效能與量產(chǎn)性突飛勐進 硅光子元件照亮通訊未來

  ICC訊 新通訊消息，數(shù)據(jù)中心、超級電腦網(wǎng)路需求不斷上升，傳統(tǒng)光收發(fā)模組的傳輸速率已達瓶頸，端賴最新技術(shù)的硅光子關(guān)鍵元件實現(xiàn)高速光電轉(zhuǎn)換、傳輸與光譜信號處理等功能，并降低模組功率消耗、體積和成本，芯片制程的突破更為各類先進硅光子元件研發(fā)設計打下不可或缺的基礎。

  硅光子(Silicon Photonics)技術(shù)泛指將許多塬本是分立的光或電元件利用現(xiàn)今成熟的硅半導體製程，製作成微型積體化芯片，以有效提高元件密度、增加總體操作速率，并使模組更堅固、提高模組可靠性，同時因為大晶圓製作、可以兼具量產(chǎn)與成本的優(yōu)勢。目前硅光子技術(shù)可以廣泛應用于光通訊網(wǎng)路(數(shù)據(jù)中心網(wǎng)路、超級電腦網(wǎng)路、甚至芯片對芯片之內(nèi)連接網(wǎng)路等)及舉凡光達(LiDAR)系統(tǒng)、光纖陀螺儀、生醫(yī)感測、機械力感測等感測系統(tǒng)之兩大領域。以光通訊網(wǎng)路而言，傳統(tǒng)光收發(fā)模組之組態(tài)如圖1，發(fā)射端由雷射二極體(LD)負責電光轉(zhuǎn)換，將電訊號轉(zhuǎn)成光訊號，并注入光纖，傳輸?shù)竭h端;接收端則由光二極體(PD)進行光電轉(zhuǎn)換，將光纖傳入之微弱光訊號轉(zhuǎn)成光電流，并經(jīng)由轉(zhuǎn)阻放大器(TIA)及后置放大器輸出電訊號。

  圖1 傳統(tǒng)光收發(fā)模組之組態(tài)

  但是隨著傳輸數(shù)據(jù)量之增加，傳統(tǒng)光收發(fā)模組之傳輸速率已經(jīng)不敷使用，因此更高芯數(shù)的光纖陣列(Fiber Array)或空間分割多工(SPM)、分波多工(WDM)、極化分割多工(PDM)，及脈衝振幅調(diào)變(PAM)或光同調(diào)(Coherent)等高階訊號調(diào)變技術(shù)，以提高光收發(fā)的整體傳輸容量的方法逐漸被採用，如圖2所示。

  圖2 各種提高整體傳輸速率的方法及所需的元件，(a)光同調(diào)傳輸，(b)極化多工傳輸，(c)空間分割多工與分波多工的整合傳輸 (Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)。

  各類硅光子元件介紹

  為有效達成上述之目標，各式光元件均有其必要性。但是在硅光子技術(shù)上，因為硅材料為間接能隙結(jié)構(gòu)，無法有效發(fā)光，所以必須依賴外加雷射光源或異質(zhì)整合之發(fā)光層，才能產(chǎn)生傳輸所需之雷射光。除了光源之外，目前硅光子技術(shù)均有相對應的元件已經(jīng)被開發(fā)并且制造應用，通常採用絕緣層上覆硅(SOI)晶圓進行製作，利用最上層硅材料作為導光層的光元件或加以摻雜形成PN介面利用逆向電壓控制光折射率做成光電元件，制程后以厚氧化層覆蓋形成蓋光層(Cladding)，因此就形成了絕緣層內(nèi)包覆硅導光層的強導波結(jié)構(gòu)，而最下層的硅，則僅做為基板支撐或進行其他電子元件製作用，制作完成的晶圓剖面示意如圖3。圖3左側(cè)二種為光元件(光柵耦合器、光波導)、右側(cè)二種為光電元件(光調(diào)制器、光探測器)。

圖3 硅光子SOI晶圓剖面示意圖，紅色基板為硅，灰色絕緣層可作為下蓋光層，中間層為各式光元件，上層淺灰色為上蓋光層，黃色為導電金屬電極(Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)。

  若將上蓋光層去除，各式所需的導波結(jié)構(gòu)、光波長濾波或多工結(jié)構(gòu)、光功率分配結(jié)構(gòu)、光極化控制結(jié)構(gòu)、光纖輸出入結(jié)構(gòu)、光調(diào)制結(jié)構(gòu)、光波相位調(diào)整、及光偵測結(jié)構(gòu)等均有其需求性結(jié)構(gòu)的3D示意圖，如圖4的光元件及圖5的光電元件。

