Rockley的硅光技術(shù)

先前的筆記(硅光工藝平臺比較(更新))，小豆芽比較過不同的硅光工藝平臺 ，當(dāng)時沒有搜集到英國Rockley公司的相關(guān)資料。最近Rockley在一篇IEEE的刊物上詳細(xì)介紹了他們的硅光技術(shù)，小豆芽這里簡單梳理一下。

與一般的硅光技術(shù)相比，Rockely采用的是3um厚的厚硅技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的220nm厚的硅波導(dǎo)。典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如下圖所示，

（圖片來自文獻(xiàn)1）

典型的波導(dǎo)參數(shù)為w=h=3um, e=1.8um。

Rockley的文章中列出了大多數(shù)Foundry選擇220nm厚硅波導(dǎo)的主要原因有：1）為了滿足單模波導(dǎo)條件，2）已有的CMOS設(shè)備不能處理厚硅(這一點(diǎn)小豆芽存疑)，3）為了使用基于PN結(jié)的高速調(diào)制器。而波導(dǎo)尺寸變大后，波導(dǎo)中可能存在高階模式，可能會引入額外的損耗。關(guān)于單模的問題，Rockley通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計，只激發(fā)波導(dǎo)的基模，從而克服高階模損耗的問題。

Rockley花費(fèi)較大的篇幅，列出了采用3um厚硅波導(dǎo)的優(yōu)勢，主要有下面幾點(diǎn)：

1）偏振不敏感性

下圖是其波導(dǎo)的TE0和TM0模場分布，可以看出兩者的區(qū)別非常小。220nm厚的硅波導(dǎo)是偏振敏感的，通常使用TE模。因此，對應(yīng)的接收端常采用偏振分集(polarizatoin diversity)的方案。Rockley的厚硅波導(dǎo)方案對偏振不敏感，系統(tǒng)中可以省去一些偏振操控器件。

（圖片來自文獻(xiàn)1）

2）較低的傳輸損耗

由于波導(dǎo)模式與波導(dǎo)側(cè)壁的重疊相對較小，3um厚的硅波導(dǎo)傳輸損耗可以比220nm厚的硅波導(dǎo)損耗(2-3dB/cm)下降一個數(shù)量級，傳輸損耗在0.2dB/cm左右。Rockley的不同類型波導(dǎo)的損耗，如下表所示，

（表格來自文獻(xiàn)1）

3）較高的工藝容差性

在一些干涉器件中，硅波導(dǎo)加工的不完美，會引入相位誤差(phase error)，從而導(dǎo)致器件工作波長的漂移，例如AWG、級聯(lián)Mach-Zehnder型濾波器。而對于3um的硅波導(dǎo)來說，相同的波導(dǎo)尺寸偏差，引入的相位誤差更小，最終使得其對工藝的容差性更高。具體的比較，如下表所示，

（表格來自文獻(xiàn)1）

從上表中可以看出，采用3um厚的硅光波導(dǎo)，其波長偏移非常小，只有零點(diǎn)幾納米的變化。較高的工藝容差性，對應(yīng)較高的良率和較低的成本。

4）可承受較大的光功率

由于硅材料存在雙光子吸收效應(yīng)，波導(dǎo)中的光功率不能太大。220nm厚的硅波導(dǎo)功率上限值為300mW (25dBm), 而3um厚的硅波導(dǎo)可承受10W的光功率。目前小豆芽接觸到的硅光系統(tǒng)中，還沒有涉及到如此高的光功率。

5）可與III-V光芯片集成

由于InP光波導(dǎo)的模斑尺寸與3um厚硅波導(dǎo)尺寸接近，因而它們兩者可以直接進(jìn)行耦合，不需要設(shè)計額外的taper結(jié)構(gòu)。

Rockley還列出了一些他們的主要光器件：

1）Euler bend

由于波導(dǎo)尺寸較大，對應(yīng)的波導(dǎo)彎曲半徑較大。為了進(jìn)一步減小彎曲半徑，他們設(shè)計了Euler型的彎曲波導(dǎo)，對應(yīng)的彎曲半徑為86um。在Euler型彎曲波導(dǎo)中，曲率半徑時漸變的，而不像傳統(tǒng)的圓弧型彎曲波導(dǎo)，存在曲率半徑的突變。對于90度的Euler彎曲波導(dǎo)，TE模的損耗為0.018dB, TM模的損耗為0.01dB

2）edge coupler

采用h=w=13um的波導(dǎo)作為端面耦合器，與單模光纖進(jìn)行耦合。通過taper結(jié)構(gòu)，將光場逐漸轉(zhuǎn)移到3um厚的硅波導(dǎo)中，結(jié)構(gòu)如下圖所示，

（圖片來自文獻(xiàn)1）

該結(jié)構(gòu)的理論耦合損耗值為0.15dB, 實驗值為1.1dB左右。

3）AWG

采用Euler bend和1.5um寬的波導(dǎo)，Rockley展示了4通道和16通道AWG的結(jié)構(gòu)圖和測試結(jié)果，其插損都小于3dB, 串?dāng)_小于-25dB。兩種類型的AWG波長間隔分別為400GHz和100GHz。4通道AWG的尺寸為0.7mm*2.2mm, 16通道的AWG尺寸為2mm*6mm。而220nm厚的硅波導(dǎo)工藝下，AWG的尺寸為幾百微米。從尺寸的角度來看，基于3um厚硅的AWG尺寸大了很多倍，其優(yōu)勢在于中心波長漂移非常小，只有0.1nm。

（圖片來自文獻(xiàn)1）

4）hybrid III-V laser/modulator

通過flip-chip的方式，將III-V激光器與硅光芯片直接耦合，如下圖所示，

（圖片來自文獻(xiàn)1）

3um厚的硅光波導(dǎo)，無法通過設(shè)計硅的PN結(jié)結(jié)構(gòu)，形成硅調(diào)制器。Rockley的方案是將III-V的電吸收調(diào)制器，通過flip-chip的方式，集成到硅光芯片上。III-V的電吸收調(diào)制器可以實現(xiàn)100Gb/s的PAM-4調(diào)制速率。

5）Ge探測器

Rockley在3um的硅上，進(jìn)一步生長3um厚的鍺，形成探測器，其帶寬可以達(dá)到40GHz, C波段的響應(yīng)率為1A/W, O波段的響應(yīng)率為0.85A/W，測試結(jié)果如下圖所示，

與傳統(tǒng)的220nm硅光工藝相比，Rockley的厚硅工藝優(yōu)勢在于較低的傳輸損耗、偏振不敏感性以及較高的工藝容差性。在調(diào)制器和探測器方面，它的性能與傳統(tǒng)工藝接近。它的芯片尺寸比220nm的尺寸大了很多倍。對于尺寸要求不嚴(yán)格的應(yīng)用場景，并且光路中涉及到相位敏感的器件，可以采用3um厚的硅光工藝。目前提供3um硅光工藝的平臺，只有兩家，另外一家是芬蘭的VTT, 可選的工藝平臺較少。

另外，Rockley和蘇州亨通光電合作，成立了亨通洛克利公司，致力于100G硅光模塊產(chǎn)品的研發(fā)。

參考文獻(xiàn)：
A. J. Zilkie, et.al., "Multi-micron silicon photonics platform for highly manufacturable and versatile photonic integrated circuits", IEEE Journal of Selected Topic in Quantum Electronics (2019)