硅光开发平台:当前现状与新举措

参考自:2018年发表于IEEE顶刊Proceedings of The IEEE上的综述文章
A. Rahim,T. Spuesens, R. Baets and W. Bogaerts, “Open-Access Silicon Photonics:Current Status and Emerging Initiatives,” in Proceedings of the IEEE, vol. 106, no. 12, pp. 2313-2330, Dec. 2018.

1介绍

目前硅光的材料体系包括:绝缘层上硅（SOI）,硅-绝缘层上氮(SIN)，硅层上锗(GOS)，绝缘层上锗，GOS-N与Si-on-Si N-on-Si等。这些材料体系都与CMOS工艺兼容，但目前最常用的还是SOI技术。

最早硅光的应用是在上个世纪九十年代光纤陀螺仪与VOA上，但早先硅光并没有得到广泛的应用，虽然Intel在硅基光调制器方面取得了突破性进展并对硅光技术进行了展望[1]。直到2007年，Luxtera公司在ISSCC上推出了集成10G调制器与复用/解复用器的商用收发光芯片[2]。2012年，思科收购了硅光公司Ligthwire并开始开发硅光100G光模块。2015年，Acacia公司开发了基于硅光的相干光通信模块，并将其应用在数据中心光互连与长途DWDM系统中。2016年，一直以来深耕于硅光领域的Intel推出了用于数据中心互联的单波100G-PSM4光模块。2017年，Inphi开始提供数据中心互联的100G-PAM4-DWDM硅光引擎，图1显示了过去30年硅光在技术与商业方面的里程碑。上世纪80年代提出硅光PIC概念[3]，90年代与2000年前后改进了工艺获得了低损耗脊波导与条波导[4]，2004年左右实现了高速硅基调制器[1]并提出了硅基光源的设想，实现了全硅光泵浦的拉曼激光器[5]，同时也实现了采用键合工艺在硅基上混合集成三五族激光器的光源方案[6]。2007年实现了可工作于30Gb/s的调制器[7]，同年基于波导结构的高速锗硅探测器被提出[8]并得到了发展[9]。自此，除激光器外，硅光的有源器件都取得了突破性进展，朝着商业化迈出了关键一步。

最近几年，硅光的fabless公司得到了迅速发展，并开始向电信市场进军。同时硅光在其他不同领域的应用也得到了研究，包括传感，生物光子学，激光雷达，机器学习与量子科学等等。

目前的硅光和微电子行业相同，分别包括研究院所，垂直整合IDMs与foundries。由于硅光芯片的需求量远小于电芯片，故重新投资建设新厂并不现实，故都是利用旧有fab进行制造，所以硅光较传统三五族材料PIC更具有经济上的优势。

2不同材料体系

目前主要应用波段为0波段与C波段，波长范围为1.3-1.6um。虽然硅光也可以应用于可见光与中红外波段，其需要新材料，这方面并不是主流应用，这里不做介绍。

A.SOI:

目前SOI波导主要分为亚微米SOI于厚波导SOI，其主要区别不再BOX厚度（足够厚保证光不泄露进硅衬底），对于亚微米波导，其厚度小于1um，对于厚波导，其厚度大于1um。二者不同还在于对于亚微米波导，其可以在8寸及以上晶圆获得。

1）亚微米SOI:
亚微米SOI目前是硅光的主流，开发硅光平台大都提供亚微米SOI，其能够实现所有有源无源器件。亚微米SOI的顶层硅厚度数百nm以保证单模运转，其宽度在400-1000nm不等，强光场限制作用使得其弯曲半径可以仅有几微米，故其可以实现PIC的紧凑设计。目前标准硅厚度为220nm，这几乎成为了一个业内标准。但是亚微米SOI的缺点是其对尺寸误差很敏感，故工艺误差会产生传输损耗，背向散射与MZI和MRR中的频谱偏移。通过增加波导宽度与厚度可以减少传输损耗，其可以应用在高Q-MRR与WBG中。在设计时需要考虑误差的影响并尽量减少工艺误差的影响。高限制波导的另一个问题是当光功率达到几十mw以上时会发生双光子吸收(TPA)，TPA不仅会引入波导的非线性传输损耗，还会引起自由载流子吸收损耗与折射率改变。当波长大于2.2um，TPA效应增强，故在长波段亚微米波导非常适合非线性效应的发生。

