中興新地PLC光芯片實(shí)現(xiàn)重大產(chǎn)業(yè)突破

中興新地離子交換PLC光芯片成功產(chǎn)業(yè)化　

　一、PLC光芯片應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義

　　從2007年開始，隨著XPON技術(shù)的走向成熟，中國(guó)開始了光纖最后一公里的建設(shè)之路，歷經(jīng)FTTC/FTTB的技術(shù)過渡，2012年，中國(guó)發(fā)布了《GB 50846-2012 住宅區(qū)和住宅建筑內(nèi)光纖到戶通信設(shè)施工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，光纖到戶（FTTH）已經(jīng)成為建筑樓宇必配的通信基礎(chǔ)設(shè)施，以PLC光分路器為主要應(yīng)用的FTTH模式迎來(lái)了大規(guī)模的建設(shè)高潮，而PLC光芯片作為光分路器的核心功能器件，是影響光分路器技術(shù)指標(biāo)和成本的重要因素，突破PLC光芯片的制造工藝難關(guān)，不僅對(duì)我國(guó)的FTTH進(jìn)程有著重要影響，而且對(duì)提升中國(guó)的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，進(jìn)而成為全球光分路器的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)制造基地，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　二、PLC光芯片的工藝制造技術(shù)及優(yōu)特點(diǎn)分析

　　PLC光分芯片是通過特殊的制造工藝，在一種基板材料上生成一種一入多出的樹枝狀光波導(dǎo)通道，當(dāng)光信號(hào)從輸出端進(jìn)入時(shí)，會(huì)沿著光波導(dǎo)的路徑，分成多束光信號(hào)從輸出端射出，在PLC光芯片的輸入和輸出端耦合連接上FA（光纖陣列）和光纖端頭后，就可以完成正常的分光功能了。PLC光芯片的工作原理如圖1所示：

　　圖1 PLC光芯片工作原理

　　目前世界上PLC光芯片制造工藝主要有PECVD法（等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積）和離子交換法，前者用的基板材料一般用石英玻璃，通過一種向上生長(zhǎng)的工藝方法來(lái)形成光波導(dǎo)通道，其所采用的主要工藝技術(shù)和設(shè)備與半導(dǎo)體集成電路基本類似，其具有工藝技術(shù)穩(wěn)定、適于大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，由于其與半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)工藝具有同源性，所以日本、韓國(guó)等半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家，這方面的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)比較明顯，而我國(guó)由于半導(dǎo)體集成電路制造水平目前仍不發(fā)達(dá)，所以用PECVD工藝生產(chǎn)PLC芯片，生產(chǎn)成本仍然偏高。目前國(guó)際上以PECVD技術(shù)生產(chǎn)PLC晶圓及芯片的廠家主要有中國(guó)的河南仕佳光子公司和韓國(guó)的Woorori公司。而離子交換法用的基板材料為玻璃，其工藝實(shí)現(xiàn)原理是采用一種特殊材質(zhì)的玻璃基板，通過濺射、顯影、光刻等工藝在基板上形成特定的光波導(dǎo)圖形，然后采用特殊配方的電解熔鹽，并加以適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)和溫度，以在基板的下方形成光波導(dǎo)通道的制造方法。這種工藝方法對(duì)離子交換設(shè)備及玻璃原材料等需要進(jìn)行特殊研發(fā)及定制，需要攻克的工藝技術(shù)難關(guān)也較多，但技術(shù)一旦突破后，其生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高，工藝容差較大，芯片成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)將變得非常突出，是當(dāng)前性價(jià)比最高的PLC光芯片生產(chǎn)技術(shù)，目前國(guó)際上以離子交換法生產(chǎn)PLC晶圓及芯片的廠家主要有深圳的中興新地公司和以色列的Colorchip公司。

　　三、中興新地在離子交換工藝方面取得的技術(shù)突破

　　由于離子交換法屬于電化學(xué)工藝的技術(shù)特點(diǎn)，所以對(duì)玻璃原材料、電化學(xué)工藝、特制生產(chǎn)設(shè)備等方面均要自行研發(fā)，可借鑒的技術(shù)信息不多，技術(shù)難度較大，中興新地經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，主要完成如下技術(shù)突破：

　　1.基板用特殊光學(xué)玻璃研發(fā)

　　玻璃基板作為離子交換的載體，對(duì)基于離子交換技術(shù)的PLC 光分路器的性能有著決定性的作用。為了制造出高性能的PLC光分路器芯片，玻璃基材需要滿足的要求主要包括：適合的堿金屬含量（以保證引入適合的折射率差）、合適的離子電導(dǎo)率、低透射損耗、穩(wěn)定的Ag+的環(huán)境、合適的折射率（與光纖匹配）、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高度各向同性、低缺陷（包括氣泡、皮紋等）等。經(jīng)過持續(xù)努力，中興新地完成了具有特定堿金屬成分的光學(xué)玻璃材料的研發(fā)，其優(yōu)異的光學(xué)和電化學(xué)指標(biāo)是保證離子交換工藝PLC芯片得以成功的關(guān)鍵。

　　2.基于離子交換的電化學(xué)工藝研發(fā)

　　離子交換的電化學(xué)工藝主要包括：一次離子交換、二次電場(chǎng)輔助掩埋法，其形成的波導(dǎo)截面示意圖參見圖2所示。

　　圖2 兩種常見的離子交換法形成的波導(dǎo)

