效能与量产性突飞勐进 硅光子元件照亮通讯未来

  ICC讯 新通訊消息，数据中心、超级电脑网路需求不断上升，传统光收发模组的传输速率已达瓶颈，端赖最新技术的硅光子关键元件实现高速光电转换、传输与光谱信号处理等功能，并降低模组功率消耗、体积和成本，芯片制程的突破更为各类先进硅光子元件研发设计打下不可或缺的基础。

  硅光子(Silicon Photonics)技术泛指将许多塬本是分立的光或电元件利用现今成熟的硅半导体製程，製作成微型积体化芯片，以有效提高元件密度、增加总体操作速率，并使模组更坚固、提高模组可靠性，同时因为大晶圆製作、可以兼具量产与成本的优势。目前硅光子技术可以广泛应用于光通讯网路(数据中心网路、超级电脑网路、甚至芯片对芯片之内连接网路等)及举凡光达(LiDAR)系统、光纤陀螺仪、生医感测、机械力感测等感测系统之两大领域。以光通讯网路而言，传统光收发模组之组态如图1，发射端由雷射二极体(LD)负责电光转换，将电讯号转成光讯号，并注入光纤，传输到远端;接收端则由光二极体(PD)进行光电转换，将光纤传入之微弱光讯号转成光电流，并经由转阻放大器(TIA)及后置放大器输出电讯号。

  图1 传统光收发模组之组态

  但是随着传输数据量之增加，传统光收发模组之传输速率已经不敷使用，因此更高芯数的光纤阵列(Fiber Array)或空间分割多工(SPM)、分波多工(WDM)、极化分割多工(PDM)，及脉衝振幅调变(PAM)或光同调(Coherent)等高阶讯号调变技术，以提高光收发的整体传输容量的方法逐渐被採用，如图2所示。

  图2 各种提高整体传输速率的方法及所需的元件，(a)光同调传输，(b)极化多工传输，(c)空间分割多工与分波多工的整合传输 (Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)。

  各类硅光子元件介绍

  为有效达成上述之目标，各式光元件均有其必要性。但是在硅光子技术上，因为硅材料为间接能隙结构，无法有效发光，所以必须依赖外加雷射光源或异质整合之发光层，才能产生传输所需之雷射光。除了光源之外，目前硅光子技术均有相对应的元件已经被开发并且制造应用，通常採用绝缘层上覆硅(SOI)晶圆进行製作，利用最上层硅材料作为导光层的光元件或加以掺杂形成PN介面利用逆向电压控制光折射率做成光电元件，制程后以厚氧化层覆盖形成盖光层(Cladding)，因此就形成了绝缘层内包覆硅导光层的强导波结构，而最下层的硅，则仅做为基板支撑或进行其他电子元件製作用，制作完成的晶圆剖面示意如图3。图3左侧二种为光元件(光栅耦合器、光波导)、右侧二种为光电元件(光调制器、光探测器)。

图3 硅光子SOI晶圆剖面示意图，红色基板为硅，灰色绝缘层可作为下盖光层，中间层为各式光元件，上层浅灰色为上盖光层，黄色为导电金属电极(Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)。

  若将上盖光层去除，各式所需的导波结构、光波长滤波或多工结构、光功率分配结构、光极化控制结构、光纤输出入结构、光调制结构、光波相位调整、及光侦测结构等均有其需求性结构的3D示意图，如图4的光元件及图5的光电元件。

图4 各式硅光子光元件立体结构示意图 (Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)

图5 各式硅光子光电元件立体结构示意图( Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)

  一探硅光子芯片製程

  如前述，镭射光源与硅光子芯片的整合是整体光讯号传输的重要一环，因为发光层异质整合之技术困难度较高，除了美国Intel及Juniper等大型公司及研究机构外，目前大部分产品或文献多以外置式DFB雷射光源进行对準耦光。如美国Luxtera(已被Cisco收购)採用分立式透镜聚焦方式，将雷射光以接近垂直方向利用光栅耦合器耦合进入硅光子芯片，摘录所发表文献之结构于图6所示。图中的Luxtera硅光子芯片结合驱动及放大积体电路，採用四通道并列式(PSM4)传输结构，利用四芯单模光纤输出与四芯单模光纤输入，可以达到100Gb/s的总收发传输量。

