Mellanox公司的硅光子技术

前段时间，Mellanox公司宣布关闭1550nm的硅光部门，引起了大家广泛的关注。笔者收集了一些Mellanox硅光子相关的资料与文章，在这里整理总结一下。

Mellanox采用的硅波导不是传统的220nm厚的波导，而是3um厚，其截面图和模场分布如下图所示，

（图片来自文献1）

所采用的波导为脊形波导结构。其转弯半径为250um, 而主流的220nm厚硅波导的转弯半径最小可以为5um。两者相差50倍，显然220nm厚硅波导的集成度更高，相同面积内可以有更多的器件。

3um厚硅波导也有其优势，其模斑尺寸比较大，可以比较好地与光纤进行端面耦合，而对于220nm厚硅波导，其与单模光纤的耦合效率相对较低。Mellonax设计了一种3维的taper型耦合器，如下图所示，通过3维渐变的波导结构，将光纤中的输入光逐渐耦合到脊形波导中，耦合效率可以达到-0.3dB。

（图片来自文献1）

硅光几个主要的Fab提供的是对220nm或者340nm厚波导的MPW服务，Mellanox的3um厚波导由它自己的fab来加工。

其片上Mux/Demux采用的是阶梯型光栅(echelle grating)结构, 利用光栅的衍射性质，实现不同波长从不同通道处输出, 如下图所示，

（图片来自文献2）

光栅的截面图如下图所示，呈阶梯状分布，光栅加工质量对器件的性能影响较大。阶梯型光栅结构尺寸比一般的AWG结构小10倍，不同通道间的串扰较小。Mellonax给出的光谱测量结果中，插损一般在-3dB左右。

（图片来自文献2）

其调制器并不是采用一般的Mach-Zehnder干涉型结构，而是一个p-i-n脊形波导结构，如下图所示，

（图片来自文献1）

载流子注入后，波导的吸收系数会随着载流子浓度的变化而变化(Franz-Keldysh effect), 满足下式

基于此原理，通过改变电压的大小可以控制光场的强度，从而达到调制的效

果。该方案的器件尺寸(几十微米)比MZI型调制器（几毫米）小得多，但是它的工作波长范围较小，而MZI型调制器因为基于光场的干涉，不受限于波长，可以在较宽的波长范围内工作。

利用相同的原理，可以设计可调光衰减器VOA(variable optical attenuator), 结构如下图所示。 VOA是Mellanox非常重要的一款硅光产品。

（图片来自文献4）

其探测器采用片上Ge波导探测器，结构如下图所示，

（图片来自文献2）

其响应率可以达到1A/W, 3dB带宽可以到50G，性能指标还是非常好的。

基于以上的不同功能器件，组合起来就可以实现整个片上的光收发器。下图为其CWDM4的硅光芯片版图，包括Mux/Demux, 调制器，探测器等。四种波长的光场从laser bank处耦入进硅光芯片中，经过调制器对信号进行调制，再经过Mux将不同波长的光合束在同一根波导中输出到片外，Rx端接收到光场后，经过DeMux分束到四根波导中，再经过锗PD进行信号的探测。

（图片来自文献2）

类似的，QSFP28的版图如下图所示，少了Mux/Demux, 多了1分4的分光器（左图左下角）。左下角还有一个用于监控光功率的MPD。

（图片来自文献2）

Mellanox采用的是片外光源的方案，激光器通过flip-chip的方法贴装到硅光芯片上。其方案不需要传统的透镜、隔离器等，也不需要密封封装，进一步降低了成本。整体的封装结构示意图如下，

（图片来自文献5）

以上是对Mellanox硅光子技术的整理与总结。至于它关闭1550nm部门的原因，这里就不讨论了，看过不少大牛的分析贴，主要原因可能是没有盈利。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出！

参考文献：

1. B. T. Smith, et.al., Fundamentals of Silicon Photonic Devices

2. A. Martin, Silicon Photonics enables next-generation cloud computing, data center and HPC connectivity

3. B. Jonathan Luff, Hybrid Silicon Photonics for Low-Cost High-Bandwidth Link Applications

4. A. Martin, et.al., Technical Challenges for 100Gb/s Silicon Photonics Transceivers for Data Center Applications

5. J. L. Malinge, A view on the Silicon Photonics trends and Market prospective