上海光芯制作多模光分路器技術的比較

　　ICCSZ訊 成立于2011年1月的上海光芯集成光學股份有限公司(簡稱“上海光芯”)，公司主營基于離子交換技術研發(fā)、生產(chǎn)、銷售PLC光學芯片，目前單模PLC分路器芯片已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模批量化生產(chǎn)。此外，目前國內(nèi)市場上能做多模光分路器芯片的技術只有上海光芯擁有的玻璃基離子交換技術與熔融拉錐技術。以下為制作多模光分路器技術的比較。

　　玻璃基離子交換型多模光分路器芯片：

　　玻璃基離子交換型多模光分路器芯片主要制作方法是通過鍍膜、光刻工藝在玻璃基片表面的鍍膜層刻下設計好的器件圖形，然后通過離子交換在玻璃基片內(nèi)部形成與圖形相吻合的折射率變化區(qū)，進而構成具有光學功能的光波導器件芯片，經(jīng)過封裝，成為多模光分路器。與熔融拉錐多模光分路器相比，玻璃基離子交換型多模光分路器具有的優(yōu)點是體積小巧，集成化批量生產(chǎn)， 波長不敏感，可以是1×4以上的多分支多模器件。

(A)

圖1 (A)玻璃基離子交換型多模光分路器示意圖 (B)1×2器件實物圖

　　主要優(yōu)點：

　　1. 可集成化批量生產(chǎn);

　　2. 體積小巧，多分支器件也不會引起器件長度呈幾何級數(shù)增長;

　　3. 插入損耗低，均勻性好;

　　4. 器件一致好，無溫漂;

　　5. 波長不敏感，可適用于多波段。

　　主要缺點：

　　1. 因為玻璃基離子交換技術為新技術，因此市場上知名度不高

　　熔融拉錐型多模光分路器：

　　熔融拉錐多模光分路器的制作是將兩根或多根多模光纖捆在一起，在拉錐機上熔融拉伸，實時監(jiān)控分光比的變化，當分光比達到要求時，停止熔融拉伸，其中一端保留一根光纖，其余光纖剪去，作為輸入端，另一端則作多路輸出端(圖2)。熔融拉錐型多模光分路器由于其制作過程的實時監(jiān)控性，使得其損耗控制較為精確，可以制作多種分光比的光分路器件。但由于多分支一次性熔制的復雜性，目前成熟的熔融拉錐工藝一般限于1×4 以下的光分支器件。1×4 以上的器件由于成品率和生產(chǎn)效率較低，一般用多個1×2 的器件級聯(lián)而成。

(B)

圖2 (A)熔融拉錐型多模光分路器示意圖

　　(B)1×2 器件實物圖

　　主要優(yōu)點： 1. 工藝成熟簡單，設備和工藝具有沿用性 2. 制作成本低廉 3. 分光比可以實時控制，可以按照要求實現(xiàn)非均分的光分路器

　　主要缺點： 1. 波長敏感性：熔融拉錐多模光分路器的分路功能是通過光纖間耦合實現(xiàn)的，是定向耦合器的結構，一般一種耦合結構只適用于一個波長。不過，如果通過多波長的實時監(jiān)控，可以實現(xiàn)具有多波長兼容性的多模光分路器，但是犧牲了各波段下的的最佳損耗，同時多波長的多模光分路器由于監(jiān)控窗口較多，拉制效率比單波長器件要低得多。 2. 溫度依賴性(TDL)：插入損耗隨溫度變化變化量大。 3. 級聯(lián)導致插損較大、均勻性較差，影響光路整體傳輸距離。4. 多路分路器(如1×16、1×32)體積比較大，可靠性也會降低，安裝空間受到限制。例如：熔融拉錐型多模1×8光分路器由7個1×2單元熔接而成，封裝尺寸通常為100×80×9mm3，而玻璃基離子交換型多模1×8光分路器封裝尺寸僅為50×3×3mm3。

　　兩種光分路器的比較

　　1. 工作波長

　　玻璃基離子交換型多模光分路器對工作波長不敏感，覆蓋了現(xiàn)階段各種PON標準所需要的所有可能使用的波長以及各種測試監(jiān)控設備所需要的波。

　　熔融拉錐型多模光分路器，由于拉錐過程產(chǎn)生的光纖模場的變化，需要根據(jù)需要調(diào)整工藝監(jiān)控工作窗口，根據(jù)需要可將工作波長調(diào)整到850nm，1300nm 等工作波長(俗稱工作窗口)。通常單窗口的器件工藝控制較成熟，雙窗口工藝較復雜，拉制效率較低。工藝控制不好的情況下，隨著工作時間延長和溫度的不斷變化，插入損耗會發(fā)生變化。

