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IFOC 2020|光库科技:薄膜铌酸锂混合集成器件应用与挑战

摘要:9月7日,光库科技代表在IFOC 2020的专题三“通信半导体芯片发展”上发表主题为《薄膜铌酸锂混合集成器件应用与挑战》的演讲,分享半导体电子集成与光子集成,InP和SiPh光子集成,传统铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂光子集成,以及薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。更多精彩内容,欢迎莅临讯石会议现场聆听。

  ICC讯 9月7-8日,第19届讯石光纤通讯市场暨技术专题研讨会(IFOC 2020)在深圳大中华喜来登圆满举办。9月7日,光库科技代表在专题三“通信半导体芯片发展”上发表主题为《薄膜铌酸锂混合集成器件应用与挑战》的演讲,分享半导体电子集成与光子集成,InP和SiPh光子集成,传统铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂光子集成,以及薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。

  首先介绍了半导体集成与光子集成,对于半导体电子集成与光子集成的相似点,集成技术上,芯片级BB集成,光子集成线路(PIC)vs电子集成线路(EIC);在标准制程上,多项目晶圆(MPW),设计与制程(Fab)分离;在标准设计软件上,基于EME, FDTD, FDE, FEM, BPM方法的设计软件,与Foundry对接的PDK(Process Design Kits)。从里程碑的时间线上看,光子集成(2010年)比电子集成(1987年)晚了很多年。

  对于半导体电子集成与光子集成的不同点。在集成度上,PIC元件尺寸远大于EIC,104 /chip for PIC vs. 1012 /chip for digital EIC, 与RFIC相近。在功耗上,激光器、调制器、放大器等有源器件的功耗大,相关的电子器件功耗比光器件本身的功耗又大很多,热管理非常困难。在集成方式上,光子集成目前只能做混合集成,电子集成可以做到异质集成。在封装方式上,电引脚(pin)和 光“引脚”(fiber)的区别。

 InP和SiPh光子集成

  以InP调制器为例,基于QCSE(Quantum Confined Stark Effect)的MQW(Multiple Quantum Well)结构,有源及无源器件集成,30+年发展起来的成熟的光子集成平台,通用Foundry和PDK,成本较高。

  以硅光子SiPh调制器为例,三种机制——carrier-accumulation、carrier-injection、carrier-depletion,常用的Push-Pull Carrier-depletion,集成度高、可扩展性好、CMOS兼容工艺,短距传输性价比好,自由载流子吸收导致高插损和调制效率低、驱动回路阻抗受掺杂浓度和施加电压影响、插损/带宽彼此制约、激光器集成仍未解决。

  铌酸锂产品线介绍——产品线始于意大利米兰Pirelli研究实验室

  通过多次并购,强大的技术和生产团队一直致力于开发和发展用于通信、设备和传感的最先进的光学调制器产品。2019年,Lumentum意大利与光库科技签订资产购买协议,2020年1月完成交割。芯片Fab在意大利米兰,封装在泰国曼谷Fabrinet。

  传统铌酸锂调制器

  铌酸锂材料

  ·优良的光学性能:350nm-5200nm范围内几乎无损耗

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

  ·高电光系数:r33 = 27 pm/V at 1550nm

  ·高非线性系数: d33 = 31.5pm/V, d31 = 4.5pm/V @1550nm

  ·极好的物理和化学稳定性

  ·最成熟的光学材料之一

  传统铌酸锂调制器

  ·低插损

  ·高消光比

  ·线性响应

  ·高可靠性

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

  ·为光通讯行业立下汗马功劳40多年

  介绍了现有铌酸锂调制器系列产品

  用于400G/600G相干的调制器

  ·400G/600Gbps超高速超远距离骨干线光通信网

  ·400G/600Gbps超高速超远距离洲际通信网/海底通信网

  ·5G/6G无线通信网

  ·超高速城域核心网

  用于100G/200G相干的调制器

  ·100G/200Gbps超高速超远距离骨干线光通信网

  ·100G/200Gbps超高速超远距离洲际通信网/海底通信网

  ·5G/6G无线通信网

  ·超高速城域核心网

  10G/40G 调制器家族

  ·10G/40Gbps多调制格式光通信网

  ·FTTH光纤到户

  ·保密光通信网

  ·园区网

  20G/40G模拟调制器

  ·CATV有线电视网

  ·RF over Fiber射频信号光纤传输

  ·导航设备

  ·测试及科研

  传统铌酸锂调制器

  以AFR-792001500 铌酸锂相干调制器为例

  ·14只嵌套MZI

  ·Dual-Carrier

  ·Dual-Polarization QPSK相干调制Data Rate:400Gbps

  ·Bandwidth:35GHz半波电压Vπ:3.4V插损IL:5dB消光比ER:25dB

  ·Low chirp

  传统铌酸锂调制器的问题

  ·折射率差小:< 0.1光波导约束过于宽松:5-10μm

  ·难于集成:长度 > 40mm, 弯曲半径 ~ cm

  ·驱动电压高(功耗大): Vπ > 3.5V

  ·带宽接近极限:35GHz (过长导致RF/光信号匹配困难)

  解决途径 – Ridge 结构

  光波导尺寸缩小,电极距离降低,电场强度增强Vπ L 缩小5-10倍,驱动电压降低(或长度变短)长度略有减小,带宽略有提高折射率差无改进,弯曲半径无缩小仍然难以集成

  薄膜铌酸锂光子集成

  在铌酸锂材料上实现光子集成。继续发挥铌酸锂材料光学和电光性能优势,制作束缚更紧凑的光波导线路,挑战在于如何制作纳米级单晶薄膜,以及在薄膜上制作光子线路,1980s起就尝试在几种不同的承载基底上生长铌酸锂薄膜,但难度大、价格高,AFR铌酸锂事业部的前身Avanex是最早的微纳结构铌酸锂调制器的探索者之一。

  介绍了SmartCut技术。1992年法国CEA-Leti电子技术研究所的Michel Bruel发明SmartCut技术,用SmartCut技术可以将纳米级厚度的单晶硅薄膜转移到承载基底上,SmartCut成为Silicon-on-Insulator(SOI)的技术基础之一,Soitec从CEA-Leti独立出来专门研发SOI和SmartCut技术并生产设备。也介绍了铌酸锂薄膜材料(LNOI)制作。

  关于薄膜铌酸锂光波导(TFLN WG)制作半,导体工艺在LNOI上制作TFLN WG (RIE, ICP-RIE, CMP),光子层器件保持铌酸锂材料的优点:低插损、高折射率、高电光系数。

  薄膜铌酸锂光子集成与其他光集成平台的比较

  在功能上:除LD和SOA外,TFLN平台可以集成所有其它器件,与SiPh相当。在性能上:以调制器为例,半波电压、调制区长度等有不同。在成本上,介于InP和SiPh之间。

  最后,也指出了薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。

  波导制程

  ·铌酸锂材料超级稳定,刻蚀困难

  ·垂直波导壁困难:< 70o

  ·波导表面光洁度要求高:< 0.2nm

  可以做混合集成(Hybrid Integration)

  ·可扩展性(scalability):限于6吋晶圆

  ·亚微米级对准(sub-micron alignment)

  难以做异质集成(Heterogenous Integration)

  信号完整性(SI)

  ·布线复杂,via困难,限于二维,导致线路集度增高

  通用Foundry 和 PDK尚不完善

  更多精彩内容,欢迎莅临讯石会议现场聆听。

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