硅光子设计——从器件到系统

第1篇 引言
　　第1章 无晶圆厂硅光子
　　1.1 引言
　　将光子器件和电子器件集成在同一衬底上使得通信与微系统技术发生了革命性的变化，在未来几年将出现通过将大规模光子集成与电子集成相结合的全新的片上系统 (System-on-Chip， SoC)。
　　电-光回路将在全球范围内发挥无处不在的作用，影响诸如移动设备 (智能手机、平板电脑) 的高速通信、计算机内部以及数据中心内部的光通信、传感器系统和医疗应用等领域。特别地，我们预计通信、数据中心和高性能计算等可能会最早受到这项技术的影响，这项技术最终将转移到更大容量、更短距离的消费应用程序中。
　　在 20 世纪 70 年代新兴的电子领域，施乐帕克研究中心 (Xerox PARC) 的Lynn Conway 和加州理工学院的 Carver Mead 教授研发了一种电子设计方法学，并因此写了一本教材，教学生如何设计电子集成电路，并通过多项目晶圆 (Multi-Project Wafer， MPW) 的方式由 Intel 和惠普制造，即多个集成电路设计共享同一个制造过程 [1]。这些努力促成了一个名为金属氧化物半导体实施服务 (MetalOxide Semicondutor Implementation Service， MOSIS) 的组织在 1981 年成立，该组织引入了由参与者分摊制造成本的模式。经由 MOSIS 可以提供相对较便宜的设计-构建-测试周期，并可持续培训开发，我们现在看到的无处不在的电子产品与成千上万的设计师有关。MOSIS 是基于已经投入生产的商业流程开始的，并将其开放给设计团队进行原型设计和研究。
　　微电子团队，特别是 CMOS 团队能长期取得成功的关键因素之一，就是采用这种由参与者分摊制造成本的模式。通过收取适当的成本，公开提供这些批量生产流程服务于研发。任何资金有限的人都可以立即进入大规模生产的流程中进行最前沿的、创造性的工作。培养工程师们使用生产工具和流程，然后让他们自由构建先进的电路，这些电路可以用有限的资金转化为无晶圆厂的集成电路 (IntegratedCircuit，IC) 初创公司，这一直是无数成功企业的来源。我们很难过分地去强调这种模式与光子学 (以及大多数工程领域) 之间的差异，后者从研究到生产的过程中还存在着巨大的障碍。
　　目前，硅光电子学正处于与 20 世纪 70 年代电子学一样的早期发展阶段，但在芯片制造方面有一个重要的优势：现有的硅晶圆代工厂已经存在，可以生产高度可控的微电子用硅片 (图 1.1)。在微电子行业，硅光子制造的微加工基础设施已经存在。一些公司正在生产硅光子芯片，如 Luxtera 公司的硅光子芯片已在高性能计算机集群中使用 [2]。目前，我们正处于一个重要的变革中，学术界、学者和工业界都可以通过 ePIXfab[3]、IME[4.6]、CMC Microsystems[9] 等公司提供的多项目晶圆服务获得有源硅光子制造的机会。然而，目前面向大众可用的制造工艺都不符合生产标准，它们尚处于原型设计和研发中，仅支持非常有限的产量。由于商业用户不愿意依赖非生产验证的流程来进行产品开发，因此无法利用已有的商业化制造工艺，这是 OpSIS 成功的一个重大障碍，OpSIS 最近关闭了，原因是来自研究用户和资助者的资金不足以让这项工作继续进行下去，也不能开发出适合商业化使用的工艺。
　　图 1.1 8in SOI(绝缘衬上硅) 晶圆和集成光子器件、回路 [10]
　　译者注: 1in=25.4mm
　　幸运的是，硅材料允许我们以一个相当有竞争力的性能水平来完成所有关键的光学功能，除了激光器之外，如图 1.2 所示。最近有很多关于在硅中单片集成激光的量子点和锗生长相关的工作正在进行，而且非常有趣 [7]。微电子行业继承下来的键合技术，有可能以相对较低的成本键合激光器，如通过类似于 Intel 和Aurrion 公司的前端集成，或通过成品激光芯片裸片键合 [8]。这些方法仍在研发中，但可以明确的是，在与硅平台集成的各种层面上，有几种实用的方法可用来制造廉价的激光光源。哪种方法最佳，还有待观察。
　　图 1.2 硅光子典型工艺，包括光栅耦合器、锗光电探测器、波导、调制器和金属氧化物半导体场效应管。注意：目前在硅光子学领域进行的大多数先进的工作并不采用与晶体管的单片集成，而是利用 3D 或 2.5D 集成 [10]
　　1.2 硅光子：下一个无晶圆厂半导体产业à
