Intel的硅光子技术

上一篇笔记主要介绍了IBM的硅光封装方案 IBM的硅光封装方案。作为半导体行业的执牛首者，Intel经过十多年(2004年起)的硅光技术积累，已经在2016年发布了其硅光的产品，包括PSM4和CWDM4两种。这篇笔记主要整理下Intel公司的硅光子相关技术方案。

1. 混合集成激光器

Intel与UCSB大学合作 ，于2006年提出了硅基混合集成激光器的方案。具体的方案在 硅光芯片的光源 已有介绍，这里再啰嗦几句。为了解决硅光光源的难题，主要有三个解决方案，如下图所示，

（图片来自文献1）

其中Flip-chip方案是将DFB激光器倒装焊到硅光芯片上，Luxtera公司采用的该方案的改进版本（micro package方案）。该方案需要高精度的贴装，比较耗费时间。片外激光器(off-chip)方案是IBM公司的方案，片外激光器通过光纤输出，光纤放置在硅光芯片上刻蚀的V型槽中，进而与硅光芯片端面耦合。

Intel所采用的混合激光器方案，是通过键合的方式将没有结构的InP晶圆与硅光芯片集成，进而对InP晶圆进一步掺杂与刻蚀，形成激光器。为了克服两种材料的晶格试配(lattice mismatch), Intel开发了一种新的工艺（oxygen plasma assisted wafer bonding），将硅光芯片与InP芯片放置在氧气等离子体中，在各自表面形成5nm左右的氧化物，氧化物扮演胶水的功能，将两种芯片贴合到一起， 如下图所示，

（图片来自文献1）

进一步可以在硅波导上刻蚀光栅，形成DFB、DBR激光器。在其2006年最初的报道中（文献2），激光器的输出功率为1.8mW，阈值电流为65mA。相信经过十多年的发展，该方案的技术指标与良率都有较大的提升。另外在文献2中，为了使得AlGaInAs产生的激光较好地与硅波导进行消逝波耦合，硅波导的厚度是760nm。而一般硅波导的厚度是220nm，两者间需要设计模式转换的结构。

混合集成激光器方案的主要优点包括可以单片集成多个不同波长的激光器，不需要精细的对准调节，成本较低，适用于大批量生产。

2. 高速硅光调制器

Intel在2007年实现了调制速率为20GHz的硅光调制器，可支持30Gb/s的信号传输速率。Intel采用pn结反偏的耗尽型调制器方案。整个调制器是一个不等臂的Mach-Zehnder干涉器，由两个1x2的MMI, 两个pn结反偏的相移器（phase shifter）构成，如下图A所示。其基本原理是等离子体色散效应（plasma dispersion effect）, pn结施加反偏电压后导致载流子浓度减小，引起波导折射率的变化，进而引起MZI两臂的相位差，导致输出强度的变化。

（图片来自文献3）

反偏pn结位于脊型波导的中心区域（图B中的红色虚线区），p型区接地，n型区接信号。RF电极设计为行波电极的结构，使得RF信号与光波信号的相速度相等，进而提高调制速率。实验中，相移器的长度为3mm, 调制器的插损是7dB, Vpi*L为4V.cm，3dB带宽为20GHz。和最新的结果相比，Intel当年的调制器性能不是特别好。但是站在巨人的肩膀上说话不腰疼，难在最初的那一小步跨越。

3. 高速Si-Ge探测器

Intel在2007年实现了30GHz的Si-Ge探测器，其结构示意图如下，

（图片来自文献4）

通过外延生长的方式，在硅波导上方生长Ge层，进而刻蚀掺杂形成WG-PD结构。光场通过消逝波耦合的方式，从硅波导中转移到Ge探测器中。PD的截面如上图所示，竖直方向为PIN结构。Ge的尺寸为7.4um*50um, 高度为0.8um。测得的响应度为0.89A/W, 暗电流为169nA, 带宽为31.3GHz。另外，文献4中硅波导的厚度为1.5um。

进一步, Intel在2009年实现了增益带宽积为340GHz的雪崩二极管，其截面图如下图所示，结构比PIN型复杂得多。灵敏度达到-28dBm，工作波长为O波段。

（图片来自文献5）

4. Mux/DeMux

关于片上滤波器，Intel采用的是阶梯光栅(echelle grating)方案。利用光栅的衍射效应，使得不同波长的光从不同的角度出射，达到分光的目的，如下图所示。该方案的难点是光栅的设计与制备，如何降低插损等，对工艺的要求较高。

（图片来自https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-51-18-4073）

基于阶梯光栅的Mux/DeMux, 其CWDM4芯片的结构示意图如下，

(图片来自文献6)

DeMux的测试结果如下图所示，插损大于5dB，串扰约-20dB。在OFC2018上，Intel展示了其CWDM8的光模块。

（图片来自文献1）

从以上的Intel进展报道的时间节点来看，在2010年前关键器件的功能都已经实现。2010年之后的文献报道比较少。Intel直到2016年才发布产品，这中间发生了什么？时间花费在提高良率，提高性能指标？最终产品中采取的方案是否和他们文献报道中的方案一致，小豆芽还存在疑惑。

在激光器和探测器的报道中，硅波导的厚度都比一般SOI中硅的厚度要厚。不知道最终产品中是如何解决这一问题的。当然了，Intel有自己的fab，可以外延生长到任意厚度，也可以做一些特殊的设计。而像我们这些参与MPW流片的，只能遵循fab的设计规则，波导的厚度是固定的。

以上就是对Intel硅光技术的总结。硅光领域很多开创性的工作和器件性能的记录都是由Intel谱写，为他们点个赞。作为跟随者，可以去模仿，去追赶，而领路人得自己去摸索，给大家开拓方向，行路难。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. L. Liao, "Intel Silicon Photonics: from research to product"
2. A.Fang, et.al., "Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser ", Opt. Exp. 14, 9203(2006)、
3. A. Liu, et.al., "High-speed optical modulation based on carrier depletion in a silicon waveguide", Opt. Exp. 15, 660(2007)
4. T. Yin, et.al., "31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on Silicon-on-Insulator substrate", Opt. Exp. 15, 13965(2007)
5. Y. Kang, et.al., "Monolithic germanium/silicon avalanche photodiodes with 340 GHz gain–bandwidth product", Nature Photonics 3, 59(2009)
6. A. Alduino, "Demonstration of a High Speed 4-Channel Integrated Silicon Photonics WDM Link with Hybrid Silicon Lasers"