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        Rockley的硅光技术

        摘要:与一般的硅光技术相比,Rockely采用的是3um厚的厚硅技术,而不是传统的220nm厚的硅波导。典型的波导结构如下图所示,

        先前的笔记(硅光工艺平台比较(更新)),小豆芽比较过不同的硅光工艺平台 ,当时没有搜集到英国Rockley公司的相关资料。最近Rockley在一篇IEEE的刊物上详细介绍了他们的硅光技术,小豆芽这里简单梳理一下。

        与一般的硅光技术相比,Rockely采用的是3um厚的厚硅技术,而不是传统的220nm厚的硅波导。典型的波导结构如下图所示,

        (图片来自文献1)

        典型的波导参数为w=h=3um, e=1.8um。

        Rockley的文章中列出了大多数Foundry选择220nm厚硅波导的主要原因有:1)为了满足单模波导条件,2)已有的CMOS设备不能处理厚硅(这一点小豆芽存疑),3)为了使用基于PN结的高速调制器。而波导尺寸变大后,波导中可能存在高阶模式,可能会引入额外的损耗。关于单模的问题,Rockley通过结构的设计,只激发波导的基模,从而克服高阶模损耗的问题。

        Rockley花费较大的篇幅,列出了采用3um厚硅波导的优势,主要有下面几点:

        1)偏振不敏感性

        下图是其波导的TE0和TM0模场分布,可以看出两者的区别非常小。220nm厚的硅波导是偏振敏感的,通常使用TE模。因此,对应的接收端常采用偏振分集(polarizatoin diversity)的方案。Rockley的厚硅波导方案对偏振不敏感,系统中可以省去一些偏振操控器件。

        (图片来自文献1)

        2)较低的传输损耗

        由于波导模式与波导侧壁的重叠相对较小,3um厚的硅波导传输损耗可以比220nm厚的硅波导损耗(2-3dB/cm)下降一个数量级,传输损耗在0.2dB/cm左右。Rockley的不同类型波导的损耗,如下表所示,

        (表格来自文献1)

        3)较高的工艺容差性

        在一些干涉器件中,硅波导加工的不完美,会引入相位误差(phase error),从而导致器件工作波长的漂移,例如AWG、级联Mach-Zehnder型滤波器。而对于3um的硅波导来说,相同的波导尺寸偏差,引入的相位误差更小,最终使得其对工艺的容差性更高。具体的比较,如下表所示,

        (表格来自文献1)

        从上表中可以看出,采用3um厚的硅光波导,其波长偏移非常小,只有零点几纳米的变化。较高的工艺容差性,对应较高的良率和较低的成本。

        4)可承受较大的光功率

        由于硅材料存在双光子吸收效应,波导中的光功率不能太大。220nm厚的硅波导功率上限值为300mW (25dBm), 而3um厚的硅波导可承受10W的光功率。目前小豆芽接触到的硅光系统中,还没有涉及到如此高的光功率。

        5)可与III-V光芯片集成

        由于InP光波导的模斑尺寸与3um厚硅波导尺寸接近,因而它们两者可以直接进行耦合,不需要设计额外的taper结构。

        Rockley还列出了一些他们的主要光器件:

        1)Euler bend

        由于波导尺寸较大,对应的波导弯曲半径较大。为了进一步减小弯曲半径,他们设计了Euler型的弯曲波导,对应的弯曲半径为86um。在Euler型弯曲波导中,曲率半径时渐变的,而不像传统的圆弧型弯曲波导,存在曲率半径的突变。对于90度的Euler弯曲波导,TE模的损耗为0.018dB, TM模的损耗为0.01dB

        2)edge coupler

        采用h=w=13um的波导作为端面耦合器,与单模光纤进行耦合。通过taper结构,将光场逐渐转移到3um厚的硅波导中,结构如下图所示,

        (图片来自文献1)

        该结构的理论耦合损耗值为0.15dB, 实验值为1.1dB左右。

        3)AWG

        采用Euler bend和1.5um宽的波导,Rockley展示了4通道和16通道AWG的结构图和测试结果,其插损都小于3dB, 串扰小于-25dB。两种类型的AWG波长间隔分别为400GHz和100GHz。4通道AWG的尺寸为0.7mm*2.2mm, 16通道的AWG尺寸为2mm*6mm。而220nm厚的硅波导工艺下,AWG的尺寸为几百微米。从尺寸的角度来看,基于3um厚硅的AWG尺寸大了很多倍,其优势在于中心波长漂移非常小,只有0.1nm。

        (图片来自文献1)

        4)hybrid III-V laser/modulator

        通过flip-chip的方式,将III-V激光器与硅光芯片直接耦合,如下图所示,

        (图片来自文献1)

        3um厚的硅光波导,无法通过设计硅的PN结结构,形成硅调制器。Rockley的方案是将III-V的电吸收调制器,通过flip-chip的方式,集成到硅光芯片上。III-V的电吸收调制器可以实现100Gb/s的PAM-4调制速率。

        5)Ge探测器

        Rockley在3um的硅上,进一步生长3um厚的锗,形成探测器,其带宽可以达到40GHz, C波段的响应率为1A/W, O波段的响应率为0.85A/W,测试结果如下图所示,

        (图片来自文献1)
        与传统的220nm硅光工艺相比,Rockley的厚硅工艺优势在于较低的传输损耗、偏振不敏感性以及较高的工艺容差性。在调制器和探测器方面,它的性能与传统工艺接近。它的芯片尺寸比220nm的尺寸大了很多倍。对于尺寸要求不严格的应用场景,并且光路中涉及到相位敏感的器件,可以采用3um厚的硅光工艺。目前提供3um硅光工艺的平台,只有两家,另外一家是芬兰的VTT, 可选的工艺平台较少。

        另外,Rockley和苏州亨通光电合作,成立了亨通洛克利公司,致力于100G硅光??椴返难蟹?。

        参考文献:
        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)

        内容来自:光学小豆芽
        本文地址:http://www.zangyo.com.cn//Site/CN/News/2019/06/03/20190603022735981724.htm 转载请保留文章出处
        关键字: Rockley
        文章标题:Rockley的硅光技术
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