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平面光波導技術及其應用
邁向積體光學之路

【作者: 林山霖】   2003年02月05日 星期三

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在光通訊元件界,一直有個夢想,希望能再次複製半導體產業成功模式。換言之,當初電子元件,也是從電阻、電容與電感等單一元件,而後發展出積體電路(IC)之整合元件,改變全球電子產業生產模式。同樣的,在光通訊元件廠商,也希望從目前單一元件型式,能走向未來積體光學之路。


而在積體光學之拼圖板塊中,光主動元件中,發光源已經採用半導體雷射,而最缺的是光被動元件。綜觀目前光被動元件,主要有精密陶磁、熔合、微光學、薄膜、光纖光柵、平面光波導以及微機電等七大技術,但目前仍以前五項的技術為主,做成不同光被動元件,且都屬於單一元件型式。


但是平面光波導(Planar Lightwave Circuit;PLC)技術,因採用半導體製程,不只深具低成本潛力,且具整合元件能力,被視為積體光學拼圖中重要的一塊。因此本文將介紹平面光波導(PLC)技術與製程,在產品應用上則以陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating;AWG)為例作一分析。


平面光波導原理

在光學界中,有一重要的特性是只要控制折射率,便可控制光的走向,相較於電子元件,電流會往電阻低的方向走,但是在光通訊則是相反,光則會往折射率高的地方跑。換言之,只要控制折射率,便可控制光訊號的走向。


以光纖為例,光纖的中間是核心(Core)外面是覆蓋層(Cladding),而核心的折射率高於覆蓋層。因此只要角度夠,光就會在核心內部進行全反射。因此在這概念下,試圖利用材質的折射率,設計出平面光波導產品。


整體平面光波導生產流程,如(圖一)所示。首先在決定平面光波導所需材料後,透過模擬軟體,進行晶片與光路的設計,目前的模擬軟體主要有Apollo、BBV、R-Soft、Optiwave等。其次在長晶階段,則是將晶片設計圖,開始去製成晶圓,方法有化學氣相沈積等方式。而在元件製造階段,是將長好的晶圓,進行蝕刻、切割、拋光等方式,做成單一平面光波導(PLC)晶片。最後做測試工作,包括耦合損失、串音、色散等項目。



《圖一 PLC生產流程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》
《圖一 PLC生產流程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》

平面光波導關鍵技術

平面光波導材料

由於PLC是透過控制折射率來設計元件,因此材料的選擇成為重點。目前在材料上主要有二氧化矽(Silica)、絕緣矽(SOI)、鈮酸鋰(LiNbO3)與高分子(Polymers)等數種材料。各種材料之特性,如(表一)所示。其中二氧化矽其材料穩定度佳,對於折射率與厚度控制皆容易。


鈮酸鋰的優點是反應速度高,適合做光調變器等。不過因鈮酸鋰是屬雙折射率材料,經過長距離傳輸後,極化模態色散(Polarization-mode dispersion;PMD)較嚴重,且此材料的專利多已被國際大廠綁住,亦形成進入障礙。


表一 各種PLC材料比較
  Silica Silicon LiNbO3 Polymers
晶圓尺寸(Size) 8" 12" 3" 3"
良率(Yield rate) Middle Middle Low Low
材料穩定度(Uniformity) Good Good Middle Good
成本(Cost) Low Low High Low
資料來源:資策會MIC,2002年9月

高分子材料在1990年被提出。因為是塑膠材料,其優點是材料成本便宜,不過也因為是塑膠材料關係,易於老化,所以可靠度較低,因此其應用市場可能會是消費性產品,而非電信產品。


利用平面光波導技術生產被動元件,未來的潛力在於透過半導體的製程,與現有的主動元件整合。目前光通訊的發光源,皆是用III-V族材料,如磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)等,透過半導體材料與製程,做成半導體雷射的雷射二極體。


