PLC Splitter芯片的离子交换工艺及玻璃选择

　　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。