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IFOC 2020|光庫科技:薄膜鈮酸鋰混合集成器件應用與挑戰

摘要:9月7日,光庫科技代表在IFOC 2020的專題三“通信半導體芯片發展”上發表主題為《薄膜鈮酸鋰混合集成器件應用與挑戰》的演講,分享半導體電子集成與光子集成,InP和SiPh光子集成,傳統鈮酸鋰調制器和薄膜鈮酸鋰光子集成,以及薄膜鈮酸鋰光子集成面臨的挑戰。更多精彩內容,歡迎蒞臨訊石會議現場聆聽。

  ICC訊 9月7-8日,第19屆訊石光纖通訊市場暨技術專題研討會(IFOC 2020)在深圳大中華喜來登圓滿舉辦。9月7日,光庫科技代表在專題三“通信半導體芯片發展”上發表主題為《薄膜鈮酸鋰混合集成器件應用與挑戰》的演講,分享半導體電子集成與光子集成,InP和SiPh光子集成,傳統鈮酸鋰調制器和薄膜鈮酸鋰光子集成,以及薄膜鈮酸鋰光子集成面臨的挑戰。

  首先介紹了半導體集成與光子集成,對于半導體電子集成與光子集成的相似點,集成技術上,芯片級BB集成,光子集成線路(PIC)vs電子集成線路(EIC);在標準制程上,多項目晶圓(MPW),設計與制程(Fab)分離;在標準設計軟件上,基于EME, FDTD, FDE, FEM, BPM方法的設計軟件,與Foundry對接的PDK(Process Design Kits)。從里程碑的時間線上看,光子集成(2010年)比電子集成(1987年)晚了很多年。

  對于半導體電子集成與光子集成的不同點。在集成度上,PIC元件尺寸遠大于EIC,104 /chip for PIC vs. 1012 /chip for digital EIC, 與RFIC相近。在功耗上,激光器、調制器、放大器等有源器件的功耗大,相關的電子器件功耗比光器件本身的功耗又大很多,熱管理非常困難。在集成方式上,光子集成目前只能做混合集成,電子集成可以做到異質集成。在封裝方式上,電引腳(pin)和 光“引腳”(fiber)的區別。

 InP和SiPh光子集成

  以InP調制器為例,基于QCSE(Quantum Confined Stark Effect)的MQW(Multiple Quantum Well)結構,有源及無源器件集成,30+年發展起來的成熟的光子集成平臺,通用Foundry和PDK,成本較高。

  以硅光子SiPh調制器為例,三種機制——carrier-accumulation、carrier-injection、carrier-depletion,常用的Push-Pull Carrier-depletion,集成度高、可擴展性好、CMOS兼容工藝,短距傳輸性價比好,自由載流子吸收導致高插損和調制效率低、驅動回路阻抗受摻雜濃度和施加電壓影響、插損/帶寬彼此制約、激光器集成仍未解決。

  鈮酸鋰產品線介紹——產品線始于意大利米蘭Pirelli研究實驗室

  通過多次并購,強大的技術和生產團隊一直致力于開發和發展用于通信、設備和傳感的最先進的光學調制器產品。2019年,Lumentum意大利與光庫科技簽訂資產購買協議,2020年1月完成交割。芯片Fab在意大利米蘭,封裝在泰國曼谷Fabrinet。

