中兴新地PLC光芯片实现重大产业突破

一、PLC光芯片应用的现实意义
    从2007年开始，随着XPON技术的走向成熟，中国开始了光纤最后一公里的建设之路，历经FTTC/FTTB的技术过渡，2012年，中国发布了《GB 50846-2012 住宅区和住宅建筑内光纤到户通信设施工程设计规范》的新的国家标准，光纤到户（FTTH）已经成为建筑楼宇必配的通信基础设施，以PLC光分路器为主要应用的FTTH模式迎来了大规模的建设高潮，而PLC光芯片作为光分路器的核心功能器件，是影响光分路器技术指标和成本的重要因素，突破PLC光芯片的制造工艺难关，不仅对我国的FTTH进程有着重要影响，而且对提升中国的产业技术水平，进而成为全球光分路器的研发及产业制造基地，都具有重要的现实意义。
二、PLC光芯片的工艺制造技术及优特点分析
     PLC光分芯片是通过特殊的制造工艺，在一种基板材料上生成一种一入多出的树枝状光波导通道，当光信号从输出端进入时，会沿着光波导的路径，分成多束光信号从输出端射出，在PLC光芯片的输入和输出端耦合连接上FA（光纤阵列）和光纤端头后，就可以完成正常的分光功能了。PLC光芯片的工作原理如图1所示：


图1 PLC光芯片工作原理
     目前世界上PLC光芯片制造工艺主要有PECVD法（等离子体增强化学气相淀积）和离子交换法，前者用的基板材料一般用石英玻璃，通过一种向上生长的工艺方法来形成光波导通道，其所采用的主要工艺技术和设备与半导体集成电路基本类似，其具有工艺技术稳定、适于大批量生产等特点，由于其与半导体集成电路的生产工艺具有同源性，所以日本、韩国等半导体技术发达的国家，这方面的生产优势比较明显，而我国由于半导体集成电路制造水平目前仍不发达，所以用PECVD工艺生产PLC芯片，生产成本仍然偏高。目前国际上以PECVD技术生产PLC晶圆及芯片的厂家主要有中国的河南仕佳光子公司和韩国的Woorori公司。而离子交换法用的基板材料为玻璃，其工艺实现原理是采用一种特殊材质的玻璃基板，通过溅射、显影、光刻等工艺在基板上形成特定的光波导图形，然后采用特殊配方的电解熔盐，并加以适当的电场和温度，以在基板的下方形成光波导通道的制造方法。这种工艺方法对离子交换设备及玻璃原材料等需要进行特殊研发及定制，需要攻克的工艺技术难关也较多，但技术一旦突破后，其生产工艺相对简单，生产效率较高，工艺容差较大，芯片成本相对较低等优势将变得非常突出，是当前性价比最高的PLC光芯片生产技术，目前国际上以离子交换法生产PLC晶圆及芯片的厂家主要有深圳的中兴新地公司和以色列的Colorchip公司。
三、中兴新地在离子交换工艺方面取得的技术突破
    由于离子交换法属于电化学工艺的技术特点，所以对玻璃原材料、电化学工艺、特制生产设备等方面均要自行研发，可借鉴的技术信息不多，技术难度较大，中兴新地经过多年技术攻关，主要完成如下技术突破:
1. 基板用特殊光学玻璃研发
    玻璃基板作为离子交换的载体，对基于离子交换技术的PLC 光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。经过持续努力，中兴新地完成了具有特定碱金属成分的光学玻璃材料的研发，其优异的光学和电化学指标是保证离子交换工艺PLC芯片得以成功的关键。
2. 基于离子交换的电化学工艺研发
     离子交换的电化学工艺主要包括：一次离子交换、二次电场辅助掩埋法，其形成的波导截面示意图参见图2所示。


