PLC Splitter芯片的离子交换工艺及玻璃选择
发布时间：2013-03-27 15:08:32 热度：4778
3/27/2013，玻璃基离子交换技术具有有数百年的悠久历史。其最早被用于改变玻璃的光吸收特性，实现玻璃着色。之后该技术被广泛应用于玻璃表面的处理（如触摸屏表面加硬处理）。随着光通信时代到来，玻璃基离子交换技术由于其良好的环境稳定性以及光纤兼容性，开始广泛应用于光通信器件的制造（如：自聚焦透镜、光分路器、光放大器等），并延展到传感领域（如：基于光消逝波的各种生物、化学传感器、电流传感器等）。
一：玻璃基离子交换技术介绍
图1：玻璃基离子交换技术原理图(以Ag+—Na+交换为例)
图2：玻璃基离子交换PLC 芯片工艺流程
图3：火焰水解PLC 芯片工艺流程
目前PLC Splitter芯片主流技术包括：PECVD技术、火焰水解技术、玻璃基离子交换技术。玻璃基离子交换技术的原理及工艺流程参见图1、图2所示，火焰水解技术的主要工艺流程参见图3所示。其工艺特点对比参见表1。从行业多年的使用以及可靠性实验来看，目前两种技术都在大规模的生产使用，性能上不分伯仲。PECVD/火焰水解的特点是：设备及原材料是现有的材料，但是其工艺很复杂，生产周期较长，工艺容差小；玻璃基离子交换技术的特点是：设备及原材料需要特殊定制，但是其工艺相对简单，生产效率较高，工艺容差较大，芯片成本相对较低。
表1：PLC Splitter芯片制造技术对比
二：离子交换工艺及玻璃材料选择
深圳市中兴新地通信器材有限公司，多年来致力于玻璃基离子交换PLC光分路器芯片的开发。从玻璃原材料到交换工艺，从波导设计到交换设备开发，攻克了众多的技术难关，于2012年开发出了PLC光分路器样片，并通过了业界各种可靠性验证。2013年我们实现了光分路器芯片的批量化生产。下面我们主要介绍芯片生产流程中交换离子、交换方法以及交换玻璃的选择要点。
1：交换离子选择
高温下玻璃中可被交换的离子主要是碱金属Na+、K+，而外界的交换离子主要有：Li+，K+，Rb+，Cs+，Tl+，Ag+。几种交换离子的相关特性参见表2所示。综合性能以及批量生产可操作性考虑，我们选择Ag+—Na+交换生产PLC光分路器芯片，根据玻璃材料特性，可交换温度300~400度。
表2：常用几种离子的交换特性
2：离子交换方法选择
目前报道的离子交换方法有多种，主要包括：一次离子交换发、二次电场辅助掩埋法，其形成的波导截面示意图参见图4所示。一次离子交换主要通过纯热扩散，在玻璃表面形成光波导，其折射率变化最大值位于玻璃表面(如图4-a)，光波在玻璃表面传输。玻璃表面的缺陷使得这种波导的传输损耗很高。同时波导截面及光场的不对称性使得波导的耦合损耗以及PDL严重。目前一次离子交换主要用于需要光场泄露到表面的传感波导器件制作。二次电场辅助掩埋主要通过高温下电场将交换离子从玻璃表面推到玻璃内部。
图4：两种常见的离子交换法形成的波导
中兴新地采用的离子交换工艺主要流程包括：清洗、镀惰性金属膜、光刻、腐蚀、一次交换、去膜、电场辅助二次交换、热退火。通过交换以及最后热退火的直波导，其传输损耗达到了0.1dB/cm，芯片器件PDL<0.1dB。
3：玻璃材料的选择
玻璃基材作为离子交换的载体，对基于离子交换技术的PLC 分路器的性能有着决定性的作用。为了制造出高性能的PLC光分路器芯片，玻璃基材需要满足的要求主要包括：适合的碱金属含量（以保证引入适合的折射率差）、合适的离子电导率、低透射损耗、稳定的Ag+的环境、合适的折射率(与光纤匹配)、良好的化学稳定性、高度各向同性、低缺陷（包括气泡、皮纹等）等。
*高透过率以及机械、化学稳定性
选择硅酸盐玻璃可以在满足优良的红外透过率的同时，实现玻璃的良好机械、化学稳定性。玻璃原材料采用分析纯，特别避免Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、 Ni和 Cu的存在，以减少其在红外波段的吸收。CaO、BaO以及B2O3的加入可以增加玻璃的化学稳定性。
*合适的折射率
PLC光分路器芯片最终需要与光纤耦合对接，因此需要玻璃材料有合适的折射率(1.46~1.5)。玻璃的折射率主要与玻璃成分有关，可以通过专门的经验公式计算。碱金属以及CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO的加入将增加玻璃的折射率；Al2O3的引入(当Al2O3与碱金属氧化物的比例小于1时)也会增加玻璃的折射率。F元素的引入可以减小玻璃的折射率，但是引入的量需要小于4%，否则玻璃的机械性能以及化学稳定性都将显著下降。
