矽光子設計：從器件到系統（簡體書）

目錄
譯者序
原書序
原書前言
貢獻者
第1篇引言
第1章無晶圓廠硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一個無晶圓廠半導體產業5
1.2.1光子學歷史背景6
1.3硅光子應用7
1.3.1數據通信7
1.4技術挑戰與研究現狀9
1.4.1波導與無源器件9
1.4.2調制器10
1.4.3光電探測器11
1.4.4光源12
1.4.5光–電集成方法13
1.5機遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系統工程15
1.5.3工具與支持性基礎設施16
1.5.4基礎科學17
1.5.5工藝標準化與多項目晶圓發展18
參考文獻19
第2章硅光子建模與設計方法27
2.1光波導模式求解28
2.2光波傳輸29
2.2.1三維時域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二維時域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他傳輸仿真方法33
2.2.4無源光器件35
2.3光電模型35
2.4微波建模36
2.5熱建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版圖38
2.8軟件工具集成38
參考文獻40
第2篇光無源器件
第3章光學材料與光波導47
3.1絕緣襯上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波導50
3.2.1光波導設計50
3.2.2一維平板光波導——分析方法51
3.2.3光波導的數值建模51
3.2.4一維平板波導——數值仿真51
3.2.5有效折射率法55
3.2.6有效折射率法——解析法56
3.2.7光波導模場分布——2D計算56
3.2.8光波導寬度——有效折射率60
3.2.9波長相關性62
3.2.10光波導的緊促模型64
3.2.11光波導損耗65
3.3彎曲波導66
3.3.1彎曲波導3DFDTD仿真68
3.3.2本征模彎曲模擬69
3.4問題71
3.5仿真代碼72
參考文獻90
第4章光器件建模基礎93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波導模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3實驗數據100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6條形波導103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3馬赫–曾德爾幹涉儀110
4.4環形諧振器111
4.4.1光傳輸函數112
4.4.2環形諧振器實驗結果113
4.5布拉格光柵濾波器114
4.5.1布拉格光柵理論114
4.5.2布拉格光柵濾波器設計116
4.5.3布拉格光柵濾波器實驗123
4.5.4光柵制造的實證模型127
4.5.5螺旋布拉格光柵132
4.5.6相移布拉格光柵134
4.5.7多周期布拉格光柵135
4.5.8基於光柵的定向耦合器136
4.6問題138
4.7仿真代碼138
參考文獻161
第5章光輸入/輸出165
5.1光子芯片與光纖耦合的挑戰165
5.2光柵耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理論167
5.2.3設計方法170
5.2.4實驗結果181
5.3邊緣耦合器182
5.3.1納米錐波導邊緣耦合器183
5.3.2層疊波導邊緣耦合器187
5.4偏振188
5.5問題190
5.6仿真代碼190
參考文獻217
第3篇光有源器件
第6章光調制器223
6.1等離子體色散效應223
6.1.1硅的載流子濃度相關性223
6.2pn結相移器225
6.2.1pn結載流子分布225
6.2.2光相位響應227
