PLC光分路器之技术和市场分析

　　光纤熔融拉锥技术是制作2´2光分路器最为成熟的技术，光分路器目前主要是以全光纤型光分路器为主，其主要特点是：技术成熟，与光纤的连接方便，插入损耗小。但随着功分路数的增加，如1×8以上的光功分路器体积大，效率低，成本高，而且分光均匀性较差。此外基于融熔拉锥技术的光纤光分路器通带等特性方面有很大局限性。

　　PLC基于平面技术的集成光学器件。与传统的分立式器件不同他采用的是半导体工艺制作，能够把不同功用的光学元件集成到一块芯片上，是实现光电器件集成化、规模化、小型化的基础工艺技术。与熔融拉锥技术相比，平面波导技术具有性能稳定、成本低廉、适于规模化生产等显著特点。所以，今后在光纤到户系统中将不再使用光纤融熔拉锥光功分器件，而平面波导为高性能、低成本接入网用光器件的生产提供了一条有效的途径。

　　3.1 PLC芯片技术

　　PLC芯片一般在六种材料上制作，它们分别是：铌酸锂(LiNbO3)，波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形 成波导，波导结构为扩散型;Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物，波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形; SOI(Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅)，波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形以及聚合物(Polymer)、二氧化硅(SiO2)、玻璃离子交换等。

　　目前光纤到户(FTTH)网络技术已不存在问题，但能否在我国迅速发展和普及，除了政策面外，最重要的也是最为关键的一点就是降低网络各环节的成本。PLC光分路器是FTTx网络中的核心器件之一，低成本是其重要的技术发展目标。从技术、成本及上述表中给出的光波导材料特性可以看出，二氧化硅、聚合物及玻璃是最为适合制作PLC芯片。下列简单介绍了三种成本最低，最容易产业化实现的PLC芯片技术：

　　(1)聚合物(旋涂—刻蚀)

　　聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。聚合物波导及器件制作工艺简单，价廉，如果是光敏更好，制作成本较低(理论值)，很有发展前景。问题存在氟化材料成本高;老化疑虑、损耗会相对略高;产品的稳定性上还需考虑其影响。目前仅上海NITTA公司有此芯片作的光分路器产品。

　　(2)二氧化硅

　　二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。硅基二氧化硅光波技术是20世纪90年代发展起来的新技术，国外已比较成熟。其制造工艺有火焰水解法(FHD)、化学气相淀积法(PECVD,日本NEC公司开发)、等离子CVD法(美国Lucent公司开发)、多孔硅氧化法和熔胶-凝胶(Sol-gel)等。这种波导和损耗很小，约为0.05dB/cm以下。国外利用这种波导已研制出60路、132路的AWG。目前采用较多的是火焰水解法(FHD)、化学气相沉积法(PECVD)进行多层二氧化硅材料的生长，利用干法刻蚀技术完成波导刻蚀。其优势是具有非常好的物理和化学稳定性技术，器件集成度高，成本低。同时与光纤之间有着很好的兼容性，传输损耗低，工艺成熟(主要依赖于设备的进口)，产品稳定可靠，理论上还可以制作AWG等其他PLC器件。此工艺技术目前是芯片产品的制造主流技术，国际上比较普遍采用。问题存在设备投入高，而且维护成本高，原材料要求高(全部采用进口材料);国内仅有几家科研院所及大学实验设备在线和武汉光迅科技二氧化硅PLC工艺线，还没有可用于产业化规模生产设备。此技术及制造基本上被韩国、日本等国外厂商垄断。

　　(3)玻璃基(离子交换)

　　玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。 优势是工艺较简单，设备也比较简单，总投入不大，产品较稳定可靠。玻璃光波导的制作工艺流程分为五步： 1) 在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层;2) 进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来; 3) 采用化学腐蚀，将波导上部的铝膜去掉;4) 将做好掩模的玻璃基片放入含Ag+-Na+离子的混合溶液中，在适当的温度下进行离子交换，Ag+离子提升折射率，得到沟道型光波导; 5)对沟道型光波导施以电场，将Ag+离子驱向玻璃基片深处，得到掩埋型玻璃光波导。该技术的主要问题：① 是否会成为未来主流技术，目前一部分专家存在疑虑?② 因为没有大规模形成商用化和产业化生产，对产品的实际工艺稳定性还需验证。

