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〉》

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。

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〉》

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〉》

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〉》

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。

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〉》

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》

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〉》

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。