6.2.3小信號響應228
6.2.4pn結TCAD數值仿真229
6.3微環調制231
6.3.1微環可調性232
6.3.2小信號調制響應234
6.3.3環形調制器設計235
6.4前向偏置pin結236
6.4.1可調光衰減器236
6.5有源可調238
6.5.1pin相移238
6.5.2熱相移239
6.6熱光開關242
6.7問題243
6.8仿真代碼244
參考文獻266
第7章光電探測器268
7.1性能參數268
7.1.1響應度268
7.1.2帶寬269
7.2光電探測器制造272
7.3光電探測器類型274
7.3.1光導探測器274
7.3.2pin探測器275
7.3.3雪崩光電探測器275
7.4光電探測器設計要素278
7.4.1pin結方向278
7.4.2光電探測器幾何尺寸279
7.4.3接觸280
7.4.4外部負載281
7.5光電探測器建模282
7.5.13DFDTD光學仿真282
7.5.2電學仿真285
7.6問題288
7.7仿真代碼288
參考文獻302
第8章激光器305
8.1外部激光器305
8.2激光器建模306
8.3協同封裝308
8.3.1預制激光器308
8.3.2外部諧振腔激光器309
8.3.3刻蝕嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5單片集成激光器311
8.5.1III-V族單片生長312
8.5.2鍺激光器313
8.6其他類型激光光源314
8.7問題315
參考文獻315
第4篇系統設計
第9章硅光子回路建模323
9.1光子回路建模的必要性323
9.2系統設計中的器件324
9.3緊促模型325
9.3.1經驗回路或等效回路326
9.3.2S參數326
9.4定向耦合器——緊促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS參數328
9.4.3經驗模型——多項式331
9.4.4S參數模型的無源性332
9.5環形調制器——回路模型336
9.6光柵耦合器——S參數338
9.6.1光柵耦合器回路339
9.7仿真代碼340
參考文獻362
第10章硅光子設計工具和技術363
10.1工藝設計套件363
10.1.1制造工藝參數365
10.1.2元器件庫367
10.1.3原理圖繪制368
10.1.4回路輸出369
10.1.5原理圖生成版圖370
10.1.6設計規則檢查374
10.1.7版圖與原理圖對照檢查376
10.2掩模版圖377
10.2.1元器件377
10.2.2光電測試版圖378
10.2.3快速GDS版圖布版方法378
10.2.4有效空間的GDS版圖布版方法379
參考文獻381
第11章硅光子晶圓制造383
11.1制造非均勻性383
11.1.1光刻輪廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均勻性與實驗結果386
11.2問題393
參考文獻394
第12章硅光子測試與封裝395
12.1電互連和光互連395
12.1.1光互連395
12.1.2電互連400
12.2光探針自動化測試臺402
12.2.1光探針自動化測試臺構成404
12.2.2測試軟件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光測試儀器409
12.3測試設計410
12.3.1光功率預算412
12.3.2布版注意事項412
12.3.3設計審查和核對表413
參考文獻415
第13章硅光子系統實例418
13.1基於波分復用的光發射器418
13.1.1基於硅微環WDM的光發射器原理418
13.1.2共總線WDM光發射器420
13.1.3調制–復用WDM光發射器421
13.1.4結論423
參考文獻423
彩圖

第1篇 引言
第1章 無晶圓廠硅光子
1.1 引言
將光子器件和電子器件集成在同一襯底上使得通信與微系統技術發生了革命性的變化，在未來幾年將出現通過將大規模光子集成與電子集成相結合的全新的片上系統 (System-on-Chip， SoC)。
