在光通信技術飛速發(fā)展的今天，全內(nèi)反射型光波導開關作為光信號控制的核心器件，其性能直接影響著整個通信系統(tǒng)的效率與可靠性。廣西科毅光通信科技有限公司（官網(wǎng)：www.m.lytflsy.com）作為光通信領域的專業(yè)解決方案提供商，始終專注于高性能光開關的研發(fā)與制造，本文將深入解析全內(nèi)反射型光波導開關的結構設計原理、材料選擇策略及制備工藝流程，為行業(yè)同仁提供技術參考。

全內(nèi)反射型光波導開關結構類型與設計要點

全內(nèi)反射型光波導開關的結構設計是決定其性能的核心因素，經(jīng)過多年技術演進，已形成多種成熟的結構類型，每種結構都有其獨特的適用場景和性能特點。

常見結構類型及性能對比

交叉型結構是最基礎也最常用的結構形式，由兩條相互垂直交叉的光波導構成，交叉區(qū)域為光信號切換的關鍵部位。當光信號從輸入波導進入交叉區(qū)時，通過改變該區(qū)域的折射率，可使光信號在交叉界面發(fā)生全內(nèi)反射，從而實現(xiàn)信號的90度轉向。這種結構的優(yōu)勢在于設計簡單、制備難度低，非常適合構建基礎的光交換單元。但實測數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)交叉型結構的插入損耗通常在3-5dB，串擾約為-25dB，難以滿足高密度集成系統(tǒng)的需求。

Y分支型結構則通過分叉波導實現(xiàn)光信號的分路切換，光信號從主干波導入射后，在分支處根據(jù)折射率變化選擇不同的輸出路徑。廣西科毅光通信實驗室測試表明，優(yōu)化分支角度至7°時，Y分支型開關的分束均勻性可控制在±0.5dB以內(nèi)，插入損耗降至2.2dB。這種結構特別適用于光分插復用系統(tǒng)，在無源光網(wǎng)絡（PON）中已實現(xiàn)規(guī)模化應用。

環(huán)形諧振腔型結構是近年來的研究熱點，通過在波導交叉處引入環(huán)形諧振器，利用光的干涉效應實現(xiàn)開關功能。其最大優(yōu)勢是開關速度快，響應時間可達到亞納秒量級（<500ps），但對制備工藝精度要求極高，環(huán)形半徑偏差需控制在±0.1μm以內(nèi)，否則會導致諧振波長漂移。目前廣西科毅光通信已通過高精度光刻技術將該結構的成品率提升至85%以上。

圖：常見全內(nèi)反射型光波導開關結構對比（從左至右：交叉型、Y分支型、環(huán)形諧振腔型）

結構設計關鍵參數(shù)優(yōu)化

波導尺寸的設計需嚴格匹配工作波長，以單模傳輸為例，當工作波長為1550nm時，硅基波導的寬度通常設計為450-500nm，高度為220-250nm，此時可實現(xiàn)基模（TE??模）的穩(wěn)定傳輸。若波導寬度增加至2μm以上，會激發(fā)高階模傳輸，導致模式色散增加，信號畸變率上升30%以上。

交叉角的優(yōu)化是降低插入損耗的關鍵，通過FDTD數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當交叉角從30°減小至10°時，光在交叉區(qū)域的反射效率從65%提升至92%，但過小的交叉角（<5°）會導致波導彎曲損耗急劇增加。廣西科毅光通信通過引入漸變交叉角設計，在15°交叉角下實現(xiàn)了0.8dB的低插入損耗，同時保證了90%的反射效率。

折射率對比度（Δn）直接影響光的約束能力，硅基材料（n=3.48）與二氧化硅包層（n=1.44）形成的高折射率對比度（Δn≈2.04），可實現(xiàn)強光約束，波導彎曲半徑可縮小至5μm。而聚合物材料（n=1.55）與空氣包層（n=1）的低折射率對比度（Δn≈0.55），則需要100μm以上的彎曲半徑，但具有更好的柔性和成本優(yōu)勢。

光波導開關材料選擇與性能影響

材料是全內(nèi)反射型光波導開關性能的物質基礎，不同材料體系各有優(yōu)勢，需根據(jù)應用場景進行科學選擇。

主流材料體系特性分析

硅基材料憑借其優(yōu)異的光學性能和CMOS工藝兼容性，成為高密度集成光開關的首選材料。單晶硅在1550nm波長下的折射率約為3.48，傳輸損耗可低至0.1dB/cm，且具有較大的電光系數(shù)（r??≈12pm/V），非常適合制備高速電光開關。廣西科毅光通信開發(fā)的SOI（硅-on-絕緣體）基光開關，已實現(xiàn)1×8陣列的單片集成，芯片尺寸僅為5mm×3mm。

