PLC Splitter芯片的離子交換工藝及玻璃選擇

         玻璃基離子交換技術具有有數百年的悠久歷史。其最早被用于改變玻璃的光吸收特性，實現玻璃著色。之后該技術被廣泛應用于玻璃表面的處理（如觸摸屏表面加硬處理）。隨著光通信時代到來，玻璃基離子交換技術由于其良好的環(huán)境穩(wěn)定性以及光纖兼容性，開始廣泛應用于光通信器件的制造（如：自聚焦透鏡、光分路器、光放大器等），并延展到傳感領域（如：基于光消逝波的各種生物、化學傳感器、電流傳感器等）。

        一：玻璃基離子交換技術介紹

        目前PLC Splitter芯片主流技術包括：PECVD技術、火焰水解技術、玻璃基離子交換技術。玻璃基離子交換技術的原理及工藝流程參見圖1、圖2所示，火焰水解技術的主要工藝流程參見圖3所示。其工藝特點對比參見表1。從行業(yè)多年的使用以及可靠性實驗來看，目前兩種技術都在大規(guī)模的生產使用，性能上不分伯仲。PECVD/火焰水解的特點是：設備及原材料是現有的材料，但是其工藝很復雜，生產周期較長，工藝容差小；玻璃基離子交換技術的特點是：設備及原材料需要特殊定制，但是其工藝相對簡單，生產效率較高，工藝容差較大，芯片成本相對較低。

        二：離子交換工藝及玻璃材料選擇

        深圳市中興新地通信器材有限公司，多年來致力于玻璃基離子交換PLC光分路器芯片的開發(fā)。從玻璃原材料到交換工藝，從波導設計到交換設備開發(fā)，攻克了眾多的技術難關，于2012年開發(fā)出了PLC光分路器樣片，并通過了業(yè)界各種可靠性驗證。2013年我們實現了光分路器芯片的批量化生產。下面我們主要介紹芯片生產流程中交換離子、交換方法以及交換玻璃的選擇要點。
 
        1：交換離子選擇 

        高溫下玻璃中可被交換的離子主要是堿金屬Na+、K+，而外界的交換離子主要有：Li+，K+，Rb+，Cs+，Tl+，Ag+。幾種交換離子的相關特性參見表2所示。綜合性能以及批量生產可操作性考慮，我們選擇Ag+—Na+交換生產PLC光分路器芯片，根據玻璃材料特性，可交換溫度300~400度。

      

         2：離子交換方法選擇

         目前報道的離子交換方法有多種，主要包括：一次離子交換發(fā)、二次電場輔助掩埋法，其形成的波導截面示意圖參見圖4所示。一次離子交換主要通過純熱擴散，在玻璃表面形成光波導，其折射率變化最大值位于玻璃表面(如圖4-a)，光波在玻璃表面?zhèn)鬏?。玻璃表面的缺陷使得這種波導的傳輸損耗很高。同時波導截面及光場的不對稱性使得波導的耦合損耗以及PDL嚴重。目前一次離子交換主要用于需要光場泄露到表面的傳感波導器件制作。二次電場輔助掩埋主要通過高溫下電場將交換離子從玻璃表面推到玻璃內部。
                                   

        中興新地采用的離子交換工藝主要流程包括：清洗、鍍惰性金屬膜、光刻、腐蝕、一次交換、去膜、電場輔助二次交換、熱退火。通過交換以及最后熱退火的直波導，其傳輸損耗達到了0.1dB/cm，芯片器件PDL<0.1dB。

        3：玻璃材料的選擇

        玻璃基材作為離子交換的載體，對基于離子交換技術的PLC 分路器的性能有著決定性的作用。為了制造出高性能的PLC光分路器芯片，玻璃基材需要滿足的要求主要包括：適合的堿金屬含量（以保證引入適合的折射率差）、合適的離子電導率、低透射損耗、穩(wěn)定的Ag+的環(huán)境、合適的折射率(與光纖匹配)、良好的化學穩(wěn)定性、高度各向同性、低缺陷（包括氣泡、皮紋等）等。

