硅光芯片的光源

这一篇笔记聊一聊硅光芯片的光源问题。公众号里写了很多硅光相关的专题，但是一直没有提及光源问题。在硅光芯片上可以单片集成调制器、探测器等，并且性能优良，但是不能发光是硅材料的短板，没有较好的解决方案。由于硅材料是间接带隙半导体，它的发光效率非常低，天生的缺陷。下图是Si和InP的能带图比较，

（图片来自文献1）

在硅中，由于波矢不匹配，电子需借助于声子的作用，才能与空穴复合，产生光子，其复合几率非常低。而对于InP这类III-V族材料，则不存在这一问题，不需要借助于声子，电子和空穴的复合几率非常大。

既然硅材料发光效率低，而III-V族材料可以自发光，很自然的想法是将两者结合起来，这也是目前主流的方案，也就是所谓的硅基混合集成激光器。具体来说，可以细分为三种：第一种是flip-chip方案，直接将封装好的III-V激光器贴到硅光芯片上；第二种是wafer/die bonding方案，将III-V的裸die贴合到硅光芯片上，后续再对裸die进行加工，形成激光器；第三种是硅材料上直接外延生长III-V材料。以下分别对这三种方案做详细介绍。

1. Flip-chip方案

该方案将激光器LD直接倒装焊到硅光芯片上，思路比较简单，工艺也比较成熟。但是该方案对贴装的精度要求比较高，时间成本较大，并且集成度不够高。Luxtera公司采用的正是该方案（左图），后续又改进为micro package方案（右图），将LD、透镜、隔离器等元件都放置在一个硅盒子中，器件的位置相对固定，节省了对光调节的时间，并且提高了可靠性，利于大规模生产。

（图片来自文献2）

爱尔兰的Tyndall国家研究院也提出了一个类似的方案——micro optical bench, 也是将LD和透镜、棱镜等放置在一个硅板上，主要区别是没有将这些器件封装在一个盒子里，如下图所示，

（图片来自文献3）

Macom公司也是采用flip-chip的方案，由于他们可以自己生产LD, 他们利用微加工的方法对激光器的端面进行刻蚀，而不是传统的裂片方法。该方案的优势是可以通过无源对准的方法放置激光器，节省了对准所需的时间。Macom的资料比较少，细节不是特别清楚，下图是官网上给出的硅光芯片示意图，

（图片来自https://www.macom.com/products/photonic-solutions/l-pic）

2. Wafer/Die bonding方案

该方案将没有结构的III-V族材料键合到SOI基片上，进一步再对III-V族材料进行加工，形成激光器，示意图如下。根据bonding材料的不同，还可以进一步细分，这里就不赘述了。

（图片来自文献6）

该方案不需要对准调节，其位置准确性由光刻精度保证，省去了对准调节的时间。此外，如果是将一整个InP晶圆贴合到SOI晶片上，可以同时加工多个激光器，利于大规模生产，成本进一步降低。典型的器件结构如下图所示，分别为FP型激光器和微盘型激光器。微盘型激光器的体积小，阈值电流小。

(图片来自文献4）

该方案的另一个优势，可以通过设计波导结构，采用消逝波耦合的方式，使得InP产生的激光以非常高的效率耦合到硅波导中去，回避了flip-chip方案中耦合效率不够高的问题。另外，可以通过设计光栅结构，形成DFB、DBR等不同种类的激光器。

Intel采用的是该方案，他们与加州圣巴巴拉分校合作多年。因此该方案需要多年的投入与技术积累，困难系数比flip-chip方案大得多。

3. 外延生长III-V族材料

该方案的想法比较直接，在Si材料上外延生长III-V族材料，进而再对材料结构进行加工，形成激光器。但是Si材料和III-V族材料晶格常数不匹配（InP: 8.1%, GaAs: 4.1%），好比一个胖宝宝和一个瘦宝宝，彼此看不顺眼，不能做好朋友。为了让这一对宝宝和谐相处，研究人员在工艺上做了很多努力。下图是一个该方案的一个示意图，

（图片来自文献5）

目前该方案不够成熟，还限于研究阶段，没有公司采用此方案。该方案是真正意义上的单片集成方案，潜力巨大。

以上是对硅基混合集成激光器的总结，当然还有一些其他方案，例如在硅中掺杂稀土元素，锗硅激光器等，这些方案大多不太成熟，处于研究阶段。从产品的可靠性和投入成本上看，flip-chip方案是首选。由于其他器件（调制器、探测器等）已经相对成熟，所能达到的性能指标差别不大，而光源作为硅光芯片重要的组成部分，其方案的优劣直接决定了产品的竞争力。

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最后，提前预祝大家新春愉快，阖家幸福!

参考文献：

1. D. Liang, J.E. Bowers, "Recent progress in lasers on silicon", Nature Photonics 4, 511(2010)
2. Light source approach for silicon photonics transceivers
3. L. Carroll, et.al., "Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices", Applied Sciences 6, 426(2016)
4. G. Roelkens, et.al., "Hybrid Silicon Lasers"
5. Z. Zhou, et.al., "On-chip light source for silicon photonics", Light: Science & Applications 4, 358(2015)
6. G. Duan, et.al., "Hybrid III-V on Silicon lasers for photonic integrated circuits on Silicon", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 20, 158(2014)