图6 Luxtera硅光子芯片及模组示意图，(上)硅光子芯片用于耦合雷射光的光栅耦合器及组装示意;(下)镭射光源的细部结构与光路径示意。

  芯片中有两种光栅耦合器，第一种为单光极化式光栅耦合器，用于耦合DFB镭射光源及用于光讯号发射端，另一种为双极化分光式光栅耦合器，用于无特定光极化方向输入之光信号接收端。因为采用相同波长输出的PSM4传输结构，所以只用一颗高功率的1310nm DFB镭射输入。如图6下所示，DFB镭射置于硅光平台(Si Optical Bench)上，经球型透镜聚光及法拉第光极化旋转器，及上盖之硅蚀刻形成的反射面将镭射往下反射，最后经半波片，可以将镭射打入硅光子芯片。法拉第光极化旋转器及半波片在于防止反射的镭射注入DFB镭射中，形成不必要的光共振，破坏DFB镭射的光特性。为制作复杂的硅光子芯片，Luxtera也开发多种硅光子元件，如图7所示，有单光极化式光栅耦合器、双极化分光式光栅耦合器、锗光波导式光探测器、相位调制器、光指向耦合器、光波导终端器、Y型光波导分光器、各式光波导与弯折渐变等结构。 另外早期德国Sicoya也尝试开发硅光子芯片结合驱动及放大积体电路的整合式光电硅芯片，如图8所示。不过电芯片采用越小半导线宽所制作的集成电路其频率性能越佳，而且越省电，特别在单通道100G或以上之传输更形重要，因此光芯片与电芯片所需半导体制程线宽要求日渐不同，所以此类的光电整合型芯片逐渐转变为非主流。

图7 Luxtera开发的多种硅光子元件

图8 德国Sicorya公司的整合式光电硅芯片

  美国Macom则採用覆晶式对準耦光、将雷射光以端面耦合器耦合进入硅光子芯片。Macom利用半导体深蚀刻製程进行对準面的製作，再将自行开发利用蚀刻面技术(Etched Facet Technology, EFT)完成的DFB雷射，置入预先设计的对準面进行光波导耦光，预期可以进行被动式对準大量生产，本技术为Macom专有的自对準蚀刻面技术(Self-Aligned Etched Facet Technology, SAEFT)。该硅光子芯片採用四种不同波长的DFB雷射输入，在硅光子芯片内加入分波多工器，将四种波长结合成一条单模光纤输出，为CWDM4的传输结构，如图9所示。

图9 Macom的SAFET端面DFB镭射对准技术示意

  光调制器加速光收发引擎传输

  Macom于2021年在Nanomaterials期刊发表400G-DR4硅光子光收发引擎，採用新设计的走波式Mach-Zehnder光调制器(TW-MZM)，插入损耗为5dB，在-2V偏压下其小讯号频率响应测得之-3dB频宽达43GHz。硅光子芯片宽4mm、长6mm，其中发射端的TW-MZM以1.8Vpp、53.125GBaud PAM4驱动时，四通道可以获得TDECQ约为3dB、ER值约为5dB的光眼图输出，相关照片及眼图如图10所示。 美国Mellanox(已被NVIDIA收购)属于硅光子技术的前驱者之一，虽然2018年起暂停硅光子产品开发，不过仍留下许多贡献。Mellanox也利用覆晶式对準耦光方式，以DFB雷射为直流光源，利用端面耦合器耦光进入硅芯片。光调制器则採用电吸收调制式(EAM或FK Modulator)结构，调制速度为25Gb/s，发射端採PSM4结构，所以是单一DFB雷射输入，四通道调制后输出，硅光子光发射芯片如图11。相对应的接收端如图12所示，四条单模光纤输入后，直接传送光讯号到锗光二极体吸收，输出光电流。利用前述硅光子光发射芯片与硅光子光接收芯片所组装完成的100G光收发模组如图13所示。

