October_Silicon Photonics｜Global Silicon Photonics Technology Development Overview(Up)

Published On: 2023/09/25|Categories: 科技(Technology)|

Currently, silicon photonics technology is usually fabricated on SOI wafers containing important optoelectronic components such as a laser source that converts electrical signals into optical signals, an optical sensor that converts optical signals into electrical signals, a modulator that enhances the bandwidth of the optical signals, a planar waveguide that transmits the optical signals, and an optocoupler that assists in reading the optical signals from the wafer. FIG. 1 is a cross-sectional view of a silicon photonic wafer whose components include.

(1). Optical components such as lenticular couplers and waveguides that utilize silicon as a light-conducting layer;

(2). Optoelectronic devices such as modulators and sensors that utilize doping to form a PN interface;

(3). A laser source utilizing III-V epitaxial diaphragms laminated to a silicon SOI substrate, and covered with deposited silicon dioxide to form a strong wave-conducting structure after the completion of the component, and an overview of the technological development of the important components is described as follows.

圖1、矽光子晶片結構示意圖

資料來源 : NEUROPULS (2023)

雷射源 : 由於矽為間接能隙材料而不能作成效發光源，故需要以III-V族材料製作雷射源，其作法有Hybrid Silicon Laser、Direct Attached Laser、Off-chip Laser等三類。目前最常用的Off-chip Laser是將外部雷射光透過光纖引入矽光子晶片，也可以利用覆晶封裝將外部雷射對準光耦合器或利用微小透鏡聚焦雷射光以引入矽光子晶片。Direct Attached Laser是透過封裝將雷射二極體與矽光子晶片整合，由於此技術需要低於±1 μm的超高對位精度以減少雷射源與波導間的光學耦合損失，故量產難度非常高。Hybrid Laser是將III-V族材料磊晶膜片與SOI基板貼合，再透過微影、蝕刻、薄膜等製程完成雷射源及與波導的耦合，藉此克服對位問題以提高良率。目前已發展出Direct Bond及BCB Bond等兩種技術，前者是利用貼合介面間的原子力鍵結，對介面平整度及潔淨度要求很高而不易量產；後者是高分子材料作為黏著層，對貼合介面的製程條件要求不高，且具備良好接合強度與抗化學腐蝕能力。
光感測器 : 目前發展出的感測器技術包括 : (1).將III-V族材料貼在矽SOI基板再製作出感測器，(2).製作鍺矽感測器，可偵測1310~1550 nm波長光訊號。
調變器 : 由於矽晶格結構具有空間轉置對稱性，無法利用Pockels Effect來達成電光效應，故主要應用三階非線性效應，將PIN、PN或MOS電容相位調變單元配合矽光波導以構成Mach-Zehnder調變器或環型共振腔調變器。
波導 : 是矽光子晶片使用最多的元件，具有通道波導、脊型波導等結構。光波導的傳播損耗主要來自側壁粗糙造成的界面光場散射，早期每公分的損耗高達15 dB，目前透過製程改良已經可以控制低於1 dB。
光耦合器 : 根據光纖和矽晶片的相對位置，主要分成邊緣與光柵耦合等兩種。前者的光纖和晶片位於同一平面，透過錐形波導等方式進行耦合。因為設計簡單與使用頻寬較大，且光透過邊緣耦合方式進入波導元件的損耗低，因此早期使用者較多。然而該元件製作好後還必須切開，且劈裂面需要拋光才有比較好的耦合效果，故其製程十分複雜；後者的光纖和晶片相互垂直，雖然使用頻寬較小且光損耗較大，但只要在特定角度射入即可耦合，所以使用者逐漸增加。

除了Intel擁有晶圓廠外，大部分矽光子晶片商都是委外代工生產，目前推出代工服務機構包括: (1).比利時IMEC、新加坡AMF、法國CEA-Leti、芬蘭VTT、德國IHP Microelectronics等科研中心、(2).NXP等IMD公司、(3).GlobalFoundries、Tower Semiconductor、台積電等晶圓代工廠商。重要機構如IMEC提供共享晶圓的iSiPP50G及專用8吋晶圓的iSiPP200、12吋晶圓的iSiPP300等製程，並自建矽光子元件資料庫以協助客戶設計晶片；GlobalFoundries於2015年收購IBM半導體業務後取得矽光子相關技術，相繼於2018、2021、2022年推出90WG、45CLO、Fotonix等矽光子平台，並與Broadcom、Cisco、Marvell、Nvidia、Macom、Ayar Labs、Lightmatter、Ranovus、Xanadu合作開發矽光子晶片，交由美國New York州的Malta晶圓廠負責生產，預計於2023年底先生產Xanadu產品。除製程外，設計工具是另一項開發矽光子晶片的關鍵技術，Luxtera首先推出基於Cadence環境的設計套件，具備元件標準模型、光子和電子元件佈局規劃、設計規則檢查等功能，部分公司開發TCAD等級的積體光學模擬工具，如Ansys的Lumerical INTERCONNECT、Luceda Photonics 的IPKISS等設計平台，可於設計階段估算矽光子晶片的光、熱與高頻特性。