　　为制造微电子晶体管而发展起来的代工厂和制造工艺正在被重新设计，以用于制造硅光子芯片，使其可以进行发光、探测、调制等其他对光的操控。这在一定程度上有点违背直觉，因为微电子行业为了制造出**的晶体管，在开发工具、工艺和设施上投入了数万亿美元的资金，却没有考虑到如何使这些工艺与光子学兼容 (CMOS 和 CCD 相机芯片等器件的工艺除外)。我们怎么会如此幸运地将这些功能直接用于光子学？
　　实际上，它们是不能直接拿来用的。试图将光子功能直接集成到 CMOS 或双极型硅晶圆中，而不做任何工艺上的改变，都会生产出性能不佳的器件。微电子工艺是为制造电子产品而设计的，因此它们不能用于具有竞争力的光子产品也是情理之中。即使可以，也不会有经济效益。与先进的微电子芯片 (16nm) 相比，硅光子芯片需要相对原始的制造工艺 (90nm)。从性能和经济角度来看，尝试将先进的微电子制造技术用于光子芯片制造是一个错误。
　　没有任何理由期望用于制造集成电路的工艺与制造控制光的器件的工艺是完全兼容的。但是，在过去的十年里，人们发现硅不仅是一种很好的电子材料，还是一种很好的光子材料。更令人惊叹的是，硅光子学团队已经开发出了可以利用现有的 CMOS 工艺的基础设施来构建复杂的光子回路的技术，信息可以实现从电域到光域的无缝传输。虽然用于制造集成电路的全部工艺流程不能被重复使用，但模块化的工艺步骤可以重新安排和重复使用，以开发独特的工艺流程来构建硅光子学。这不是一件小事，一些组织已证实，这是有可能的。
　　现在出现了一些充满生机与活力的公司和学术团体，他们使用过去 50 年来在硅微电子工业中发展起来的材料和技术，并重新利用它们来构建光子器件和光回路。这项工作特别引人注目的是，许多工作并不只是在单独的设施中使用相同的设备，而是使用与常规 CMOS 晶体管制造过程完全相同的工具和设施。值得注意的是，在这些设施中有一些限制因素：被证明与 CMOS 工艺不兼容的材料被禁用；工艺和回路设计必须保证制造时不会损害或污染工具；在先进的制造工艺中，CMOS 兼容制造设施中的掩模和工艺开发成本也可能非常高 [11]。但是，如果能够直接利用建设现代化 CMOS 设施的数亿美元的投资来构建硅光子制造系统，那就意味着立即有了一条直接的、快速的商业化和大规模生产的途径。
　　1.2.1 光子学历史背景
　　到目前为止，无晶圆厂光子企业的机会很少。
　　从以往看，光子学的一个关键问题是，针对特定的应用，采用不同的材料。其工艺已经高度专业化。单个器件被单独封装，并通过光纤连接在一起。因此在通信系统中采用多种不同材料体系制造的芯片的情况并不少见。基于射频 (RF)CMOS或双极工艺的高带宽电子器件 (如串行器和解串行器)、基于 FPGA(现场可编程门阵列) 或高比例 CMOS 的数字组件 (如控制回路)、基于玻璃扩散波导的光复用器 (如阵列波导光栅) 和无源器件、基于铌酸锂的调制器、基于磷化铟的激光器、基于锗的探测器以及基于 MEMS 的光开关，这些器件的制造工艺彼此不兼容。不同类型的器件只有采用相应的材料制作才能得到最佳的性能，这就意味着，在大多数情况下，光子器件是在特殊制造设备中生产的，产量极低。这就导致了器件的高成本，因为相较于微电子工业的规模，很少有光子器件称得上是真正高产量的。**能与之接近的是垂直腔面发射激光器 (VCSEL)(它是经由晶圆规模技术制造的，作为分立器件使用) 和无源光网络 (PON Network) 的组件 (同样，它是经由晶圆规模技术制造的直接调制激光器，但它们作为独立的分立器件使用)。
　　虽然分立光子器件之间可以通过标准光纤和连接器连接，但最终器件成本和损耗很大。一部分来自光电子封装工艺，通常需要亚微米级精度的五轴和六轴对准；一部分来自封装本身，器件封装通常是密封的，有时甚至还需镀金。同样，这也造成了光子元件和系统的高成本。
　　硅光子技术的巨大前景在于将多种功能集成到一个单一的封装中，并使用与制造先进微电子技术相同的制造设备的大部分或全部功能，作为单一芯片或芯片堆栈的一部分 (图 1.3 和图 1.4)。这样做将从根本上降低通过光纤传输数据的成本，并将为各种新的光子学应用创造机会，以极低的成本构建高复杂度系统。
　　图 1.3 IME A*STAR(科学、技术和研究机构) 制造的 SOI 光子芯片

硅光子技术在电信通信、数据中心、高性能计算、传感、航空航天等领域的广泛应用，特别是随着CMOS(互补金属氧化物半导体)技术的持续发展，光子技术与电子技术的融合有望最终取代电子技术。
