光芯片的材料体系比较

我们在阅读各类光芯片的相关文章时，每个实验室都有自己的绝活，可以用自己所擅长的微加工手段制成光芯片，完成特定的功能。这篇笔记主要总结与比较下不同材料体系的优劣。

先从一篇文献（arXiv 1707.02334 Silicon Quantum Photonics）中的一篇插图说起，

这张表里列出了一些常用的光芯片材料，以及一些需要考量的因素，包括：器件密度、波导损耗、无源器件、有源器件和是否可集成光源等。我们先来看一下这几个因素的物理意义：

1) 器件密度决定了最终光芯片的尺寸，密度越高，光芯片的集成度越大。在集成电路中，每一年半左右集成度就会翻一翻。光子的波长要比电子的波长大很多倍，所以导致光芯片无法像集成电路一样提高集成度。一般来说，我们可以用Neff*d=lambda/2对波导宽度进行估算，可以看出有效折射率越大，波导尺寸越小，器件密度也就越高。

2) 波导的传输损耗，是指光信号在波导中传输单位长度的能量衰减。传输损耗的极限值就是材料的本征损耗。这一特征参数受材料加工手段的限制，不同实验室加工手段不一，导致损耗也会相差不少。

3) 无源器件，是指那些不需要外部信号控制的功能器件。常用的无源器件包括功分器、偏振分束器、波分复用器、耦合器等。理论上这些器件在不同体系中都可以实现，但是受微加工技术的限制，一些无源器件在某个材料体系中加工比较困难。

4) 有源器件，是指需要外部信号进行控制的功能器件，主要包括调制器、探测器、光开关等。不同的材料体系，其物理效应（电光效应、载流子迁移率等）差别很大，导致最终的器件功能差别较大。

5) 光源，主要考虑材料能否自发光。这方面III-V族直接带隙半导体材料具有优势，可以在单个芯片上直接集成光源。而其他间接带隙半导体材料，往往需要另外一片激光芯片。

上表中还有一个因素没有列出，就是材料的成本。硅材料的成本较低，而其他材料的成本相对较高。

下面我们一一比较下这些不同光芯片材料。

1) Si

硅的折射率对比度比较大，波导尺寸一般为500nm*220nm左右，对光场束缚比较强，集成度较高。硅波导的损耗一般为2-3dB/cm, 主要受侧壁粗糙度的限制。硅的无源器件比较丰富，主要难点是高效率、大带宽的耦合器。硅较高的折射率对比度，导致其光斑尺寸较小，无法和光纤直接耦合，需要设计特定的光纤耦合器。硅可以片上集成Ge, 从而制作Ge探测器，目前这一技术已经相对比较成熟。硅的调制器主要原理是利用等离子体效应，即折射率随载流子浓度的改变而改变,目前调制带宽可以达到50GHz。硅体系的最大难点是激光器，目前主要采用的是混合集成的方式，或者在外部准备一个激光芯片，倒装到硅芯片上；或者采用外延生长的方式，在硅上生长III-V族材料。

2) Silica/Direct Write

这两种体系都是SiO2波导，只是加工手段略有差别。Direct Write就是激光直写的方式，即利用高能量的飞秒激光，将玻璃中特定区域的材料烧坏（折射率改变），从而形成波导，示意图如下：

该技术目前国际上只有少数几个实验室掌握，其优势是制备方便快捷。

而传统的SiO2波导，制备的工艺较多，有离子交换法、溅射法、CVD法、火焰水解法。SiO2波导发展的时间较久，技术较为成熟。

无论哪种工艺制备的SiO2波导，其折射率差一般为0.01左右，波导尺寸较大，芯片尺寸一般在厘米量级，集成度不够高。商用的AWG器件，就是由SiO2波导制成。一个无源器件的尺寸就已经很大，很显然无法利用其进行多个器件的集成。由于SiO2材料的限制，没有相关的调制器、探测器和激光器等。

3) SiN

SiN的折射率为2.0左右，介于Si和SiO2之间，所以它的集成度不如硅，但是高于SiO2。波导截面图如下，

目前SiN波导的主要制备方法是化学气相沉积（CVD）, 其波导的损耗非常小，可以达到0.1dB/m, 比Si波导的损耗小3个数量级。目前SiN体系的调制器还不太成熟，有利用应力效应的文章报道，还不太成熟。SiN体系可以与Si波导体系类似，外部集成激光芯片。

SiN光芯片的优势在于损耗，可以基于此设计一些指标较好的无源器件。另外它的工作波段较宽，从400nm到2.35um，可以在可见光波段工作，这也是优势之一。

4) InP/GaAs

这两种材料都是III-V族材料，可以自发光，制成激光器。另外由于是非中心对称材料，也可以制作相关的调制器。目前商用的光模块中大都采用InP芯片。其主要问题是材料成本较高，与CMOS工艺兼容性不够好。（这一方面笔者了解的不够多，后续再另外调研）。

5) LiNbO3

铌酸锂波导一般采用质子交换法或者Ti扩散方法制备，折射率差一般只有0.001左右。因而LiNbO3波导的尺寸较大，集成度不够高。铌酸锂波导的损耗在1dB/cm左右。铌酸锂材料的电光系数非常高，所以基于它的调制器应用很广。铌酸锂是非常好的非线性材料，可以较高效率地进行频率转换，这是其他材料所不具备的。目前铌酸锂光芯片都是从外部输入激光，无法电泵浦产生激光，这也限制了它的应用。

总体说来，每一种材料都有其特色，但如果想要在一个芯片上集成所有功能元件，Si体系是一个最好的选择，这也是硅光如此火热的原因。而如果只是需要一个指标较好的功能元件，不追求集成度，我们可以选择特定的材料体系来实现。目前Si、SiN和InP体系都有fab提供MPW流片服务。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望不吝指出！