透過相同的半導體製程,將可提供一生產的整合平台,如果再克服材料與耦合問題,可將被動元件與主動元件整合成單一元件。此種整合方式,擺脫過去單一元件型式,而變成積體光學元件,將深具量產與低成本潛力,而被視為新的生產趨勢。


最後雖然平面光波導具有發展潛力,但未來之發展關鍵在於材料的穩定度。因為光通訊元件對於元件之要求嚴苛,必須通過TR-1209以及TR-1221等可靠度與環境測試。目前平面光波導之材料在此部分仍有疑慮下,所以在材料穩定度的提升,亦是未來之重點。


平面光波導製程

平面光波導元件根據不同的材料,而有不同的製程。首先是用二氧化矽為材料,在製程中可分為兩種,一是化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition;CVD)搭配反動離子蝕刻(Reactive Ion Etching;RIE),二是火相水解沈積(Flame Hydrolysis Deposition;FHD)同樣搭配反動離子蝕刻來做平面光波導元件。


利用化學氣相沈積CVD做PLC的技術是由AT&T所開發出來。其方法是在氣體中進行化學反應,沈積到矽晶圓上形成低折射率薄膜,再摻入矽化合物(SiO2-P2O5),形成折射率薄膜。然後蓋上光阻,用反動離子蝕刻RIE的方式,將其他部分蝕刻掉,最後再蓋上覆蓋層,形成波導光路。


而火相水解沈積FHD的技術,則是由NTT所開發出來,其製程如(圖二)所示。此方法是利用火焰燃燒矽化合物與水蒸氣,兩者反應後在矽基板上形成兩層高低折射率的二氧化矽薄膜。然後再利用反動離子蝕刻蝕刻出所需的波導光路,最後再蓋上低折射率的覆蓋層。



《圖二 平面光波導中二氧化矽材料製程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》
《圖二 平面光波導中二氧化矽材料製程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》

而在鈮酸鋰材料部分,其製程如(圖三)所示,因為鈮酸鋰是非線性光學材料,所以並不易蝕刻。因此在製程上,是透過UV光照射光阻,再鍍上金屬層,將光阻洗掉留下金屬部分,最後利用擴散方式滲入鈮酸鋰之中,形成高折射率的波導光路。



《圖三 平面光波導中鈮酸鋰之製程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》
《圖三 平面光波導中鈮酸鋰之製程〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》

最後在高分子材料中,因是塑膠材料,具低成本潛力,因此也吸引廠商投入。製程中,在覆蓋層上利用類似射出成型方式,鍍上光敏性的高分子材料。加上光罩,經過光照射後,被照射的材料會固化且折射率會提高,而旁邊沒有照到部分則用顯影劑洗掉。最後再蓋上低折射率的覆蓋層。


平面光波導之耦合技術

因為目前光通訊系統仍是以光纖為傳輸媒介,因此在平面光波導元件設計好之後,則需與光纖做耦合與對光之動作。目前之方法分為分離式與固定式兩種,分離式是將光纖放在光纖夾具上,再與平面光波導晶片連接,連接方法可用雷射焊接、UV膠或是用覆晶連接(Flip-Chip Bonding)方式,來固定平面光波導(PLC)元件與光纖陣列。


若是用雷射焊接方式,則需將光纖陣列放在金屬殼上,才能作焊接。而若是用UV膠方式,則是透過紫外線照射UV膠使其固化,而此種UV膠需要是光學等級的,要求透光度高且不易老化的UV膠,才不會因光纖與波導光路之間有膠,而提高損耗妨礙光的傳輸。


最後是覆晶(Flip-Chip)方式,此方式已經用在半導體之中,將記憶體晶粒直接接在應刷電路版上。此方法亦可用在光元件上,利用覆晶(Flip-Chip)方式,將雷射二極體與平面光波導元件,放在共同基版上。而雷射二極體則放在波導前面,採取被動耦合對光方式,形成單一元件。