*合适的离子电导率以及碱金属含量
高温电场下，玻璃中的碱金属离子以及交换离子需要迁移以实现波导的推进、掩埋。离子电导率也是玻璃材料需要重点考虑的对象。碱金属氧化物和Al2O3的引入有助于增加电导率；CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO将降低电导率。同时，碱金属离子的引入需要考虑离子交换折射率变化量的要求，引入过量将导致折射率变化量的过度增加，不利于单模波导及器件的生产控制。
*稳定的Ag+环境
Ag+—Na+交换的一个工艺控制难点在于：交换过程中，Ag+易于生成Ag0纳米颗粒。Ag0的产生将增加光传输损耗。导致Ag+转变为Ag0的因素主要有两方面：玻璃中的非桥接氧化键(NBO)以及还原性金属Fe、As等的存在。在硅酸盐玻璃中引入三价和二价网络形成体(如：Al2O3，B2O3，ZnO)可以减少甚至杜绝非桥接氧化键。
三：芯片性能与可靠性实验
我们对基于玻璃基离子交换技术的PLC芯片的性能以及可靠性都进行了严格的测试与监控。芯片的性能完全达到了行业商业化标准，芯片的可靠性检测内容包括：
*经过权威机构检测，玻璃材料的玻璃化温度Tg=580度；耐酸等级1类；耐碱性B类；耐潮性A类；材料透过滤>98% (1250nm~1650nm)。玻璃材料的优越光学特性以及稳定性为PLC Splitter芯片的性能及可靠性提供了坚实的保障。
*2012年10月，按照Telcordia GR-1209-CORE和Telcordia GR-1221-CORE标准我们对裸芯片、带耦合好光纤阵列的半成品、封入管壳的光分路器成品进行了可靠性实验(参见表3)，结果表明：芯片完全通过相关可靠性关测试要求。芯片的可靠性实验目前还在延续，截止2013年3月，经过3000h的高温存储、低温存储、高温高湿存储以及2000次高低温循环测试，芯片各项性能指标正常。
表3：Telcordia检测内容
*PCT实验(110度，1.2atm，96h)
芯片的PCT实验数据参见图5所示(样本数：50pcs；IL测试误差+/-0.1dB)，芯片PCT实验前后IL变化量<0.3dB。
图5：1x8芯片PCT实验前后IL变化
基于离子交换技术的PLC splitter 的成功开发，使得中兴新地建立了完整的光分路器产业链，处于行业领先地位。该平台的建立，也为中兴新地后续新的高端产品的开发打下了坚实的基础。
作者：深圳市中兴新地通信器材有限公司 高阳 焦俊涛 付勇 杨栋
一：玻璃基离子交换技术介绍
图2：玻璃基离子交换PLC 芯片工艺流程
图3：火焰水解PLC 芯片工艺流程
目前PLC Splitter芯片主流技术包括：PECVD技术、火焰水解技术、玻璃基离子交换技术。玻璃基离子交换技术的原理及工艺流程参见图1、图2所示，火焰水解技术的主要工艺流程参见图3所示。其工艺特点对比参见表1。从行业多年的使用以及可靠性实验来看，目前两种技术都在大规模的生产使用，性能上不分伯仲。PECVD/火焰水解的特点是：设备及原材料是现有的材料，但是其工艺很复杂，生产周期较长，工艺容差小；玻璃基离子交换技术的特点是：设备及原材料需要特殊定制，但是其工艺相对简单，生产效率较高，工艺容差较大，芯片成本相对较低。
表1：PLC Splitter芯片制造技术对比
二：离子交换工艺及玻璃材料选择
深圳市中兴新地通信器材有限公司，多年来致力于玻璃基离子交换PLC光分路器芯片的开发。从玻璃原材料到交换工艺，从波导设计到交换设备开发，攻克了众多的技术难关，于2012年开发出了PLC光分路器样片，并通过了业界各种可靠性验证。2013年我们实现了光分路器芯片的批量化生产。下面我们主要介绍芯片生产流程中交换离子、交换方法以及交换玻璃的选择要点。
1：交换离子选择
高温下玻璃中可被交换的离子主要是碱金属Na+、K+，而外界的交换离子主要有：Li+，K+，Rb+，Cs+，Tl+，Ag+。几种交换离子的相关特性参见表2所示。综合性能以及批量生产可操作性考虑，我们选择Ag+—Na+交换生产PLC光分路器芯片，根据玻璃材料特性，可交换温度300~400度。
表2：常用几种离子的交换特性
2：离子交换方法选择
