光波导的一些基本概念

光波导的一些基本概念

平面光波导，英文缩写plc是英文planarlightwavecircuit的缩写，翻译成中文为：平面光波导(技术)。所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。正如大家所熟悉

的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。因此，plc是一种技术，它不是

泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的plc分路器是用二氧化硅(sio2)做的，其实plc技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(quartz/silica/sio2)、铌酸锂

(linbo3)、iii-v族半导体化合物(如inp,gaas等)、绝缘体上的硅(silicon-on-insulator,soi/simox)、氮氧化硅(sion)、高分子聚合物(polymer)等。

基于平面光波导技术解决方案的器件包括分路器、星形耦合器、可变光衰减器（VOA）、光开关、交织器和阵列波导光栅（AWG）。根据不同应用（如响应时间、环境温

度等）的要求，这些设备可以由不同的材料系统和加工技术制成。值得一提的是，这些器

件都是光无源器件和独立器件。它们可以相互组合或与其他有源设备组合，形成具有不同

功能的高端设备，如vmux=VOA+AWG、WSS=switch+AWG等（图2）。这种结合是PLC技术——光子集成电路（PIC）未来的发展方向

随着ftth的蓬勃发展，plc(planarlightwavecircuit,平面光路)已经成为光通信行

业使用频率最高的词汇之一，而plc的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和awg，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。

1.平面光波导材料

plc光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（linbo3）、ⅲ-ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（sio2）、soi（silicon-on-insulator,绝缘体上硅）、聚合物（polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。

铌酸锂波导是由钛离子在铌酸锂晶体上扩散形成的。波导结构为扩散型。InP波导以InP为底包层和下包层，InGaAsP为芯层，InP或InP/空气为上包层，波导结构为埋入脊

或脊。二氧化硅波导以硅片为底，以不同掺杂的二氧化硅材料为芯层和包层，波导结构为

埋入式矩形。SOI波导是在SOI衬底上制作的。底包层、下包层、芯层和上包层的材料分

别为硅、二氧化硅、硅和空气。波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为底，不同掺杂浓度

的聚合物材料为芯，波导结构为埋入式矩形。玻璃波导是由银离子在玻璃材料上扩散形成的。波导结构为扩散型。

2.平面光波导工艺

在上述六种常用的可编程逻辑控制器光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI

波导和聚合物波导是通过刻蚀工艺制备的，铌酸锂波导和玻璃波导是通过离子扩散工艺制

备的。以石英波导和玻璃波导为例，介绍了以下两种波导工艺。

二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步：

1）使用火焰水解（FHD）或化学气相沉积（CVD），在硅片上生长一层SiO2，掺杂磷和硼离子作为波导的下包层，如图2（b）所示；

2)采用fhd或者cvd工艺，在下包层上再生长一层sio2，作为波导芯层，其中掺杂锗离子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示；

3）通过退火和硬化过程，前面生长的两层SiO2变得致密且均匀，如图2（d）所示。

4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示；

5）非波导区通过反应离子蚀刻（RIE）工艺进行蚀刻，如图2（f）所示；

6)去掉光刻胶，采用fhd或者cvd工艺，在波导芯层上再覆盖一层sio2，其中掺杂磷、硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示；

7）通过退火和硬化过程，上覆层SiO2变得致密且均匀，如图2（H）所示。

二氧化硅波导工艺中的几个关键点：

1）材料生长和退火硬化过程应使每层材料的厚度和折射率均匀、准确，以达到设计

的波导结构参数，使材料中的残余应力最小化，降低波导的双折射效应；

2)rie刻蚀工艺，要得到陡直且光滑的波导侧壁，以降低波导的散射损耗；

3）在RIE刻蚀过程中，经常会出现咬边现象。在版图设计中，应控制咬边的稳定性，作为补偿的依据。

玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步：

1）如图3（b）所示，在离子交换期间，在玻璃基板上溅射一层铝作为掩模层；

2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；

3）通过化学腐蚀去除波导管上部的铝膜，如图3（d）所示；

4)将做好掩模的玻璃基片放入含ag+－na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，如图3（e）所示，ag+离子提升折射率，得到如图3（f）所示的沟道型光波导；

5）向通道光波导施加电场，并将Ag+离子驱动至玻璃基板的深度，以获得埋入式玻

璃光波导，如图3（g）所示。

3.平面光波导的应用

铌酸锂晶体具有良好的电光特性，广泛应用于电光调制器中。InP材料可用于制作光

学有源器件和光学无源器件。它被认为是光学有源/无源器件集成的最佳平台。SOI材料广泛应用于MEMS器件中。它是光波导和MEMS混合集成的良好平台。聚合物波导的热光系数

是sio2的32倍。当应用于需要热光调制的动态器件时，器件功耗可以大大降低。玻璃波导管的损耗最小

的传输损耗和与光纤的耦合损耗，而且成本低廉，是目前商用光分路器的主要材料。二氧化硅光波导具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性，被认为是无源光集成最有实用前景的技术途径。