　　《硅光子设计：从器件到系统》详细地介绍了硅光子技术，从光无源器件到光有源器件，从功能结构设计到芯片制造，从制造到测试，从器件回路到系统回路，从理论分析计算到仿真等，涵盖器件结构原理、设计、制造、封测、仿真等全流程，结合大量实例详细说明硅光子从器件到系统各个环节的关键要素，并辅以仿真计算源代码供学习和参考。《硅光子设计：从器件到系统》共四篇，第1篇介绍硅光子发展及其应用，包括硅光子研究现状、技术挑战和发展机遇；第2篇介绍光无源器件，包括光学材料和光波导、基本功能结构和光输入/输出结构；第3篇介绍光有源器件，包括光调制器、探测器和激光光源；第4篇介绍系统设计，包括硅光子回路模型、设计工具、制造、封测和硅光子系统。

目录
译者序
原书序
原书前言
贡献者
第1篇引言
第1章无晶圆厂硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一个无晶圆厂半导体产业5
1.2.1光子学历史背景6
1.3硅光子应用7
1.3.1数据通信7
1.4技术挑战与研究现状9
1.4.1波导与无源器件9
1.4.2调制器10
1.4.3光电探测器11
1.4.4光源12
1.4.5光–电集成方法13
1.5机遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系统工程15
1.5.3工具与支持性基础设施16
1.5.4基础科学17
1.5.5工艺标准化与多项目晶圆发展18
参考文献19
第2章硅光子建模与设计方法27
2.1光波导模式求解28
2.2光波传输29
2.2.1三维时域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二维时域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他传输仿真方法33
2.2.4无源光器件35
2.3光电模型35
2.4微波建模36
2.5热建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版图38
2.8软件工具集成38
参考文献40
第2篇光无源器件
第3章光学材料与光波导47
3.1绝缘衬上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波导50
3.2.1光波导设计50
3.2.2一维平板光波导——分析方法51
3.2.3光波导的数值建模51
3.2.4一维平板波导——数值仿真51
3.2.5有效折射率法55
3.2.6有效折射率法——解析法56
3.2.7光波导模场分布——2D计算56
3.2.8光波导宽度——有效折射率60
3.2.9波长相关性62
3.2.10光波导的紧促模型64
3.2.11光波导损耗65
3.3弯曲波导66
3.3.1弯曲波导3DFDTD仿真68
3.3.2本征模弯曲模拟69
3.4问题71
3.5仿真代码72
参考文献90
第4章光器件建模基础93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波导模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3实验数据100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6条形波导103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3马赫–曾德尔干涉仪110
4.4环形谐振器111
4.4.1光传输函数112
4.4.2环形谐振器实验结果113
4.5布拉格光栅滤波器114
4.5.1布拉格光栅理论114
4.5.2布拉格光栅滤波器设计116
4.5.3布拉格光栅滤波器实验123
4.5.4光栅制造的实证模型127
4.5.5螺旋布拉格光栅132
4.5.6相移布拉格光栅134
4.5.7多周期布拉格光栅135
4.5.8基于光栅的定向耦合器136
4.6问题138
4.7仿真代码138
参考文献161
第5章光输入/输出165
5.1光子芯片与光纤耦合的挑战165
5.2光栅耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理论167