        *高透過率以及機械、化學穩(wěn)定性

        選擇硅酸鹽玻璃可以在滿足優(yōu)良的紅外透過率的同時，實現玻璃的良好機械、化學穩(wěn)定性。玻璃原材料采用分析純，特別避免Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、 Ni和 Cu的存在，以減少其在紅外波段的吸收。CaO、BaO以及B2O3的加入可以增加玻璃的化學穩(wěn)定性。

        *合適的折射率

PLC光分路器芯片最終需要與光纖耦合對接，因此需要玻璃材料有合適的折射率(1.46~1.5)。玻璃的折射率主要與玻璃成分有關，可以通過專門的經驗公式計算。堿金屬以及CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO的加入將增加玻璃的折射率；Al2O3的引入(當Al2O3與堿金屬氧化物的比例小于1時)也會增加玻璃的折射率。F元素的引入可以減小玻璃的折射率，但是引入的量需要小于4%，否則玻璃的機械性能以及化學穩(wěn)定性都將顯著下降。

        *合適的離子電導率以及堿金屬含量

        高溫電場下，玻璃中的堿金屬離子以及交換離子需要遷移以實現波導的推進、掩埋。離子電導率也是玻璃材料需要重點考慮的對象。堿金屬氧化物和Al2O3的引入有助于增加電導率；CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO將降低電導率。同時，堿金屬離子的引入需要考慮離子交換折射率變化量的要求，引入過量將導致折射率變化量的過度增加，不利于單模波導及器件的生產控制。

        *穩(wěn)定的Ag+環(huán)境

        Ag+—Na+交換的一個工藝控制難點在于：交換過程中，Ag+易于生成Ag0納米顆粒。Ag0的產生將增加光傳輸損耗。導致Ag+轉變?yōu)锳g0的因素主要有兩方面：玻璃中的非橋接氧化鍵(NBO)以及還原性金屬Fe、As等的存在。在硅酸鹽玻璃中引入三價和二價網絡形成體(如：Al2O3，B2O3，ZnO)可以減少甚至杜絕非橋接氧化鍵。

        三：芯片性能與可靠性實驗

        我們對基于玻璃基離子交換技術的PLC芯片的性能以及可靠性都進行了嚴格的測試與監(jiān)控。芯片的性能完全達到了行業(yè)商業(yè)化標準，芯片的可靠性檢測內容包括：

        *經過權威機構檢測，玻璃材料的玻璃化溫度Tg=580度；耐酸等級1類；耐堿性B類；耐潮性A類；材料透過濾>98% (1250nm~1650nm)。玻璃材料的優(yōu)越光學特性以及穩(wěn)定性為PLC Splitter芯片的性能及可靠性提供了堅實的保障。

        *2012年10月，按照Telcordia GR-1209-CORE和Telcordia GR-1221-CORE標準我們對裸芯片、帶耦合好光纖陣列的半成品、封入管殼的光分路器成品進行了可靠性實驗(參見表3)，結果表明：芯片完全通過相關可靠性關測試要求。芯片的可靠性實驗目前還在延續(xù)，截止2013年3月，經過3000h的高溫存儲、低溫存儲、高溫高濕存儲以及2000次高低溫循環(huán)測試，芯片各項性能指標正常。
                      

                                                                 *PCT實驗(110度，1.2atm，96h)

         芯片的PCT實驗數據參見圖5所示(樣本數：50pcs；IL測試誤差+/-0.1dB)，芯片PCT實驗前后IL變化量<0.3dB。

        基于離子交換技術的PLC splitter 的成功開發(fā)，使得中興新地建立了完整的光分路器產業(yè)鏈，處于行業(yè)領先地位。該平臺的建立，也為中興新地后續(xù)新的高端產品的開發(fā)打下了堅實的基礎。 (深圳市中興新地通信器材有限公司   高陽 焦俊濤   付勇   楊棟供稿)