　　上述技术工艺目前国际上仅法国Teemphotonics公司以及以色列Colorchip公司生产，据说：原E-TeK公司有此技术，但具体详情不知，无法考证。国内浙江大学信电系王明华教授的课题组，早在几年前就开始与通信企业合作研发基于玻璃离子交换光波导的分路器，取得了一定的成果。他们的优势是关键技术完全成熟，所有的原材料无需进口，国内完全能满足，并且研制出了性能指标达到国外同类产品水平的光分路器，而且知识产权方面全部是自己的。目前商用及产业化技术还没有完全过关，还要进行中间试验，且进一步完善各项技术参数。因此，国内从产业化的情况来看，PLC芯片制造技术与国外有着相当大的差距，技术实用化、产业化进程还需一段漫长路要走。

　　3.2 PLC光纤阵列技术

　　PLC分光器的输出端采用阵列光纤带(ribbon)与PLC中每条输出光波导相互耦合。光纤带中每根光纤利用V-型槽定位，以保证全部光波导能与光纤带一次自动对准。V-型槽基板可由单晶硅片通过选择性湿法刻蚀工艺造成，也可以用石英玻璃板经精密机械加工制造。

　　由于光纤阵列(Fiber Array)采用V型槽制作，利用特殊的粘合工艺实现精确的光纤定位和高可靠性，以满足不同的需求。热膨胀系数匹配的封装设计保证了光纤阵列板无应力、高可靠性和高温下无光纤移位。所以，高精度的V型槽和高可靠性的UV胶水是制作光纤阵列中的关键技术。

　　光纤阵列产品的基体材料有石英玻璃、耐热玻璃可选，但一般采用石英玻璃板经精密机械加工制作，从可靠性的角度来说采用石英玻璃的较好，且研磨的时候也不容易裂。端面抛光角度亦可根据客户的要求订制，如：90度、98度、82度等，带纤排列的颜色和长度也可以根据客户需要进行定制。

　　由于光纤阵列属于劳动密集型产品，国外许多制造商均将生产环节向中国转移生产，目前国内能够自行研发生产的企业有博创科技、富创光电、奥康光通器件、东莞东源及浙江同星等，国外主要为日本Hataken和AIDI公司。在技术研发和自主创新方面国内光纤阵列技术发展也有所突破，如：高精度的U型槽，采用自主知识产权的刻蚀制造工艺，这种技术一但突破并进入实用化，将大幅度降低光纤阵列的成本。还有方形毛细管阵列，在AWG及单通道阵列中具有很好的特性。

　　高可靠性的UV胶水是制作光纤阵列中另一项关键技术。光分路器制作工艺对光纤阵列具有很高的要求，除了要求V型槽具有高精度外，还要求UV胶水应具有耐高温高湿和足够的硬度等特性。目前日本NTT-AT公司开发生产的系列复合产品，在技术上最为先进，国内在此项技术上还是空白。

　　3.3 PLC耦合及封装技术

　　PLC光分路器技术除了芯片和光纤阵列外，另一项关键技术就是芯片与光纤间的耦合和封装，他涉及到光纤阵列与光波导的六维紧密对准。

　　PLC分路器的封装是指将平面波导分路器上的各个导光通路(即波导通路)与光纤阵列中的光纤一一对准，然后用特定的胶(如环氧胶)将其粘合在一起的技术。其中PLC分路器与光纤阵列的对准精确度是该项技术的关键，封装过程包括耦合对准和粘接等操作。PLC分路器芯片与光纤阵列的耦合对准有手工和自动两种，它们依赖的硬件主要有六维精密微调架、光源、功率计、显微观测系统等，而最常用的是自动对准，它是通过光功率反馈形成闭环控制，因而对接精度和对接的耦合效率高。目前国外较先进的耦合对准设备供应商主要有：日本骏河精机(Suruga)、日本久下精机(Kuge)、美国Newport等;国内也有开发，但六维精度无法达到耦合的要求。

　　随着FTTH对光分路器需求的大量增加，国内PLC器件封装产业发展较快，具有规模和研发力量的重点代表企业有博创科技、富创光电、光迅科技、日海通讯、无锡爱沃富、富春江光电、成都飞阳、大唐通讯(昆山)、中山奥康AgileCom、上海上诚等，还有更多的光器件企业和部分光纤光缆企业已经上和正在上PLC光分路器封装项目。因为光分路器的封装技术工艺相对简单，投资不大(一台手动对准系统20万元人民币左右)，项目容易完成。目前有很多高附加值PLC器件产品，封装技术有特别的工艺技术和专有技术，国内封装厂家还需在这方面加大研发和投入力度。

　　（编辑 Valiant）