電-光回路將在全球範圍內發揮無處不在的作用，影響諸如移動設備 (智能手機、平板計算機) 的高速通信、計算機內部以及數據中心內部的光通信、傳感器系統和醫療應用等領域。特別地，我們預計通信、數據中心和高性能計算等可能會最早受到這項技術的影響，這項技術最終將轉移到更大容量、更短距離的消費應用程序中。
在 20 世紀 70 年代新興的電子領域，施樂帕克研究中心 (Xerox PARC) 的Lynn Conway 和加州理工學院的 Carver Mead 教授研發了一種電子設計方法學，並因此寫了一本教材，教學生如何設計電子集成電路，並通過多項目晶圓 (Multi-Project Wafer， MPW) 的方式由 Intel 和惠普制造，即多個集成電路設計共享同一個制造過程 [1]。這些努力促成了一個名為金屬氧化物半導體實施服務 (MetalOxide Semicondutor Implementation Service， MOSIS) 的組織在 1981 年成立，該組織引入了由參與者分攤制造成本的模式。經由 MOSIS 可以提供相對較便宜的設計-構建-測試周期，並可持續培訓開發，我們現在看到的無處不在的電子產品與成千上萬的設計師有關。MOSIS 是基於已經投入生產的商業流程開始的，並將其開放給設計團隊進行原型設計和研究。
微電子團隊，特別是 CMOS 團隊能長期取得成功的關鍵因素之一，就是采用這種由參與者分攤制造成本的模式。通過收取適當的成本，公開提供這些批量生產流程服務於研發。任何資金有限的人都可以立即進入大規模生產的流程中進行最前沿的、創造性的工作。培養工程師們使用生產工具和流程，然後讓他們自由構建先進的電路，這些電路可以用有限的資金轉化為無晶圓廠的集成電路 (IntegratedCircuit，IC) 初創公司，這一直是無數成功企業的來源。我們很難過分地去強調這種模式與光子學 (以及大多數工程領域) 之間的差異，後者從研究到生產的過程中還存在著巨大的障礙。
目前，硅光電子學正處於與 20 世紀 70 年代電子學一樣的早期發展階段，但在芯片制造方面有一個重要的優勢：現有的硅晶圓代工廠已經存在，可以生產高度可控的微電子用硅片 (圖 1.1)。在微電子行業，硅光子制造的微加工基礎設施已經存在。一些公司正在生產硅光子芯片，如 Luxtera 公司的硅光子芯片已在高性能計算機集群中使用 [2]。目前，我們正處於一個重要的變革中，學術界、學者和工業界都可以通過 ePIXfab[3]、IME[4.6]、CMC Microsystems[9] 等公司提供的多項目晶圓服務獲得有源硅光子制造的機會。然而，目前面向大眾可用的制造工藝都不符合生產標準，它們尚處於原型設計和研發中，僅支持非常有限的產量。由於商業用戶不願意依賴非生產驗證的流程來進行產品開發，因此無法利用已有的商業化制造工藝，這是 OpSIS 成功的一個重大障礙，OpSIS 最近關閉了，原因是來自研究用戶和資助者的資金不足以讓這項工作繼續進行下去，也不能開發出適合商業化使用的工藝。
圖 1.1 8in SOI(絕緣襯上硅) 晶圓和集成光子器件、回路 [10]
譯者注: 1in=25.4mm
幸運的是，硅材料允許我們以一個相當有競爭力的性能水平來完成所有關鍵的光學功能，除了激光器之外，如圖 1.2 所示。最近有很多關於在硅中單片集成激光的量子點和鍺生長相關的工作正在進行，而且非常有趣 [7]。微電子行業繼承下來的鍵合技術，有可能以相對較低的成本鍵合激光器，如通過類似於 Intel 和Aurrion 公司的前端集成，或通過成品激光芯片裸片鍵合 [8]。這些方法仍在研發中，但可以明確的是，在與硅平臺集成的各種層面上，有幾種實用的方法可用來制造廉價的激光光源。哪種方法最佳，還有待觀察。
圖 1.2 硅光子典型工藝，包括光柵耦合器、鍺光電探測器、波導、調制器和金屬氧化物半導體場效應管。注意：目前在硅光子學領域進行的大多數先進的工作並不采用與晶體管的單片集成，而是利用 3D 或 2.5D 集成 [10]
1.2 硅光子：下一個無晶圓廠半導體產業à
