在光通讯元件界，一直有个梦想，希望能再次复制半导体产业成功模式。换言之，当初电子元件，也是从电阻、电容与电感等单一元件，而后发展出积体电路（IC）之整合元件，改变全球电子产业生产模式。同样的，在光通讯元件厂商，也希望从目前单一元件型式，能走向未来积体光学之路。

而在积体光学之拼图板块中，光主动元件中，发光源已经采用半导体雷射，而最缺的是光被动元件。综观目前光被动元件，主要有精密陶磁、熔合、微光学、薄膜、光纤光栅、平面光波导以及微机电等七大技术，但目前仍以前五项的技术为主，做成不同光被动元件，且都属于单一元件型式。

但是平面光波导（Planar Lightwave Circuit；PLC）技术，因采用半导体制程，不只深具低成本潜力，且具整合元件能力，被视为积体光学拼图中重要的一块。因此本文将介绍平面光波导（PLC）技术与制程，在产品应用上则以阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating；AWG）为例作一分析。

平面光波导原理

在光学界中，有一重要的特性是只要控制折射率，便可控制光的走向，相较于电子元件，电流会往电阻低的方向走，但是在光通讯则是相反，光则会往折射率高的地方跑。换言之，只要控制折射率，便可控制光讯号的走向。

以光纤为例，光纤的中间是核心（Core）外面是覆盖层（Cladding），而核心的折射率高于覆盖层。因此只要角度够，光就会在核心内部进行全反射。因此在这概念下，试图利用材质的折射率，设计出平面光波导产品。

整体平面光波导生产流程，如(图一)所示。首先在决定平面光波导所需材料后，透过模拟软体，进行晶片与光路的设计，目前的模拟软体主要有Apollo、BBV、R-Soft、Optiwave等。其次在长晶阶段，则是将晶片设计图，开始去制成晶圆，方法有化学气相沉积等方式。而在元件制造阶段，是将长好的晶圆，进行蚀刻、切割、抛光等方式，做成单一平面光波导（PLC）晶片。最后做测试工作，包括耦合损失、串音、色散等项目。

《图一 PLC生产流程〈数据源：资策会MIC，2002年9月〉》

平面光波导关键技术

平面光波导材料

由于PLC是透过控制折射率来设计元件，因此材料的选择成为重点。目前在材料上主要有二氧化矽（Silica）、绝缘矽（SOI）、铌酸锂（LiNbO3）与高分子（Polymers）等数种材料。各种材料之特性，如(表一)所示。其中二氧化矽其材料稳定度佳，对于折射率与厚度控制皆容易。

铌酸锂的优点是反应速度高，适合做光调变器等。不过因铌酸锂是属双折射率材料，经过长距离传输后，极化模态色散（Polarization-mode dispersion；PMD）较严重，且此材料的专利多已被国际大厂绑住，亦形成进入障碍。

高分子材料在1990年被提出。因为是塑胶材料，其优点是材料成本便宜，不过也因为是塑胶材料关系，易于老化，所以可靠度较低，因此其应用市场可能会是消费性产品，而非电信产品。

利用平面光波导技术生产被动元件，未来的潜力在于透过半导体的制程，与现有的主动元件整合。目前光通讯的发光源，皆是用III-V族材料，如磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）等，透过半导体材料与制程，做成半导体雷射的雷射二极体。

透过相同的半导体制程，将可提供一生产的整合平台，如果再克服材料与耦合问题，可将被动元件与主动元件整合成单一元件。此种整合方式，摆脱过去单一元件型式，而变成积体光学元件，将深具量产与低成本潜力，而被视为新的生产趋势。

最后虽然平面光波导具有发展潜力，但未来之发展关键在于材料的稳定度。因为光通讯元件对于元件之要求严苛，必须通过TR-1209以及TR-1221等可靠度与环境测试。目前平面光波导之材料在此部分仍有疑虑下，所以在材料稳定度的提升，亦是未来之重点。

平面光波导制程

平面光波导元件根据不同的材料，而有不同的制程。首先是用二氧化矽为材料，在制程中可分为两种，一是化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition；CVD）搭配反动离子蚀刻（Reactive Ion Etching；RIE），二是火相水解沉积（ Flame Hydrolysis Deposition；FHD）同样搭配反动离子蚀刻来做平面光波导元件。

利用化学气相沉积CVD做PLC的技术是由AT＆T所开发出来。其方法是在气体中进行化学反应，沉积到矽晶圆上形成低折射率薄膜，再掺入矽化合物（SiO2-P2O5），形成折射率薄膜。然后盖上光阻，用反动离子蚀刻RIE的方式，将其他部分蚀刻掉，最后再盖上覆盖层，形成波导光路。