图10 (左)Macom新发表的400G-DR4硅光子光收发引擎，(右)发射端四通道的输出光眼图。

图11 Mellanox 100G PSM4硅光子光发射芯片布局

图12 Mellanox 100G PSM4硅光子光接收芯片布局

图13 Mellanox 100G PSM4硅光子光收发模组

  欲提升传输速率，光调制器扮演很重要的角色，除了前述的MZM及EAM外，另外有採用微环形共振腔结构制作成的光调制器(Micro Ring Modulator, MRM)，与MZM相比，MRM尺寸小很多，对传输密度的提升更有帮助，所以也引起许多关注。德国ADVA于2017年发表44×56.25Gb/s PAM4的MRM，可以传输达80公里，其示意图与结构如图14所示。

图14 德国ADVA于2017年发表环型调制器

  Intel则于2019年发表单通道128Gb/s PAM4的MRM元件，该元件小讯号频率响应测得之-3dB频宽达50GHz，同时整合微加热器以优化元件性能，如图15所示。该元件操作在最高速率64GBaud PAM4时，其输出光眼图TDECQ为3dB、ER值约为4.2dB，如图16所示。

图15 美国Intel于2019年发表的128Gb/s PAM4微环型调制器

图16 美国Intel的128Gb/s PAM4微环型调制器输出光眼图特性

  MZM与MRM相比，MRM具有小尺寸及低驱动电压的优点，而MZM则有较宽的可操作光波长範围及较佳的热稳定性，相关比较如图17所示。

图17 MZM与MRM的比较分析

  硅光子制程技术整合服务

  虽然对硅光子元件的开发与芯片的製作，有许多公司具有相当技术与推出产品，但是除了如Intel有自建晶圆厂外，大多数公司则委託晶圆代工厂进行製程服务，以避免极大的晶圆厂资本投资芯片的基础。可以提供共享晶圆制程(MPW)的iSiPP50G制程，及专用8寸或12寸的晶圆(iSiPP200及iSiPP300)制程。另外美国格罗方德(Global Foundries)也提供硅光子制程服务，与IMEC类似，GF也有自有元件资料库提供客户参考，如图18所示。

图18 美国Global Foundries可提供的硅光子製程服务及元件资料库

  除了上述IMEC及GF外，仍有许多晶圆厂已经与客户合作进行专属製程服务，也正在建立自有的元件资料库。如台积电(TSMC)2021年发表的论文推出COUPE光引擎(Compact Universal Photonic Engine)，COUPE整合集成电路(EIC)及集成光路(PIC)，利用硅穿孔(TSV)取代锡球焊接(Bump)，可以减少40%信号损耗，同时可以结合主机端的IC组成共构封装(CPO)的模组。COUPE具有低损耗的光栅耦合器作为光纤垂直耦光用，也有边缘耦合器方便水平光纤耦光。而台湾半导体研究中心(TSRI)也有提供从软体模拟设计硅光子元件、硅光子芯片布局、晶圆代工到硅光子芯片验证测试等服务。

  硅光子时代来临

  本文讨论各式硅光子元件，特别针对雷射与硅光子芯片对准耦光方式、各种高速光调制器、及晶圆代工服务进行讨论。目前硅光子芯片与模组，不论元件性能、量产性等，均已经达到一定水準，相信可突破各大交换机大厂预期于2023年推出51.2Tb/s交换器芯片的输出入瓶颈，在不论是数据中心或超级电脑的应用中均能有所助益，开启硅光子的世代。

  本文作者：施天从 台湾高雄科技大学特聘教授兼电机与资讯学院院长