  傳統鈮酸鋰調制器

  鈮酸鋰材料

  ·優良的光學性能:350nm-5200nm范圍內幾乎無損耗

  ·高折射率:no = 2.21 and ne = 2.14 at 1550nm

  ·高電光系數:r33 = 27 pm/V at 1550nm

  ·高非線性系數: d33 = 31.5pm/V, d31 = 4.5pm/V @1550nm

  ·極好的物理和化學穩定性

  ·最成熟的光學材料之一

  傳統鈮酸鋰調制器

  ·低插損

  ·高消光比

  ·線性響應

  ·高可靠性

  ·Pirelli(Cisco)/Corning/Avanex/Oclaro/Lumentum/AFR, Fujitsu, Sumitomo

  ·為光通訊行業立下汗馬功勞40多年

  介紹了現有鈮酸鋰調制器系列產品

  用于400G/600G相干的調制器

  ·400G/600Gbps超高速超遠距離骨干線光通信網

  ·400G/600Gbps超高速超遠距離洲際通信網/海底通信網

  ·5G/6G無線通信網

  ·超高速城域核心網

  用于100G/200G相干的調制器

  ·100G/200Gbps超高速超遠距離骨干線光通信網

  ·100G/200Gbps超高速超遠距離洲際通信網/海底通信網

  ·5G/6G無線通信網

  ·超高速城域核心網

  10G/40G 調制器家族

  ·10G/40Gbps多調制格式光通信網

  ·FTTH光纖到戶

  ·保密光通信網

  ·園區網

  20G/40G模擬調制器

  ·CATV有線電視網

  ·RF over Fiber射頻信號光纖傳輸

  ·導航設備

  ·測試及科研

  傳統鈮酸鋰調制器

  以AFR-792001500 鈮酸鋰相干調制器為例

  ·14只嵌套MZI

  ·Dual-Carrier

  ·Dual-Polarization QPSK相干調制Data Rate:400Gbps

  ·Bandwidth:35GHz半波電壓Vπ:3.4V插損IL:5dB消光比ER:25dB

  ·Low chirp

  傳統鈮酸鋰調制器的問題

  ·折射率差小:< 0.1光波導約束過于寬松:5-10μm

  ·難于集成:長度 > 40mm, 彎曲半徑 ~ cm

  ·驅動電壓高(功耗大): Vπ > 3.5V

  ·帶寬接近極限:35GHz (過長導致RF/光信號匹配困難)

  解決途徑 – Ridge 結構

  光波導尺寸縮小,電極距離降低,電場強度增強Vπ L 縮小5-10倍,驅動電壓降低(或長度變短)長度略有減小,帶寬略有提高折射率差無改進,彎曲半徑無縮小仍然難以集成

  薄膜鈮酸鋰光子集成

  在鈮酸鋰材料上實現光子集成。繼續發揮鈮酸鋰材料光學和電光性能優勢,制作束縛更緊湊的光波導線路,挑戰在于如何制作納米級單晶薄膜,以及在薄膜上制作光子線路,1980s起就嘗試在幾種不同的承載基底上生長鈮酸鋰薄膜,但難度大、價格高,AFR鈮酸鋰事業部的前身Avanex是最早的微納結構鈮酸鋰調制器的探索者之一。

  介紹了SmartCut技術。1992年法國CEA-Leti電子技術研究所的Michel Bruel發明SmartCut技術,用SmartCut技術可以將納米級厚度的單晶硅薄膜轉移到承載基底上,SmartCut成為Silicon-on-Insulator(SOI)的技術基礎之一,Soitec從CEA-Leti獨立出來專門研發SOI和SmartCut技術并生產設備。也介紹了鈮酸鋰薄膜材料(LNOI)制作。

  關于薄膜鈮酸鋰光波導(TFLN WG)制作半,導體工藝在LNOI上制作TFLN WG (RIE, ICP-RIE, CMP),光子層器件保持鈮酸鋰材料的優點:低插損、高折射率、高電光系數。

  薄膜鈮酸鋰光子集成與其他光集成平臺的比較

  在功能上:除LD和SOA外,TFLN平臺可以集成所有其它器件,與SiPh相當。在性能上:以調制器為例,半波電壓、調制區長度等有不同。在成本上,介于InP和SiPh之間。

  最后,也指出了薄膜鈮酸鋰光子集成面臨的挑戰。

  波導制程

  ·鈮酸鋰材料超級穩定,刻蝕困難

  ·垂直波導壁困難:< 70o

  ·波導表面光潔度要求高:< 0.2nm

  可以做混合集成(Hybrid Integration)

  ·可擴展性(scalability):限于6吋晶圓

  ·亞微米級對準(sub-micron alignment)

  難以做異質集成(Heterogenous Integration)

  信號完整性(SI)

  ·布線復雜,via困難,限于二維,導致線路集度增高

  通用Foundry 和 PDK尚不完善

  更多精彩內容,歡迎蒞臨訊石會議現場聆聽。

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