而火相水解沉积FHD的技术，则是由NTT所开发出来，其制程如(图二)所示。此方法是利用火焰燃烧矽化合物与水蒸气，两者反应后在矽基板上形成两层高低折射率的二氧化矽薄膜。然后再利用反动离子蚀刻蚀刻出所需的波导光路，最后再盖上低折射率的覆盖层。

《图二 平面光波导中二氧化硅材料制程〈数据源：资策会MIC，2002年9月〉》

而在铌酸锂材料部分，其制程如(图三)所示，因为铌酸锂是非线性光学材料，所以并不易蚀刻。因此在制程上，是透过UV光照射光阻，再镀上金属层，将光阻洗掉留下金属部分，最后利用扩散方式渗入铌酸锂之中，形成高折射率的波导光路。

《图三 平面光波导中铌酸锂之制程〈数据源：资策会MIC，2002年9月〉》

最后在高分子材料中，因是塑胶材料，具低成本潜力，因此也吸引厂商投入。制程中，在覆盖层上利用类似射出成型方式，镀上光敏性的高分子材料。加上光罩，经过光照射后，被照射的材料会固化且折射率会提高，而旁边没有照到部分则用显影剂洗掉。最后再盖上低折射率的覆盖层。

平面光波导耦合技术

因为目前光通讯系统仍是以光纤为传输媒介，因此在平面光波导元件设计好之后，则需与光纤做耦合与对光之动作。目前之方法分为分离式与固定式两种，分离式是将光纤放在光纤夹具上，再与平面光波导晶片连接，连接方法可用雷射焊接、UV胶或是用覆晶连接（Flip- Chip Bonding）方式，来固定平面光波导（PLC）元件与光纤阵列。

若是用雷射焊接方式，则需将光纤阵列放在金属壳上，才能作焊接。而若是用UV胶方式，则是透过紫外线照射UV胶使其固化，而此种UV胶需要是光学等级的，要求透光度高且不易老化的UV胶，才不会因光纤与波导光路之间有胶，而提高损耗妨碍光的传输。

最后是覆晶（Flip-Chip）方式，此方式已经用在半导体之中，将记忆体晶粒直接接在应刷电路版上。此方法亦可用在光元件上，利用覆晶（Flip-Chip）方式，将雷射二极体与平面光波导元件，放在共同基版上。而雷射二极体则放在波导前面，采取被动耦合对光方式，形成单一元件。

而固定式是直接在波导上，蚀刻出V型或U型凹槽，将光纤放到凹槽上面，来做耦合动作。其中V型槽又较U型槽更易固定。而V型凹槽的规格上，其两个中心点的间距为250μm。但亦有厂商提出127μm之规格。

平面光波导应用之一－AWG晶片

平面光波导之应用范围

利用平面光波导技术，可发展出各种不同之光通讯元件产品，如(图四)所示。主要可分为多工器/解多工器（Mux/DeMux），分光/耦合器（Splitter/Coupler）以及整合性元件（Hybrid integration）等。

《图四 平面光波导（PLC）技术之五大应用领域〈数据源：资策会MIC，2002年9月〉》

在多工器/解多工器方面，主要可做成阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating；AWG）晶片，利用AWG晶片来做分波动作，适合在高波道数之紧密分波多工（DWDM）产品。其次是整合性元件方面，则是利用覆晶等方式，可将雷射二极体、AWG晶片与可调式光衰减器（VOA），做成整合性的单一元件。

在目前PLC之产品方面，厂商推出之概况，如(表二)所示。整体而言，虽然在多工器/解多工器其市场潜力庞大，因此投入厂商众多，不过市场仍待扩大。目前在实际成熟化商品上，反而是在分歧器、耦合器与衰减器，较为模组厂与系统厂商所接受采用。

AWG晶片技术概况

传统的SDH/SONET光纤网路，一条光纤只能传送一种讯号。而新的紧密分波多工（DWDM）系统中，利用分波原理，让一条光纤同时传送多个波长讯号，大幅提升系统容量。

DWDM系统的关键就在于分波元件。目前分波技术分为薄膜滤镜（Thin Film Filter；TFF）、布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating；FBG）以及阵列波导光栅（AWG）三大技术。其中AWG晶片是用平面光波导（PLC）技术做成的元件。

在此以阵列波导光栅AWG晶片做一说明，如(图五)所示。中间的波导光路是用平面光波导技术做成。当光讯号进来，首先经过第一个波导，此波导是空心的，光会因绕射而散开到各个折射率较高的光路内。