而固定式是直接在波導上,蝕刻出V型或U型凹槽,將光纖放到凹槽上面,來做耦合動作。其中V型槽又較U型槽更易固定。而V型凹槽的規格上,其兩個中心點的間距為250μm。但亦有廠商提出127μm之規格。


平面光波導應用之一-AWG晶片

平面光波導之應用範圍

利用平面光波導技術,可發展出各種不同之光通訊元件產品,如(圖四)所示。主要可分為多工器/解多工器(Mux/DeMux),分光/耦合器(Splitter/Coupler)以及整合性元件(Hybrid integration)等。



《圖四 平面光波導(PLC)技術之五大應用領域〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》
《圖四 平面光波導(PLC)技術之五大應用領域〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》

在多工器/解多工器方面,主要可做成陣列波導光柵(Arrayed Waveguide Grating;AWG)晶片,利用AWG晶片來做分波動作,適合在高波道數之緊密分波多工(DWDM)產品。其次是整合性元件方面,則是利用覆晶等方式,可將雷射二極體、AWG晶片與可調式光衰減器(VOA),做成整合性的單一元件。


在目前PLC之產品方面,廠商推出之概況,如(表二)所示。整體而言,雖然在多工器/解多工器其市場潛力龐大,因此投入廠商眾多,不過市場仍待擴大。目前在實際成熟化商品上,反而是在分歧器、耦合器與衰減器,較為模組廠與系統廠商所接受採用。


表二 平面光波導之廠商分佈
  Silica Silicon Polymers
Mux/DeMux NEL、Kymata(Alcatel)、Hitachi
、Lightwave、Zenastra、JDSU...
Bookham... Lightwave、HHI...
Switch NEL、Hitachi、Zenastra... HHI...
Attenuator NEL、Lightwave、Zenastra... Bookham... Lightwave ...
Splitter JDSU、Teem Photonics... Lemenon...
資料來源:資策會MIC,2002年5月

AWG晶片技術概況

傳統的SDH/SONET光纖網路,一條光纖只能傳送一種訊號。而新的緊密分波多工(DWDM)系統中,利用分波原理,讓一條光纖同時傳送多個波長訊號,大幅提昇系統容量。


DWDM系統的關鍵就在於分波元件。目前分波技術分為薄膜濾鏡(Thin Film Filter;TFF)、布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating;FBG)以及陣列波導光柵(AWG)三大技術。其中AWG晶片是用平面光波導(PLC)技術做成的元件。


在此以陣列波導光柵AWG晶片做一說明,如(圖五)所示。中間的波導光路是用平面光波導技術做成。當光訊號進來,首先經過第一個波導,此波導是空心的,光會因繞射而散開到各個折射率較高的光路內。


在光路部分,其路徑呈現半弧狀,因各個路徑長短不一,類似田徑場的操場跑道,內彎較短而外彎較長。由於距離不同之關係,長波長的光會跑在短波長光之前。因此到達第二個波導前,光會產生不同的相位形成光層差。



《圖五 AWG晶片結構〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》
《圖五 AWG晶片結構〈資料來源:資策會MIC,2002年9月〉》

在進入第二個波導後,長短波長的光會因干涉效應,各自聚焦在不同的出口,形成分波動作。而這些出口再接到不同的光纖上面。因此AWG晶片的設計關鍵,在於光路的長度差設計,而這也是模擬軟體的設計關鍵之一。


最後最重要的關鍵是在封裝部分,需考慮耦合損失與溫度變化影響等。首先因AWG晶片之光路為方型,而光纖則是圓形,兩者在對光時會有耦合損失出現。其次溫度變化方面,由於AWG對於溫度敏感度高,約為0.01nm℃。以頻道間距100GHz而言,波長間隔為0.8nm。因此溫度變化個攝氏10多度,就會產生干擾。因此需加裝冷卻裝置,例如TE Cooler、負溫度材料(Athermal)等。以負溫度材料說明,在AWG晶片波導光路之間,填入負溫度係數的矽膠,來降低溫度變化效應。


