Acacia的硅光技术

上周大家的朋友圈肯定被"思科宣布收购Acacia"这一新闻刷屏，Cisco对硅光是真爱，分别在2012年收购了Lightwire, 2018年收购Luxtera。这篇笔记，小豆芽主要整理下Acacia的硅光技术。Acacia的技术资料相对较少，小豆芽收集的不是很全面，主要是一些OFC的会议论文和专利。

Acacia公司在2009年成立，并于2016年上市，是硅光领域的明星企业。它的主要产品包括DSP芯片、硅光芯片，以及基于这两者的相干光收发模块。

（图片来自https://acacia-inc.com/products/）

关于相干光通信的原理，可以参看这篇笔记相干光通信系统。Acacia相干光模块的集成光路结构如下图所示(OFC 2014)，

(图片来自文献1）

发送端和接收端都集成在同一个硅光芯片上，芯片的尺寸为2.7 * 11.5mm^2, 主要的光器件有：端面耦合器，偏振分束旋转器(PBSR)，分束器，可变光衰减器(VOA)，载流子耗尽型调制器，热相移器(PS)和锗探测器(PD)。光芯片与三根光纤相连，L表示激光器，对应的光纤为保偏光纤，另外两根光纤为普通的单模光纤。光芯片与四个driver，四个TIA一起放置在一个大小为27*35.5mm^的密封盒里。整个系统的功耗为4.5W。

光芯片的上半部分为transmitter, 下半部分为receiver。连续光从L处输入，然后一分为二，一半进入transmitter, 另外一半作为接收端的local oscillator。发送端光路中，含有两个IQ调制器。单个IQ调制器由两个Mach-Zehnder调制器构成，如下图所示，

（图片来自https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/mach-zehnder-interferometers）

这两个MZ调制器的相位相差90度。通过PBSR的作用，发送端的信号为编码在两个偏振上的DP-QPSK信号。

在接收端，接收到的信号首先经过PBSR进行偏振转换，TM偏振的光转换为TE偏振。信号光与LO光借助于90°混频器发生干涉，对信号的振幅与相位进行相干检测，如下图所示。对于90°混频器(MMI 2x4或者MMI 4x4)，如果输入为a和b, 输出则为(a+b)/2, (a-b)/2, (a+ib)/2, (a-ib)/2

（图片来自文献2）

在光路中含有多个monitor PD, 用于监控光强进行反馈控制。基于该硅光芯片，Acacia在2014年实现了100G的相干收发模块。调制器和探测器的3dB带宽都达到了30GHz。调制器的平均消光比达到30dB。

在2017年，Acacia实现了该相干光模块的BGA(ball grid array)封装，如下图所示，

（图片来自文献3）

硅光芯片、TIA和driver通过flip-chip的方式键合在LTCC底板上。整个系统的尺寸为21.6*13.0mm^2, 共含有369个小球。

小豆芽简单搜索了下Acacia的专利，光学相关的共有46个，这里列举两个重要的器件，

1. 偏振分束旋转器

PBSR采用adiabatic型的定向耦合器，TE模从上端口输出，TM模转换为下波导的TE模输出。为了打破对称性，上波导进行了浅刻蚀。下波导为宽度渐变的taper波导，用于实现模式的绝热演化。

2. 用于wafer-level测试的端面耦合器结构

在每一个die上添加一个基于光栅耦合器的测试光路。上图中，光通过chip CB中的光栅耦合器进入test circuit, 随后通过edge coupler耦合进chip BB中的实际光路中，这样就可以实现对实际光路的wafer level测试。两个悬臂型的端面耦合器相隔一段距离，会有一定的损耗，可进一步优化相关的结构。该方法的缺陷是牺牲了一定的芯片面积。

以上是对Acacia硅光技术的简单介绍，如果有所遗漏，欢迎大家留言指出。另外，硅光领域的下一个明日之星会是哪一家企业？

参考文献：

1. C. Doerr, et.al., "Single-Chip Silicon Photonics 100-Gb/s Coherent Transceiver", OFC 2014
2. C. Doerr, "Silicon Photonics in Optical Coherent Systems "
3. C. Doerr, et. al. , "Silicon Photonics Coherent Transceiver in a Ball-Grid Array Package ", OFC 2017