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光芯片的材料体系比较
发布时间:2021-08-10 22:15 来源:未知 点击次数:

  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。

  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。

  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。

  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:

  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。

  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。

  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)。

  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。

  接着前两篇笔记光芯片的材料体系比较 和 基于InP的光芯片简介 ,这一篇主要从性能和成本比较下硅光芯片与InP光芯片,究竟孰优孰劣。

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