目前报道的离子交换方法有多种，主要包括：一次离子交换发、二次电场辅助掩埋法，其形成的波导截面示意图参见图4所示。一次离子交换主要通过纯热扩散，在玻璃表面形成光波导，其折射率变化最大值位于玻璃表面(如图4-a)，光波在玻璃表面传输。玻璃表面的缺陷使得这种波导的传输损耗很高。同时波导截面及光场的不对称性使得波导的耦合损耗以及PDL严重。目前一次离子交换主要用于需要光场泄露到表面的传感波导器件制作。二次电场辅助掩埋主要通过高温下电场将交换离子从玻璃表面推到玻璃内部。
图4：两种常见的离子交换法形成的波导
中兴新地采用的离子交换工艺主要流程包括：清洗、镀惰性金属膜、光刻、腐蚀、一次交换、去膜、电场辅助二次交换、热退火。通过交换以及最后热退火的直波导，其传输损耗达到了0.1dB/cm，芯片器件PDL<0.1dB。
3：玻璃材料的选择
玻璃基材作为离子交换的载体，对基于离子交换技术的PLC 分路器的性能有着决定性的作用。为了制造出高性能的PLC光分路器芯片，玻璃基材需要满足的要求主要包括：适合的碱金属含量（以保证引入适合的折射率差）、合适的离子电导率、低透射损耗、稳定的Ag+的环境、合适的折射率(与光纤匹配)、良好的化学稳定性、高度各向同性、低缺陷（包括气泡、皮纹等）等。
*高透过率以及机械、化学稳定性
选择硅酸盐玻璃可以在满足优良的红外透过率的同时，实现玻璃的良好机械、化学稳定性。玻璃原材料采用分析纯，特别避免Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、 Ni和 Cu的存在，以减少其在红外波段的吸收。CaO、BaO以及B2O3的加入可以增加玻璃的化学稳定性。
*合适的折射率
PLC光分路器芯片最终需要与光纤耦合对接，因此需要玻璃材料有合适的折射率(1.46~1.5)。玻璃的折射率主要与玻璃成分有关，可以通过专门的经验公式计算。碱金属以及CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO的加入将增加玻璃的折射率；Al2O3的引入(当Al2O3与碱金属氧化物的比例小于1时)也会增加玻璃的折射率。F元素的引入可以减小玻璃的折射率，但是引入的量需要小于4%，否则玻璃的机械性能以及化学稳定性都将显著下降。
*合适的离子电导率以及碱金属含量
高温电场下，玻璃中的碱金属离子以及交换离子需要迁移以实现波导的推进、掩埋。离子电导率也是玻璃材料需要重点考虑的对象。碱金属氧化物和Al2O3的引入有助于增加电导率；CaO、MgO、ZnO、B2O3、PbO将降低电导率。同时，碱金属离子的引入需要考虑离子交换折射率变化量的要求，引入过量将导致折射率变化量的过度增加，不利于单模波导及器件的生产控制。
*稳定的Ag+环境
Ag+—Na+交换的一个工艺控制难点在于：交换过程中，Ag+易于生成Ag0纳米颗粒。Ag0的产生将增加光传输损耗。导致Ag+转变为Ag0的因素主要有两方面：玻璃中的非桥接氧化键(NBO)以及还原性金属Fe、As等的存在。在硅酸盐玻璃中引入三价和二价网络形成体(如：Al2O3，B2O3，ZnO)可以减少甚至杜绝非桥接氧化键。
三：芯片性能与可靠性实验
我们对基于玻璃基离子交换技术的PLC芯片的性能以及可靠性都进行了严格的测试与监控。芯片的性能完全达到了行业商业化标准，芯片的可靠性检测内容包括：
*经过权威机构检测，玻璃材料的玻璃化温度Tg=580度；耐酸等级1类；耐碱性B类；耐潮性A类；材料透过滤>98% (1250nm~1650nm)。玻璃材料的优越光学特性以及稳定性为PLC Splitter芯片的性能及可靠性提供了坚实的保障。
*2012年10月，按照Telcordia GR-1209-CORE和Telcordia GR-1221-CORE标准我们对裸芯片、带耦合好光纤阵列的半成品、封入管壳的光分路器成品进行了可靠性实验(参见表3)，结果表明：芯片完全通过相关可靠性关测试要求。芯片的可靠性实验目前还在延续，截止2013年3月，经过3000h的高温存储、低温存储、高温高湿存储以及2000次高低温循环测试，芯片各项性能指标正常。
表3：Telcordia检测内容
*PCT实验(110度，1.2atm，96h)
芯片的PCT实验数据参见图5所示(样本数：50pcs；IL测试误差+/-0.1dB)，芯片PCT实验前后IL变化量<0.3dB。
图5：1x8芯片PCT实验前后IL变化
基于离子交换技术的PLC splitter 的成功开发，使得中兴新地建立了完整的光分路器产业链，处于行业领先地位。该平台的建立，也为中兴新地后续新的高端产品的开发打下了坚实的基础。
作者：深圳市中兴新地通信器材有限公司 高阳 焦俊涛 付勇 杨栋