在光路部分，其路径呈现半弧状，因各个路径长短不一，类似田径场的操场跑道，内弯较短而外弯较长。由于距离不同之关系，长波长的光会跑在短波长光之前。因此到达第二个波导前，光会产生不同的相位形成光层差。

《图五 AWG芯片结构〈数据源：资策会MIC，2002年9月〉》

在进入第二个波导后，长短波长的光会因干涉效应，各自聚焦在不同的出口，形成分波动作。而这些出口再接到不同的光纤上面。因此AWG晶片的设计关键，在于光路的长度差设计，而这也是模拟软体的设计关键之一。

最后最重要的关键是在封装部分，需考虑耦合损失与温度变化影响等。首先因AWG晶片之光路为方型，而光纤则是圆形，两者在对光时会有耦合损失出现。其次温度变化方面，由于AWG对于温度敏感度高，约为0.01nm℃。以频道间距100GHz而言，波长间隔为0.8nm。因此温度变化个摄氏10多度，就会产生干扰。因此需加装冷却装置，例如TE Cooler、负温度材料（Athermal）等。以负温度材料说明，在AWG晶片波导光路之间，填入负温度系数的矽胶，来降低温度变化效应。

不过即使如此，由于电信公司对于可靠度要求相当严苛，而AWG之温度敏感度过高，使系统厂商仍对于AWG之产品可靠度存有质疑。加上薄膜滤镜（TFF）价格低廉，稳定度高，都将延后AWG大量普及化之时间。

整体市场变化与AWG之主要厂商

全球光通讯多工解多工（Mux/DeMux）市场，如(图六)所示，可看出在2002年呈现衰退。其原因在于2002年全球固网电信公司之资本支出，仍较2001年衰减15％。

而且AWG之主要应用市场，在于长途电信网路，但是其光纤网路利用率只有一成，更使其需求疲弱。虽然新的需求来自于都会DWDM网路，不过此市场需求以低频道数为主，不适于高频道的AWG。其次在价格上，2002年第三季100GHz的薄膜滤镜（TFF）约为30～40美元，其组装成模组后每个频道价格约为80～100美元。而AWG平均每个频道价格仍有180～200美元。因此价格仍偏高。在此之下AWG之应用市场尚未完全浮现。

《图六 全球光通讯多任务解多任务市场规模〈单位：百万美元》

资料来源：Strategies Unlimited（2002/4）、资策会MIC，2002年9月〉

在AWG厂商中，如(图七)所示，国际大厂采取垂直整合方式，从晶片设计、晶片制造以及模组封装，主要有NEL、Kymata等厂商。其中NEL除了本身有生产AWG晶片外，同时也有做AWG之晶圆代工业务。

其次亦有个别厂商专门做AWG之晶圆代工业务，主要有Ionnix、OMD等。另外有些厂商因无法承担晶圆厂的庞大资金成本，因而只专注在晶片设计与封装上，这些厂商有Wavesplitter、HHI等。

在台湾厂商方面，跨入AWG晶圆代工业务领域，有全球联合通信，之前有联电与Lightcross合作，后来则告暂缓。而上诠转投资的上咏，则是较早跨入AWG晶片模组封装领域。在铼德方面，虽有跨入平面光波导领域，但初期是提供V型凹槽的光纤阵列（Fiber Array）产品为主。另外长兴化工则是以高分子材料切入平面光波导领域。

《图七 全球AWG厂商分布〈数据源：资策会MIC，2002年6月〉》

结论

平面光波导技术，因采用半导体制程技术，有利于大量制造，特别是未来主动与被动元件之整合趋势。虽然目前全球光通讯产业需求不振，延缓新技术之导入。不过亦因需求疲弱，反而扩大价格跌幅，此低价趋势会驱动制造走向大量量产发展，亦形成平面光波导之切入点。

而平面光波导技术之应用产品，目前在DWDM领域的AWG晶片，则受限于长途电信网路需求疲弱、本身产品稳定度偏低、价格过高等因素，使AWG之市场尚未完全浮现。而在分歧器方面，则渐渐成熟。但整体而言，其最大之潜力，仍着眼于未来主动元件与被动元件之整合元件市场。

在台湾光被动元件产业方面，虽然厂商有数十家之多。但在技术方面，多数仍是以传统的技术为主，包括有精密陶瓷、熔合等技术，生产连接器、耦合器。此领域因技术成熟，对人工依赖度高，进入门槛较低，因此竞争者多。加上中国大陆的海外归国学人（海归派），陆续投入光被动元件。未来在光被动元件领域，其竞争程度将更剧烈。

而在平面光波导技术，虽然资金与技术门槛较高，但着眼于未来主被动元件整合之市场。若善用台湾在半导体产业之基础，切入平面光波导领域，将有助于未来竞争力之维系。