2）厚SOI：
厚波导的传输损耗较小(0.1dB/cm)，后向散射很小。厚波导的单模条件只有在rib波导中才能实现，其具有一个特定的纵横比，rib波导与条波导之间可以通过adiabatic taper波导进行无损耗转换。厚波导具有更大的模场，故其对工艺误差，表面粗糙与偏振不敏感。其能接受更大的高功率(>1W)，且能工作在中红外波段。最常见厚度为3um，其也可以在开发平台获得。厚波导的弯曲半径需要数微米，故在弯曲处需要使用全反射镜(TIR)与欧拉(Euler)曲线弯曲(其对TE/TM损耗均较小,<01.Db@数um半径)，这样弯曲半径可以减少为1-50um，实现紧凑设计。亚微米波导的PD与MOD可以单片集成，但是厚波导需要通过flip-chip集成，其有源器件带宽很难提升，其都是在老的低工艺的代工厂实现。

C.氮化硅
考虑带硅的禁带宽度，SOI只能工作于1.1um以上。近几年，氮化硅吸引了人们的注意，其工作波长范围覆盖可见光到中红外(0.4-4um)，且SiN可以通过PECVD/LPCVD直接沉积。对于1.55um应用，一般使用LPCVD。SiN不存在TPA，故可以接受大功率应用且其损耗很小，其非常适合制作高质量窄带滤波器件(相位误差小)。
SiN的折射率差适中，比SOI小4左右，故其损耗与背向散射较小，且其温度敏感性仅为SOI的1/5，所以SiN适合温度敏感的应用场合，无需温度反馈器件，但是其不适合做热光器件。同样SiN包括亚微米SiN与厚SiN。厚SiN适合于制作高功率PIC。

图2显示了不同材料与不同波导结构，可见亚微米SOI波导与SiN波导支持绝大部分类型的波导，而厚SOI波导仅支持rib波导。

目前的硅光的标准并不统一，各个fab有各自的工艺参数。但是不标准化在硅光的发展中具有实际意义，其不同材料/波导结构各自具有一定的优缺点，之间可以相互竞争，图3显示了不同波导在不同方面的优势(包括SiN，亚微米波导与厚波导)，可以看见三者之间是存在性能互补关系的，如SOI波导具有更小的弯曲半径，更小的I/O耦合损耗与更高有源器件性能，而SiN能实现低损耗传输，全波段与高功率应用。

其各自字母含义如下:

结合SOI与SiN可以实现多层PIC设计，将无源器件放置于SiN层，而将有源器件放在SOI层从而充分利用不同材料波导的性质并实现更紧凑设计。
下表显示了目前全球各地不同的机构的硅光工艺平台，可见，其大部分采用亚微米SOI工艺(220nm)，少部分采用SiN与厚波导工艺，且大多采用193nm光刻，晶圆大都为8英寸，少部分为6英寸与12英寸。对于中国而言，其工艺平台包括：中科院微电子所(IMECAS)，中芯国际与台积电等。目前大部分硅光工艺还是采用的半导体的130/90nm工艺，但实际上为减少波导工艺误差，需要更高工艺如40nm/65nm工艺，但是成本又是一个问题，毕竟硅光产量很小。而采用SiN/厚SOI则可以降低对光刻的要求。未来对工艺的升级将有赖于市场的需求及硅光的性能优势。

参考文献:

[1]Liu A , Jones R , Liao L , et al. A high-speed silicon optical modulator based on a metal–oxide–semiconductor capacitor[J]. Nature, 2004, 427(6975):615-618.
[2]A.Huang et al., “A 10 Gb/s photonic modulator and WDM MUX/DEMUX integrated with electronics in 0.13 µm SOI CMOS,” in IEEE Int. Solid State Circuits Conf. (ISSCC) Dig. Tech. Papers, San Francisco, CA, USA, Feb. 2006, pp. 922–929.
[3]Soref R A . Silicon-based optoelectronics[J]. Proceedings of the IEEE, 1994,81(12):1687-1706.
[4]Vlasov Y , Mcnab S . Losses in single-mode silicon-on-insulator strip waveguides and bends[J]. Optics express, 2004, 12(8):1622.
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[7]Ansheng Liu, Ling Liao, Doron Rubin,等. High-speed optical
modulation based on carrier depletion in a silicon waveguide[J]. optics express, 2007, 15(2):660.
[8]Ahn D , Hong C Y , Liu J , et al. High performance, waveguide integrated Ge photodetectors[J]. Optics Express, 2007, 15(7):3916-3921.
[9]Yin T , Cohen R , Morse M M , et al. 31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on Silicon-on-Insulator substrate[J]. Optics Express, 2007, 15(21):13965-13971.