5.2.3设计方法170
5.2.4实验结果181
5.3边缘耦合器182
5.3.1纳米锥波导边缘耦合器183
5.3.2层叠波导边缘耦合器187
5.4偏振188
5.5问题190
5.6仿真代码190
参考文献217
第3篇光有源器件
第6章光调制器223
6.1等离子体色散效应223
6.1.1硅的载流子浓度相关性223
6.2pn结相移器225
6.2.1pn结载流子分布225
6.2.2光相位响应227
6.2.3小信号响应228
6.2.4pn结TCAD数值仿真229
6.3微环调制231
6.3.1微环可调性232
6.3.2小信号调制响应234
6.3.3环形调制器设计235
6.4前向偏置pin结236
6.4.1可调光衰减器236
6.5有源可调238
6.5.1pin相移238
6.5.2热相移239
6.6热光开关242
6.7问题243
6.8仿真代码244
参考文献266
第7章光电探测器268
7.1性能参数268
7.1.1响应度268
7.1.2带宽269
7.2光电探测器制造272
7.3光电探测器类型274
7.3.1光导探测器274
7.3.2pin探测器275
7.3.3雪崩光电探测器275
7.4光电探测器设计要素278
7.4.1pin结方向278
7.4.2光电探测器几何尺寸279
7.4.3接触280
7.4.4外部负载281
7.5光电探测器建模282
7.5.13DFDTD光学仿真282
7.5.2电学仿真285
7.6问题288
7.7仿真代码288
参考文献302
第8章激光器305
8.1外部激光器305
8.2激光器建模306
8.3协同封装308
8.3.1预制激光器308
8.3.2外部谐振腔激光器309
8.3.3刻蚀嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5单片集成激光器311
8.5.1III-V族单片生长312
8.5.2锗激光器313
8.6其他类型激光光源314
8.7问题315
参考文献315
第4篇系统设计
第9章硅光子回路建模323
9.1光子回路建模的必要性323
9.2系统设计中的器件324
9.3紧促模型325
9.3.1经验回路或等效回路326
9.3.2S参数326
9.4定向耦合器——紧促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS参数328
9.4.3经验模型——多项式331
9.4.4S参数模型的无源性332
9.5环形调制器——回路模型336
9.6光栅耦合器——S参数338
9.6.1光栅耦合器回路339
9.7仿真代码340
参考文献362
第10章硅光子设计工具和技术363
10.1工艺设计套件363
10.1.1制造工艺参数365
10.1.2元器件库367
10.1.3原理图绘制368
10.1.4回路输出369
10.1.5原理图生成版图370
10.1.6设计规则检查374
10.1.7版图与原理图对照检查376
10.2掩模版图377
10.2.1元器件377
10.2.2光电测试版图378
10.2.3快速GDS版图布版方法378
10.2.4有效空间的GDS版图布版方法379
参考文献381
第11章硅光子晶圆制造383
11.1制造非均匀性383
11.1.1光刻轮廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均匀性与实验结果386
11.2问题393
参考文献394
第12章硅光子测试与封装395
12.1电互连和光互连395
12.1.1光互连395
12.1.2电互连400
12.2光探针自动化测试台402
12.2.1光探针自动化测试台构成404
12.2.2测试软件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光测试仪器409
12.3测试设计410
12.3.1光功率预算412
12.3.2布版注意事项412
12.3.3设计审查和核对表413
参考文献415
第13章硅光子系统实例418
13.1基于波分复用的光发射器418
13.1.1基于硅微环WDM的光发射器原理418
13.1.2共总线WDM光发射器420
13.1.3调制–复用WDM光发射器421
13.1.4结论423
参考文献423
彩图