二氧化硅材料以其超低損耗特性在長距離傳輸領域占據(jù)優(yōu)勢，在1550nm窗口的傳輸損耗可達到0.01dB/cm級別，是制備陣列波導光柵（AWG）等器件的理想選擇。但二氧化硅的折射率較低（n≈1.44），光約束能力弱，波導尺寸通常在微米量級，不利于高密度集成。

聚合物材料具有成本低、工藝簡單、熱光系數(shù)大（dn/dT≈10??/℃）等特點，非常適合制備低成本熱光開關。廣西科毅光通信自主研發(fā)的負性光刻膠聚合物材料，在850nm波長下的傳輸損耗為0.5dB/cm，熱光開關功耗可控制在5mW以下，響應時間約10μs，已批量應用于數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)場景。

鈮酸鋰材料是電光開關的傳統(tǒng)優(yōu)選材料，具有超大電光系數(shù)（r??≈30.8pm/V），開關速度可達到亞納秒量級。但鈮酸鋰單晶材料的制備成本高，難以實現(xiàn)大規(guī)模集成，目前主要用于高端通信系統(tǒng)中的關鍵節(jié)點。

表：全內(nèi)反射型光波導開關常用材料性能對比

材料選擇策略與應用場景

高速通信場景（如5G核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心互聯(lián)）應優(yōu)先選擇硅基或鈮酸鋰材料，以滿足納秒級開關速度需求。廣西科毅光通信推出的硅基1×16光開關模塊，開關時間<2ns，已通過中國移動研究院的測試驗證，將應用于5G承載網(wǎng)的光交叉連接系統(tǒng)。

長距離傳輸場景（如干線通信、海底光纜）則需選用二氧化硅材料，利用其超低損耗特性實現(xiàn)信號的長距離無中繼傳輸。在跨洋通信系統(tǒng)中，基于二氧化硅材料的光開關已實現(xiàn)單次傳輸12000公里的世界紀錄。

低成本接入場景（如FTTH、物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點）可采用聚合物材料，通過卷對卷工藝實現(xiàn)大規(guī)模制備，將單個光開關的成本控制在1美元以內(nèi)。廣西科毅光通信開發(fā)的聚合物熱光開關，已在國內(nèi)某廣電網(wǎng)絡的光纖入戶項目中批量應用，累計出貨量超過100萬只。

惡劣環(huán)境場景（如工業(yè)控制、航天航空）推薦使用硅基材料，其優(yōu)異的機械強度和溫度穩(wěn)定性（-40℃~125℃）可保證開關在極端條件下的可靠工作。在某衛(wèi)星通信項目中，廣西科毅光通信提供的抗輻照硅基光開關，經(jīng)過100krad伽馬射線照射后，插入損耗變化量<0.5dB，滿足航天級可靠性要求。

全內(nèi)反射型光波導開關制備工藝流程

全內(nèi)反射型光波導開關的制備是一個多學科交叉的精密制造過程，涉及微納加工、材料工程、光學檢測等多個技術領域，廣西科毅光通信通過多年工藝積累，已建立起一套完整的制備技術體系。

核心制備工藝詳解

薄膜沉積工藝是制備光波導芯層的基礎，硅基波導通常采用低壓化學氣相沉積（LPCVD）技術，在300℃襯底溫度下，以硅烷（SiH?）和氯化氫（HCl）為反應氣體，可制備出厚度均勻性±2%的多晶硅薄膜。對于二氧化硅包層，等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）是首選技術，通過調(diào)節(jié)射頻功率（100-300W）和反應氣壓（100-500mTorr），可精確控制薄膜的折射率（1.44-1.48）和應力狀態(tài)。

光刻工藝是圖形轉移的關鍵步驟，廣西科毅光通信采用深紫外光刻（DUV）技術，使用248nmKrF激光光源，配合高分辨率光刻膠（AZ?nLOF2035），可實現(xiàn)0.25μm線條的精確轉移。光刻膠涂覆采用旋轉涂膠工藝，轉速控制在3000-5000rpm，可獲得厚度500-1000nm的均勻膠層。曝光后使用2.38%濃度的四甲基氫氧化銨（TMAH）顯影液，在25℃下顯影60秒，可得到垂直的光刻膠圖形。