　　2. 分光均勻性

　　玻璃基離子交換型多模光分路器的分光比由設計掩膜版時決定的。目前常用的器件分光比都是均勻的。由于半導體工藝的一致性高，器件通道的均勻性非常好?？梢员ＷC輸出光的大小一致性好。熔融拉錐型多模分路器的分光比可根據(jù)需要現(xiàn)場控制，如果要求1×N 均分器件，則用N-1 個均分1×2 組合而成。因為每個1×2 器件不可能做到完全均分，所以串接而成的1×N 器件最終的各通道輸出光不均勻性被乘積放大，級數(shù)越多，均勻性越差。如果要求均勻性好，需要經(jīng)過精確計算配對。

　　3. 溫度相關性(TDL)

　　玻璃基離子交換型多模光分路器工作溫度在-40~+85℃，插入損耗隨溫度變化而變化量較小;熔融拉錐型多模光分路器通常工作溫度在-5~+75℃，插入損耗隨溫度變化的變化較大，特別是在低溫條件下(<-10℃)，插入損耗較不穩(wěn)定。為了保持其性能的穩(wěn)定性，會增加能源消耗，而玻璃基離子交換型則沒有這個問題。

　　實測數(shù)據(jù)結果比較如下：

　　4. 偏振相關損耗(PDL)

　　玻璃基離子交換型多模光分路器的PDL通常小于0.15dB，即使路數(shù)增加也不會因此增加其PDL;而熔融拉錐型多模光分路器的PDL會隨級聯(lián)級數(shù)的增加而疊加，1×2的PDL通常為0.15dB，而1×8級聯(lián)型則將達到0.45dB。

　　5. 體積

　　玻璃基離子交換型多模光分路器較熔融拉錐型光分路器具有明顯的優(yōu)勢，在零散使用環(huán)境下，體積一般不會成為主要問題，但在大規(guī)模組網(wǎng)時，考慮到集成布網(wǎng)的空間，體積顯得非常重要。

　　6. 成本

　　玻璃基離子交換型多模光分路器的主要成本是設備成本和材料成本(芯片和光纖陣列)。該器件的整條流水線較拉錐設備昂貴，一次性投入較高，但隨著生產(chǎn)規(guī)模擴大，產(chǎn)量越高，平攤到每個器件的成本越低。

　　拉錐型多模光分路器成本主要是人工成本和合格率成本。原材料成本很低(石英基板, 光纖, 熱縮管, 不銹鋼管等)，低分路器的成本很低，高分路器件成品率較低，高分路器件成本較高。

　　7. 產(chǎn)量

　　玻璃基離子交換型多模光分路器產(chǎn)量大，以1×4的4寸晶圓、12個工人為例，日產(chǎn)量可逾上千芯片，以6寸晶圓計算，日常量可逾5000芯片，人員、設備數(shù)量不變;

　　熔融拉錐型光分路器產(chǎn)量取決于工人的人工熟練度，以熟練工人為例，一天1×4型器件的產(chǎn)量為30-50個/人/8小時，28個工人24小時產(chǎn)量才可達千個器件，如要增產(chǎn)，設備需增加。

　　8. 可靠性

　　玻璃基離子交換型多模光分路器理論上只在芯片和兩個光纖陣列之間的耦合點可能發(fā)生故障，1×N器件的可能故障點也只有輸入和輸出端兩個;

　　而1×N熔融拉錐型多模光分路器有2N-3個熔接點(N-1個單元，N-2個熔接點)，即可能故障點，可能故障點越多，系統(tǒng)可靠性越低。

　　另玻璃基離子交換型多模光分路器結構緊湊，機械耐受性較好，可抵抗較強的機械外力，具有標準的機械性實驗體系;而熔融拉錐型多模光分路器由于節(jié)點多，光纖拉伸過程中容易發(fā)生劃痕等微觀缺陷，因此，其抗機械沖擊、機械振動性能較差。使用時不能劇烈撞擊或跌落。

　　總結

　　綜上所述，玻璃基離子交換型多模光分路器和熔融拉錐型多模光分路器各有優(yōu)缺點。

　　熔融拉錐型器件由于產(chǎn)品生產(chǎn)歷史長，工藝比較普及，設備成本較低，在成本方面有明顯優(yōu)勢。低分路情況下其光學技術指標與玻璃基離子交換型器件相差不明顯，當器件應用環(huán)境要求不高時，低分路(1×4以下)熔融拉錐型器件有明顯優(yōu)勢。在高分路情況下，由于其成本優(yōu)勢不明顯，加上技術指標均勻性較差，工作波長限制，以及可靠性等方面，與玻璃基離子交換型多模光分路器差距明顯。

　　玻璃基離子交換型多模光分路器由于工藝技術水平較高，有一定的技術和資金門檻，成本相對略高。由于芯片制作具體大批量、規(guī)模化特點，在多路數(shù)器件制作以及大批量生產(chǎn)上，及未來對器件工作環(huán)境要求不斷提高的條件下，較熔融拉錐型多模光分路器具有明顯的優(yōu)勢。