OpenLight & Tower：III-V on Si异质集成实现更高性能+更低成本

ECOC 2024上，Openlight介绍了自家的III-V-on-Silicon异质集成平台，在面向1.6T短距传输场景，他们提到基于异质集成的1.6T DR8和1.6T 2×FR4 PIC，相比传统的EML方案以及传统的硅光方案，成本和功耗都有非常显著的下降。

◆公司背景

OpenLight是一家2022年由新思科技和Jupiter Networks投资成立的公司，核心技术就是与Tower 半导体合作开发的基于Die bonding异质集成硅光技术，面向数据中心等场景提供完整的高集成度光芯片解决方案。同时OpenLight也提供PDK，支持客户基于他们的异质集成PDK设计和定制化流片。

2023年的时候他们推出了硅光800G的方案，不过今年转到1.6T了，官网上也只讲1.6T了，应该是在1.6T的时代，他们的方案在成本和功耗上的竞争力优势较为明显一些。

◆核心技术: Photonic ASIC (PASIC)

首先进行硅光器件的加工，包括探测器，调制器，无源器件，端面耦合器等。硅光加工是Tower和Glabol Foundries所提供的常规工艺，有SiN-on-Si，GeSi探测器、高速调制器、光纤V Groove以及光电集成工艺(FET，由GF提供)。

硅光wafer加工完之后，会进行III-V的die to wafer bonding，键合后对III-V的die进行衬底去除；衬底去除之后再进行III-V器件的加工(EAM DFB SOA等)。最后用硅的sealing cap盖住III-V器件进行局部气密。

◆ 1.6T PASIC方案

OpenLight的1.6T PASIC芯片采用了异质集成技术，将DFB、200G EAM和SOA到硅光子芯片上，整个8通道的芯片为5mm×7mm。DFB和硅光波导的耦合效率达到0.5dB(倏逝波耦合)，显著降低了功耗和热量。尽管InP的成本高于硅，但通过降低功耗、提高晶圆通道密度以及降低制冷要求，这种成本差异得到了弥补。 OpenLight认为异质集成减少了离散光芯片和光学元件的有源精密对准和组装步骤，因此提高了可靠性和芯片产量。局部气密处理提升抗水汽等可靠性。 异质集成还实现了可观的效率提升。初步数据显示，使用OpenLight 1.6T PASIC的半导体代工厂，通过异质集成，相比使用同样机器的传统代工，可以获得惊人的5倍产能增长。这使得制造商能够轻松扩展，满足对1.6T光解决方案不断增长的需求。 OpenLight的1.6T PASIC DR8平台和FR4平台，分别通过8个200G每通道的通道和2个复用光纤实现1.6T的传输速率，实现比当前模块更优异的能效，达到3pJ/bit以下，而目前的模块＞5pJ/bit。

OpenLight还提供了一个开放平台的PDK（工艺设计套件），允许客户设计1.6T PASIC，用于他们自己的独特应用，或者利用OpenLight的内部设计服务。PDK拥有一个全面的标准光子组件库，可以添加到PASIC中，包括硅/SiN波导和无源组件、片上集成度mPD和温度传感器等。

总的来说，OpenLight的1.6T PASIC技术提供了一种高效、可靠且可扩展的光子集成电路解决方案，适用于数据中心、人工智能、高性能计算和机器学习等多种应用。

◆近年发表的工作

1. OFC 2023: 800 Gbps Silicon Photonics Transmitter PIC with Integrated Lasers in an Open Market Platform

【简述】这个800G DR8芯片的架构跟1.6T的是一样的，重点展示了他们的低耦合损耗、高低温可靠性好、晶圆一致性优秀以及支持100G pam4传输。8000pcs器件的平均片上损耗为2.4dB，光纤耦合损耗为1.5dB。

(现在硅光方案含激光器耦合损耗应该有6dB？这里加起来只有4dB左右确实还是很有优势的)

2. IEEE Si Photonics 2024: 53 Gbps Optical Link with Co-designed DSP and Integrated EAM Driver, Heterogeneously-Integrated Transmitter, and Monolithically-Integrated Receiver

【简述】通过异质集成＋光电集成工艺，展示了异质集成Tunable laser和EAM的发射机，并采用了集成DRV、光电协同设计的oDSP芯片，接收机是45nm CMOS工艺单片集成的PD和TIA的光电芯片。光纤耦合采用V Groove处理，演示了一个53Gbps的完整光链路。

3. OFC 2024 PDP：Heterogenous InP Electro-Absorption Modulator with Si Waveguides for Beyond 200 Gbps/λ Optical Interconnects

【简述】这个工作应该就是1.6T PASIC的核心器件了，通过集成片上电阻、电感，跟电容结合产生带宽peaking效应，升级了EAM的带宽，支持 256 Gbaud OOK, 170 Gbaud PAM4, 150 Gbaud PAM6, and 120 Gbaud PAM8的满足误码要求的500m单模光纤传输。

传统的EML加工，DFB和EAM单片集成通常需要采用二次外延对接生长，同时还要考虑EA调制器端面反射对DFB激光器工作特性的影响以及DFB和EAM之间的电隔离，这些设计要求都会完成工艺复杂度的提升/成本的提升/良率的下降。

而异质集成度方式则可以将DFB和EAM的设计解耦，采用倏逝波耦合的方式可以降低反射的影响，同时还增加了设计的自由度，比如反馈光栅可以用硅或者氮化硅来做，III-V与掺杂的Si层可以形成上下层的MOSCAP结构等。虽然目前异质集成EAM还没有报道出比EML更优异的性能，不过相信未来还是有进一步的探索优化空间。

◆ PASIC成本及功耗与传统方案的对比

这2个表格是ECOC期间放出来的，通过前面他们所宣称的几点优势，在1.6T的光芯片中可以实现比传统硅光和EML方案显著的性能和成本提升。个人觉得，PASIC的DR PIC主要是节省了激光器数量(对比eml)以及提升生产率(相比纯硅光)拿到了收益；FR PIC也是节省了多路收发耦合对准组装以及DFB物料归一所以成本优势更明显？还有一个比较神奇的点在于他的全集成芯片看起来没有放置隔离器，不知道是否是因为倏逝波耦合可以实现去隔离的效果。如果隔离器也省去的话确实成本上也有些收益。

总的来说，OpenLight的异质集成路线确实有它独到的优势，成本是否真的有这么明显的收益大家可以讨论一下。不过OpenLight提供了PDK支持客户自己开发，可以联合Tower进行mpw流片，希望通过扩大用户群体，来进一步达到规模效应。用的人多了，成本就更加有空间了。