圖：光刻工藝流程示意圖（從左至右：涂膠、烘烤、曝光、顯影、顯檢）

刻蝕工藝決定了波導結構的最終形貌，反應離子刻蝕（RIE）是制備硅基波導的主流技術，采用SF?和C?F?的混合氣體，通過調(diào)節(jié)氣體流量比（SF?:C?F?=3:1）和射頻功率（200W），可實現(xiàn)70nm/min的刻蝕速率和85:1的刻蝕選擇比（硅:光刻膠）。刻蝕后采用BOE（緩沖氧化物刻蝕）溶液進行各向同性刻蝕，可將波導側壁粗糙度從50nm降至15nm以下，有效降低散射損耗。

封裝工藝是保證器件可靠性的最后環(huán)節(jié)，廣西科毅光通信開發(fā)了高精度光纖陣列耦合技術，通過無源對準方式，將光纖陣列與波導芯片的對準精度控制在±1μm以內(nèi)，耦合損耗可低至0.8dB。封裝外殼采用無氧銅材料，內(nèi)部填充氮氣保護，可有效防止?jié)穸群臀廴疚飳ζ骷阅艿挠绊憽?/span>

工藝難點與解決方案

側壁粗糙度控制是降低插入損耗的關鍵挑戰(zhàn)，實驗數(shù)據(jù)表明，當波導側壁粗糙度從50nm降至10nm時，散射損耗可從2dB/cm降至0.3dB/cm。廣西科毅光通信通過優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù)，采用SF?/O?混合氣體刻蝕后，再進行10秒的氧等離子體處理，可將側壁粗糙度控制在12nm左右。

折射率均勻性保障對大規(guī)模陣列器件尤為重要，在6英寸硅片上，PECVD沉積的二氧化硅薄膜折射率偏差需控制在±0.001以內(nèi)，否則會導致陣列中不同通道的傳輸損耗差異>1dB。通過采用分區(qū)溫度控制技術，廣西科毅光通信將硅片面內(nèi)溫度均勻性控制在±0.5℃，實現(xiàn)了折射率偏差<±0.0005的高精度薄膜沉積。

工藝兼容性問題在異質集成中較為突出，例如硅基波導與鈮酸鋰調(diào)制器的集成，兩種材料的刻蝕工藝差異較大，容易導致器件損傷。廣西科毅光通信開發(fā)的選擇性刻蝕技術，通過使用專用的刻蝕掩模和氣體組合，可實現(xiàn)對不同材料的精確刻蝕控制，刻蝕選擇比達到100:1以上。

圖：全內(nèi)反射型光波導開關制備工藝流程（包含薄膜沉積、光刻、刻蝕、封裝等關鍵步驟）

質量控制與測試表征

廣西科毅光通信建立了完善的質量控制體系，在制備過程中設置了多個關鍵檢測節(jié)點：

• 薄膜檢測：采用橢偏儀測量薄膜厚度和折射率，精度分別達到±1nm和±0.001；

• 光刻檢測：使用掃描電子顯微鏡（SEM）檢查光刻圖形，線寬控制精度±0.02μm；

• 光學性能測試：搭建插入損耗測試平臺，采用可調(diào)諧激光光源（1520-1620nm）和光功率計，測試精度達到±0.05dB；

• 可靠性測試：進行溫度循環(huán)（-40℃~85℃，1000次循環(huán)）、濕度測試（85%RH，85℃，1000小時）和機械振動測試，確保產(chǎn)品在各種環(huán)境下的穩(wěn)定工作。

通過這套嚴格的質量控制體系，廣西科毅光通信生產(chǎn)的全內(nèi)反射型光波導開關，產(chǎn)品合格率穩(wěn)定在95%以上，平均無故障工作時間（MTBF）>100萬小時，達到國際先進水平。

全內(nèi)反射型光波導開關作為光通信系統(tǒng)的"神經(jīng)中樞"，其結構設計和制備工藝的每一個細節(jié)都直接影響著整個通信網(wǎng)絡的性能。隨著5G、6G技術的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)中心算力需求的爆發(fā)式增長，對光開關的性能要求將持續(xù)提升，廣西科毅光通信科技有限公司將繼續(xù)深耕光開關核心技術，為行業(yè)提供更高性能、更低成本的光通信解決方案。

選擇合適的光開關是一項需要綜合考量技術、性能、成本和供應商實力的工作。希望本指南能為您提供清晰的思路。我們建議您在明確自身需求后，詳細對比關鍵參數(shù)，并優(yōu)先選擇像科毅光通信這樣技術扎實、質量可靠、服務專業(yè)的合作伙伴。

訪問廣西科毅光通信官網(wǎng) www.m.lytflsy.com 瀏覽我們的光開關產(chǎn)品，或聯(lián)系我們的銷售工程師，獲取專屬的選型建議和報價！

其他相關文章：

《全內(nèi)反射型光波導開關應用案例與行業(yè)趨勢》