Rockley的硅光技术

先前的笔记(硅光工艺平台比较(更新))，小豆芽比较过不同的硅光工艺平台 ，当时没有搜集到英国Rockley公司的相关资料。最近Rockley在一篇IEEE的刊物上详细介绍了他们的硅光技术，小豆芽这里简单梳理一下。

与一般的硅光技术相比，Rockely采用的是3um厚的厚硅技术，而不是传统的220nm厚的硅波导。典型的波导结构如下图所示，

（图片来自文献1）

典型的波导参数为w=h=3um, e=1.8um。

Rockley的文章中列出了大多数Foundry选择220nm厚硅波导的主要原因有：1）为了满足单模波导条件，2）已有的CMOS设备不能处理厚硅(这一点小豆芽存疑)，3）为了使用基于PN结的高速调制器。而波导尺寸变大后，波导中可能存在高阶模式，可能会引入额外的损耗。关于单模的问题，Rockley通过结构的设计，只激发波导的基模，从而克服高阶模损耗的问题。

Rockley花费较大的篇幅，列出了采用3um厚硅波导的优势，主要有下面几点：

1）偏振不敏感性

下图是其波导的TE0和TM0模场分布，可以看出两者的区别非常小。220nm厚的硅波导是偏振敏感的，通常使用TE模。因此，对应的接收端常采用偏振分集(polarizatoin diversity)的方案。Rockley的厚硅波导方案对偏振不敏感，系统中可以省去一些偏振操控器件。

（图片来自文献1）

2）较低的传输损耗

由于波导模式与波导侧壁的重叠相对较小，3um厚的硅波导传输损耗可以比220nm厚的硅波导损耗(2-3dB/cm)下降一个数量级，传输损耗在0.2dB/cm左右。Rockley的不同类型波导的损耗，如下表所示，

（表格来自文献1）

3）较高的工艺容差性

在一些干涉器件中，硅波导加工的不完美，会引入相位误差(phase error)，从而导致器件工作波长的漂移，例如AWG、级联Mach-Zehnder型滤波器。而对于3um的硅波导来说，相同的波导尺寸偏差，引入的相位误差更小，最终使得其对工艺的容差性更高。具体的比较，如下表所示，

（表格来自文献1）

从上表中可以看出，采用3um厚的硅光波导，其波长偏移非常小，只有零点几纳米的变化。较高的工艺容差性，对应较高的良率和较低的成本。

4）可承受较大的光功率

由于硅材料存在双光子吸收效应，波导中的光功率不能太大。220nm厚的硅波导功率上限值为300mW (25dBm), 而3um厚的硅波导可承受10W的光功率。目前小豆芽接触到的硅光系统中，还没有涉及到如此高的光功率。

5）可与III-V光芯片集成

由于InP光波导的模斑尺寸与3um厚硅波导尺寸接近，因而它们两者可以直接进行耦合，不需要设计额外的taper结构。

Rockley还列出了一些他们的主要光器件：

1）Euler bend

由于波导尺寸较大，对应的波导弯曲半径较大。为了进一步减小弯曲半径，他们设计了Euler型的弯曲波导，对应的弯曲半径为86um。在Euler型弯曲波导中，曲率半径时渐变的，而不像传统的圆弧型弯曲波导，存在曲率半径的突变。对于90度的Euler弯曲波导，TE模的损耗为0.018dB, TM模的损耗为0.01dB

2）edge coupler

采用h=w=13um的波导作为端面耦合器，与单模光纤进行耦合。通过taper结构，将光场逐渐转移到3um厚的硅波导中，结构如下图所示，

（图片来自文献1）

该结构的理论耦合损耗值为0.15dB, 实验值为1.1dB左右。

3）AWG

采用Euler bend和1.5um宽的波导，Rockley展示了4通道和16通道AWG的结构图和测试结果，其插损都小于3dB, 串扰小于-25dB。两种类型的AWG波长间隔分别为400GHz和100GHz。4通道AWG的尺寸为0.7mm*2.2mm, 16通道的AWG尺寸为2mm*6mm。而220nm厚的硅波导工艺下，AWG的尺寸为几百微米。从尺寸的角度来看，基于3um厚硅的AWG尺寸大了很多倍，其优势在于中心波长漂移非常小，只有0.1nm。

（图片来自文献1）

4）hybrid III-V laser/modulator

通过flip-chip的方式，将III-V激光器与硅光芯片直接耦合，如下图所示，

（图片来自文献1）

3um厚的硅光波导，无法通过设计硅的PN结结构，形成硅调制器。Rockley的方案是将III-V的电吸收调制器，通过flip-chip的方式，集成到硅光芯片上。III-V的电吸收调制器可以实现100Gb/s的PAM-4调制速率。

5）Ge探测器

Rockley在3um的硅上，进一步生长3um厚的锗，形成探测器，其带宽可以达到40GHz, C波段的响应率为1A/W, O波段的响应率为0.85A/W，测试结果如下图所示，

与传统的220nm硅光工艺相比，Rockley的厚硅工艺优势在于较低的传输损耗、偏振不敏感性以及较高的工艺容差性。在调制器和探测器方面，它的性能与传统工艺接近。它的芯片尺寸比220nm的尺寸大了很多倍。对于尺寸要求不严格的应用场景，并且光路中涉及到相位敏感的器件，可以采用3um厚的硅光工艺。目前提供3um硅光工艺的平台，只有两家，另外一家是芬兰的VTT, 可选的工艺平台较少。

另外，Rockley和苏州亨通光电合作，成立了亨通洛克利公司，致力于100G硅光模块产品的研发。

参考文献：
A. J. Zilkie, et.al., "Multi-micron silicon photonics platform for highly manufacturable and versatile photonic integrated circuits", IEEE Journal of Selected Topic in Quantum Electronics (2019)