不過即使如此,由於電信公司對於可靠度要求相當嚴苛,而AWG之溫度敏感度過高,使系統廠商仍對於AWG之產品可靠度存有質疑。加上薄膜濾鏡(TFF)價格低廉,穩定度高,都將延後AWG大量普及化之時間。


整體市場變化與AWG之主要廠商

全球光通訊多工解多工(Mux/DeMux)市場,如(圖六)所示,可看出在2002年呈現衰退。其原因在於2002年全球固網電信公司之資本支出,仍較2001年衰減15%。


而且AWG之主要應用市場,在於長途電信網路,但是其光纖網路利用率只有一成,更使其需求疲弱。雖然新的需求來自於都會DWDM網路,不過此市場需求以低頻道數為主,不適於高頻道的AWG。其次在價格上,2002年第三季100GHz的薄膜濾鏡(TFF)約為30~40美元,其組裝成模組後每個頻道價格約為80~100美元。而AWG平均每個頻道價格仍有180~200美元。因此價格仍偏高。在此之下AWG之應用市場尚未完全浮現。


《圖六 全球光通訊多工解多工市場規模〈單位:百萬美元》
《圖六 全球光通訊多工解多工市場規模〈單位:百萬美元》

資料來源:Strategies Unlimited(2002/4)、資策會MIC,2002年9月〉


在AWG廠商中,如(圖七)所示,國際大廠採取垂直整合方式,從晶片設計、晶片製造以及模組封裝,主要有NEL、Kymata等廠商。其中NEL除了本身有生產AWG晶片外,同時也有做AWG之晶圓代工業務。


其次亦有個別廠商專門做AWG之晶圓代工業務,主要有Ionnix、OMD等。另外有些廠商因無法承擔晶圓廠的龐大資金成本,因而只專注在晶片設計與封裝上,這些廠商有Wavesplitter、HHI等。


在台灣廠商方面,跨入AWG晶圓代工業務領域,有全球聯合通信,之前有聯電與Lightcross合作,後來則告暫緩。而上詮轉投資的上詠,則是較早跨入AWG晶片模組封裝領域。在錸德方面,雖有跨入平面光波導領域,但初期是提供V型凹槽的光纖陣列(Fiber Array)產品為主。另外長興化工則是以高分子材料切入平面光波導領域。



《圖七 全球AWG廠商分佈〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》
《圖七 全球AWG廠商分佈〈資料來源:資策會MIC,2002年6月〉》

結論

平面光波導技術,因採用半導體製程技術,有利於大量製造,特別是未來主動與被動元件之整合趨勢。雖然目前全球光通訊產業需求不振,延緩新技術之導入。不過亦因需求疲弱,反而擴大價格跌幅,此低價趨勢會驅動製造走向大量量產發展,亦形成平面光波導之切入點。


而平面光波導技術之應用產品,目前在DWDM領域的AWG晶片,則受限於長途電信網路需求疲弱、本身產品穩定度偏低、價格過高等因素,使AWG之市場尚未完全浮現。而在分歧器方面,則漸漸成熟。但整體而言,其最大之潛力,仍著眼於未來主動元件與被動元件之整合元件市場。


在台灣光被動元件產業方面,雖然廠商有數十家之多。但在技術方面,多數仍是以傳統的技術為主,包括有精密陶瓷、熔合等技術,生產連接器、耦合器。此領域因技術成熟,對人工依賴度高,進入門檻較低,因此競爭者多。加上中國大陸的海外歸國學人(海歸派),陸續投入光被動元件。未來在光被動元件領域,其競爭程度將更劇烈。


而在平面光波導技術,雖然資金與技術門檻較高,但著眼於未來主被動元件整合之市場。若善用台灣在半導體產業之基礎,切入平面光波導領域,將有助於未來競爭力之維繫。


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