為制造微電子晶體管而發展起來的代工廠和制造工藝正在被重新設計，以用於制造硅光子芯片，使其可以進行發光、探測、調制等其他對光的操控。這在一定程度上有點違背直覺，因為微電子行業為了制造出**的晶體管，在開發工具、工藝和設施上投入了數萬億美元的資金，卻沒有考慮到如何使這些工藝與光子學兼容 (CMOS 和 CCD 相機芯片等器件的工藝除外)。我們怎麼會如此幸運地將這些功能直接用於光子學？
實際上，它們是不能直接拿來用的。試圖將光子功能直接集成到 CMOS 或雙極型硅晶圓中，而不做任何工藝上的改變，都會生產出性能不佳的器件。微電子工藝是為制造電子產品而設計的，因此它們不能用於具有競爭力的光子產品也是情理之中。即使可以，也不會有經濟效益。與先進的微電子芯片 (16nm) 相比，硅光子芯片需要相對原始的制造工藝 (90nm)。從性能和經濟角度來看，嘗試將先進的微電子制造技術用於光子芯片制造是一個錯誤。
沒有任何理由期望用於制造集成電路的工藝與制造控制光的器件的工藝是完全兼容的。但是，在過去的十年裡，人們發現硅不僅是一種很好的電子材料，還是一種很好的光子材料。更令人驚嘆的是，硅光子學團隊已經開發出了可以利用現有的 CMOS 工藝的基礎設施來構建復雜的光子回路的技術，信息可以實現從電域到光域的無縫傳輸。雖然用於制造集成電路的全部工藝流程不能被重復使用，但模塊化的工藝步驟可以重新安排和重復使用，以開發獨特的工藝流程來構建硅光子學。這不是一件小事，一些組織已證實，這是有可能的。
現在出現了一些充滿生機與活力的公司和學術團體，他們使用過去 50 年來在硅微電子工業中發展起來的材料和技術，並重新利用它們來構建光子器件和光回路。這項工作特別引人注目的是，許多工作並不只是在單獨的設施中使用相同的設備，而是使用與常規 CMOS 晶體管制造過程完全相同的工具和設施。值得注意的是，在這些設施中有一些限制因素：被證明與 CMOS 工藝不兼容的材料被禁用；工藝和回路設計必須保證制造時不會損害或污染工具；在先進的制造工藝中，CMOS 兼容制造設施中的掩模和工藝開發成本也可能非常高 [11]。但是，如果能夠直接利用建設現代化 CMOS 設施的數億美元的投資來構建硅光子制造系統，那就意味著立即有了一條直接的、快速的商業化和大規模生產的途徑。
1.2.1 光子學歷史背景
到目前為止，無晶圓廠光子企業的機會很少。
從以往看，光子學的一個關鍵問題是，針對特定的應用，采用不同的材料。其工藝已經高度專業化。單個器件被單獨封裝，並通過光纖連接在一起。因此在通信系統中采用多種不同材料體系制造的芯片的情況並不少見。基於射頻 (RF)CMOS或雙極工藝的高帶寬電子器件 (如串行器和解串行器)、基於 FPGA(現場可編程門陣列) 或高比例 CMOS 的數字組件 (如控制回路)、基於玻璃擴散波導的光復用器 (如陣列波導光柵) 和無源器件、基於鈮酸鋰的調制器、基於磷化銦的激光器、基於鍺的探測器以及基於 MEMS 的光開關，這些器件的制造工藝彼此不兼容。不同類型的器件只有采用相應的材料制作才能得到最佳的性能，這就意味著，在大多數情況下，光子器件是在特殊制造設備中生產的，產量極低。這就導致了器件的高成本，因為相較於微電子工業的規模，很少有光子器件稱得上是真正高產量的。**能與之接近的是垂直腔面發射激光器 (VCSEL)(它是經由晶圓規模技術制造的，作為分立器件使用) 和無源光網絡 (PON Network) 的組件 (同樣，它是經由晶圓規模技術制造的直接調制激光器，但它們作為獨立的分立器件使用)。
雖然分立光子器件之間可以通過標準光纖和連接器連接，但最終器件成本和損耗很大。一部分來自光電子封裝工藝，通常需要亞微米級精度的五軸和六軸對準；一部分來自封裝本身，器件封裝通常是密封的，有時甚至還需鍍金。同樣，這也造成了光子元件和系統的高成本。
硅光子技術的巨大前景在於將多種功能集成到一個單一的封裝中，並使用與制造先進微電子技術相同的制造設備的大部分或全部功能，作為單一芯片或芯片堆棧的一部分 (圖 1.3 和圖 1.4)。這樣做將從根本上降低通過光纖傳輸數據的成本，並將為各種新的光子學應用創造機會，以極低的成本構建高復雜度系統。
圖 1.3 IME A*STAR(科學、技術和研究機構) 制造的 SOI 光子芯片