图2 两种常见的离子交换法形成的波导
    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。所以一次交换后的芯片仍不具有可用性，还要通过二次电场辅助掩埋，将交换离子从玻璃表面推到玻璃内部。中兴新地通过不断的工艺验证和改进，摸索出了一套可靠的电化学交换工艺。其优异的光学性能指标达到了产品化的要求。
3. 特制生产设备研发
    离子交换工艺生产PLC光波导芯片，在完成工艺原理及参数的配置后，就可以在实验室完成样片的生产，但要实现大批量的工业化生产，则对生产设备、生产工艺流程控制、器件良率等提出了较高的要求，否则将无法实现批量生产而不具有可用性。在当前国际市场上，除中国外，只有以色列的Colorchip公司实现了离子交换工艺的大批量生产，而中国虽然有一些高校的研发团队在实验室也完成了相关工艺探索和样片生产，但由于缺乏产业化经验，所以批量化生产都不很成功，中兴新地基于多年的通信链路设备生产经验，有一支产业化技术经验丰富的研发和生产队伍，在没有可借鉴的生产设备的基础上，结合购买、自研和综合化改造，完成了适应大批量生产的前端工艺处理设备、一次交换炉、二次交换炉、交换工装治具、批量性能指标检测设备等一大批专用设备及治具研发，从而保证了PLC光芯片的大批量生产。
四、中兴新地离子交换工艺PLC光芯片的产业化现状
    2011年8月，项目立项。并开展与IEP公司的技术合作。为加快研发进程，2011年12月与北京大学深圳研究生院成立光器件联合实验室，综合北京大学在半导体制造方面的技术优势共同研发PLC光芯片的前端溅射镀膜、显影、光刻等技术工艺。参见图3。在2012年至2013年的2年时间内，陆续完成了具有优异光学性能的玻璃基板材料研发，超净离子交换工艺生产平台建设，具有生产稳定性的离子交换工艺的研发等工作，在2013年底生产出了第一片具有工艺稳定性的离子交换PLC晶圆，目前已可以生产1X2～1X64全系列的光分路器芯片，产品指标完全符合国际GR-1209-CORE、GR-1221-CORE标准和中国平面光波导集成光路器件行业标准的指标要求。参见图4。


图3 北京大学-中兴新地光器件联合实验室成立


图4  PLC晶圆及芯片

    经过2年多的不断生产、工艺改进和规模扩充，目前已具有日产能达6万粒芯片/天（按1X8计算）的生产能力，以及配套的切割，研磨和封装车间，形成了可向客户提供PLC晶圆、芯片、U槽及V槽、FA、裸器件及光分路器成品的全套的供货能力，参见图5，图6。


图5 超净PLC光芯片生产车间

图6  PLC芯片配套生产车间

五、中兴新地PLC光芯片成功产业化的现实意义
    中兴新地通过基于离子交换工艺的PLC光芯片技术研发及产业化，打破了韩国以PECVD技术为主导的PLC光芯片的技术垄断，另辟蹊径开创了一条低成本的高性能PLC光芯片生产技术路线，在PLC芯片的研发过程中，中兴新地广泛开展与高校的技术合作，同时获得了深圳市政府的多项技术奖励，成功探索出了一条产、学、研结合的高新技术产品的产业化道路，通过PLC芯片的技术突破，中兴新地已实现了PLC光分路器产品的全产业链覆盖，大大增强了技术创新能力和生产实力。据2015年发货数据统计，中兴新地光分路器系列产品发货量已占国内三大运营商总采购量的15%，成为国内第一大光分路器生产厂商，这也标志着中兴新地已成为全球最大的光分路器生产厂家。离子交换工艺PLC晶圆及芯片的大批量投产，可以明显降低光分路器成品的制造成本，进而降低FTTH网络建设的成本投入，同时，对提高中国光通信类产品的技术附加值和国际竞争力，也具有重要意义。技术的研发和探索永远都没有止境，该项目的成功将进一步激发全体新地人的开拓进取精神，并将与国内同行一起，共同努力，为实现光通信事业的发展而继续奋斗。

作者：中兴新地  付勇 焦俊涛