離子驅(qū)動到一定深度，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

實際工藝中，為了更好的保證離子交換效果，上述3-4兩步需要同時進(jìn)行，這有賴于具體的工藝設(shè)計。

圖1. 離子交換制備光波導(dǎo)的工藝流程

為了提高離子交換效率并獲得良好的光波導(dǎo)特性，需要適當(dāng)選擇兩種相互交換的離子，優(yōu)化玻璃配方，控制溶液的濃度和溫度，并適當(dāng)?shù)氖┘与妶觥?/p>

2) 離子注入

離子注入是一種材料表面改性技術(shù)，屬于半導(dǎo)體行業(yè)中的一種標(biāo)準(zhǔn)加工工藝。離子注入光波導(dǎo)，是通過離子加速器將離子加速到數(shù)萬至數(shù)十萬電子伏特的高能量，轟擊基片材料表面，通過原子或者分子之間的相互作用，在材料表面引起損傷或者缺陷，改變折射率，形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

典型的離子注入制備光波導(dǎo)工藝如圖2所示，離子注入機通常由離子源、離子提取與預(yù)加速、磁分析器、后道加速器、電子掃描系統(tǒng)、離子注入腔及真空系統(tǒng)構(gòu)成。在離子源的腔體中，通過氣體放電產(chǎn)生的離子；被離子提取器中的電極導(dǎo)出并進(jìn)行預(yù)加速；磁分析器控制離子束的質(zhì)量，獲得方向性較好的離子束；經(jīng)后道加速后的離子束，在電子偏轉(zhuǎn)器的控制下，注入腔體中的樣品。

圖2. 離子注入制備光波導(dǎo)的工藝

放入離子注入腔體中的基片材料需要預(yù)處理，根據(jù)光波導(dǎo)圖形制備掩膜層，在離子注入之后，還需要后道處理，比如退火工藝，減小注入產(chǎn)生的材料缺陷對損耗的影響。

3) 化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積CVD工藝也是半導(dǎo)體行業(yè)中的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝，CVD工藝制備光波導(dǎo)的流程如圖3所示，它是在硅基片（或者石英基片）上相繼沉積具有不同摻雜層的光波導(dǎo)層，比如芯層通過摻磷、硼來提高折射率，包層通過摻鍺來降低折射率。在沉積芯層之后與沉積上包層之前，需要通過光刻工藝來制備掩膜層，定義光波導(dǎo)圖形。在每一層沉積之后，都需要退火硬化工藝來增強沉積層的致密度和均勻性，并減小應(yīng)力。

圖3. 化學(xué)氣相沉積制備光波導(dǎo)的工藝流程

4) 火焰水解法

火焰水解法FHD制備光波導(dǎo)的工藝流程與化學(xué)氣相沉積CVD類似，差別僅在生成薄膜層的工藝條件不同。CVD是將含有膜層元素的各種單質(zhì)和化合物通入腔體，在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在襯底表面沉積所需薄膜層。FHD是將含有膜層元素的揮發(fā)性鹵化物如四氯化硅，以及含有各種摻雜元素如磷、硼、鍺的鹵化物，通入氣體燃燒器，在高溫火焰中與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成摻有各種雜質(zhì)元素的二氧化硅薄膜層。

5) 工藝比較

離子交換和離子注入工藝，可以制備出低成本的光波導(dǎo)，但對波導(dǎo)橫截面形狀的控制稍差，主要用來制作光分路器，其中離子注入工藝的生產(chǎn)效率較離子交換高得多。CVD和FHD對波導(dǎo)橫截面形狀的控制要好得多，可用來制作高端光波導(dǎo)器件如陣列波導(dǎo)光柵AWG，其中FHD較CVD更利于厚膜的制備。

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