　　一次離子交換主要通過純熱擴(kuò)散，在玻璃表面形成光波導(dǎo)，其折射率變化最大值位于玻璃表面（如圖4-a），光波在玻璃表面?zhèn)鬏?。玻璃表面的缺陷使得這種波導(dǎo)的傳輸損耗很高。所以一次交換后的芯片仍不具有可用性，還要通過二次電場(chǎng)輔助掩埋，將交換離子從玻璃表面推到玻璃內(nèi)部。中興新地通過不斷的工藝驗(yàn)證和改進(jìn)，摸索出了一套可靠的電化學(xué)交換工藝。其優(yōu)異的光學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到了產(chǎn)品化的要求。

　　3.特制生產(chǎn)設(shè)備研發(fā)

　　離子交換工藝生產(chǎn)PLC光波導(dǎo)芯片，在完成工藝原理及參數(shù)的配置后，就可以在實(shí)驗(yàn)室完成樣片的生產(chǎn)，但要實(shí)現(xiàn)大批量的工業(yè)化生產(chǎn)，則對(duì)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝流程控制、器件良率等提出了較高的要求，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)而不具有可用性。在當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)上，除中國(guó)外，只有以色列的Colorchip公司實(shí)現(xiàn)了離子交換工藝的大批量生產(chǎn)，而中國(guó)雖然有一些高校的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室也完成了相關(guān)工藝探索和樣片生產(chǎn)，但由于缺乏產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)，所以批量化生產(chǎn)都不很成功，中興新地基于多年的通信鏈路設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，有一支產(chǎn)業(yè)化技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的研發(fā)和生產(chǎn)隊(duì)伍，在沒有可借鑒的生產(chǎn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合購(gòu)買、自研和綜合化改造，完成了適應(yīng)大批量生產(chǎn)的前端工藝處理設(shè)備、一次交換爐、二次交換爐、交換工裝治具、批量性能指標(biāo)檢測(cè)設(shè)備等一大批專用設(shè)備及治具研發(fā)，從而保證了PLC光芯片的大批量生產(chǎn)。

　　四、中興新地離子交換工藝PLC光芯片的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

　　2011年8月，項(xiàng)目立項(xiàng)。并開展與IEP公司的技術(shù)合作。為加快研發(fā)進(jìn)程，2011年12月與北京大學(xué)深圳研究生院成立光器件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，綜合北京大學(xué)在半導(dǎo)體制造方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)共同研發(fā)PLC光芯片的前端濺射鍍膜、顯影、光刻等技術(shù)工藝。參見圖3。在2012年至2013年的2年時(shí)間內(nèi)，陸續(xù)完成了具有優(yōu)異光學(xué)性能的玻璃基板材料研發(fā)，超凈離子交換工藝生產(chǎn)平臺(tái)建設(shè)，具有生產(chǎn)穩(wěn)定性的離子交換工藝的研發(fā)等工作，在2013年底生產(chǎn)出了第一片具有工藝穩(wěn)定性的離子交換PLC晶圓，目前已可以生產(chǎn)1X2～1X64全系列的光分路器芯片，產(chǎn)品指標(biāo)完全符合國(guó)際GR-1209-CORE、GR-1221-CORE標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)平面光波導(dǎo)集成光路器件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。參見圖4。

　　圖3 北京大學(xué)-中興新地光器件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室成立

　　圖4 PLC晶圓及芯片

　　經(jīng)過2年多的不斷生產(chǎn)、工藝改進(jìn)和規(guī)模擴(kuò)充，目前已具有日產(chǎn)能達(dá)6萬(wàn)粒芯片/天（按1X8計(jì)算）的生產(chǎn)能力，以及配套的切割，研磨和封裝車間，形成了可向客戶提供PLC晶圓、芯片、U槽及V槽、FA、裸器件及光分路器成品的全套的供貨能力，參見圖5，圖6。

　　圖5 超凈PLC光芯片生產(chǎn)車間

　　圖6 PLC芯片配套生產(chǎn)車間

　　五、中興新地PLC光芯片成功產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)實(shí)意義

　　中興新地通過基于離子交換工藝的PLC光芯片技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，打破了韓國(guó)以PECVD技術(shù)為主導(dǎo)的PLC光芯片的技術(shù)壟斷，另辟蹊徑開創(chuàng)了一條低成本的高性能PLC光芯片生產(chǎn)技術(shù)路線，在PLC芯片的研發(fā)過程中，中興新地廣泛開展與高校的技術(shù)合作，同時(shí)獲得了深圳市政府的多項(xiàng)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)，成功探索出了一條產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的高新技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化道路，通過PLC芯片的技術(shù)突破，中興新地已實(shí)現(xiàn)了PLC光分路器產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋，大大增強(qiáng)了技術(shù)創(chuàng)新能力和生產(chǎn)實(shí)力。據(jù)2015年發(fā)貨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中興新地光分路器系列產(chǎn)品發(fā)貨量已占國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商總采購(gòu)量的15%，成為國(guó)內(nèi)第一大光分路器生產(chǎn)廠商，這也標(biāo)志著中興新地已成為全球最大的光分路器生產(chǎn)廠家。離子交換工藝PLC晶圓及芯片的大批量投產(chǎn)，可以明顯降低光分路器成品的制造成本，進(jìn)而降低FTTH網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本投入，同時(shí)，對(duì)提高中國(guó)光通信類產(chǎn)品的技術(shù)附加值和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，也具有重要意義。技術(shù)的研發(fā)和探索永遠(yuǎn)都沒有止境，該項(xiàng)目的成功將進(jìn)一步激發(fā)全體新地人的開拓進(jìn)取精神，并將與國(guó)內(nèi)同行一起，共同努力，為實(shí)現(xiàn)光通信事業(yè)的發(fā)展而繼續(xù)奮斗。

        作者：付勇 焦俊濤 （中興新地）