圖4 各式硅光子光元件立體結(jié)構(gòu)示意圖 (Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)

圖5 各式硅光子光電元件立體結(jié)構(gòu)示意圖( Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)

  一探硅光子芯片製程

  如前述，鐳射光源與硅光子芯片的整合是整體光訊號傳輸?shù)闹匾画h(huán)，因為發(fā)光層異質(zhì)整合之技術(shù)困難度較高，除了美國Intel及Juniper等大型公司及研究機構(gòu)外，目前大部分產(chǎn)品或文獻多以外置式DFB雷射光源進行對準耦光。如美國Luxtera(已被Cisco收購)採用分立式透鏡聚焦方式，將雷射光以接近垂直方向利用光柵耦合器耦合進入硅光子芯片，摘錄所發(fā)表文獻之結(jié)構(gòu)于圖6所示。圖中的Luxtera硅光子芯片結(jié)合驅(qū)動及放大積體電路，採用四通道并列式(PSM4)傳輸結(jié)構(gòu)，利用四芯單模光纖輸出與四芯單模光纖輸入，可以達到100Gb/s的總收發(fā)傳輸量。

圖6 Luxtera硅光子芯片及模組示意圖，(上)硅光子芯片用于耦合雷射光的光柵耦合器及組裝示意;(下)鐳射光源的細部結(jié)構(gòu)與光路徑示意。

  芯片中有兩種光柵耦合器，第一種為單光極化式光柵耦合器，用于耦合DFB鐳射光源及用于光訊號發(fā)射端，另一種為雙極化分光式光柵耦合器，用于無特定光極化方向輸入之光信號接收端。因為采用相同波長輸出的PSM4傳輸結(jié)構(gòu)，所以只用一顆高功率的1310nm DFB鐳射輸入。如圖6下所示，DFB鐳射置于硅光平臺(Si Optical Bench)上，經(jīng)球型透鏡聚光及法拉第光極化旋轉(zhuǎn)器，及上蓋之硅蝕刻形成的反射面將鐳射往下反射，最后經(jīng)半波片，可以將鐳射打入硅光子芯片。法拉第光極化旋轉(zhuǎn)器及半波片在于防止反射的鐳射注入DFB鐳射中，形成不必要的光共振，破壞DFB鐳射的光特性。為制作復雜的硅光子芯片，Luxtera也開發(fā)多種硅光子元件，如圖7所示，有單光極化式光柵耦合器、雙極化分光式光柵耦合器、鍺光波導式光探測器、相位調(diào)制器、光指向耦合器、光波導終端器、Y型光波導分光器、各式光波導與彎折漸變等結(jié)構(gòu)。 另外早期德國Sicoya也嘗試開發(fā)硅光子芯片結(jié)合驅(qū)動及放大積體電路的整合式光電硅芯片，如圖8所示。不過電芯片采用越小半導線寬所制作的集成電路其頻率性能越佳，而且越省電，特別在單通道100G或以上之傳輸更形重要，因此光芯片與電芯片所需半導體制程線寬要求日漸不同，所以此類的光電整合型芯片逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉侵髁鳌?

圖7 Luxtera開發(fā)的多種硅光子元件

圖8 德國Sicorya公司的整合式光電硅芯片

  美國Macom則採用覆晶式對準耦光、將雷射光以端面耦合器耦合進入硅光子芯片。Macom利用半導體深蝕刻製程進行對準面的製作，再將自行開發(fā)利用蝕刻面技術(shù)(Etched Facet Technology, EFT)完成的DFB雷射，置入預先設計的對準面進行光波導耦光，預期可以進行被動式對準大量生產(chǎn)，本技術(shù)為Macom專有的自對準蝕刻面技術(shù)(Self-Aligned Etched Facet Technology, SAEFT)。該硅光子芯片採用四種不同波長的DFB雷射輸入，在硅光子芯片內(nèi)加入分波多工器，將四種波長結(jié)合成一條單模光纖輸出，為CWDM4的傳輸結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 Macom的SAFET端面DFB鐳射對準技術(shù)示意

  光調(diào)制器加速光收發(fā)引擎?zhèn)鬏?

  Macom于2021年在Nanomaterials期刊發(fā)表400G-DR4硅光子光收發(fā)引擎，採用新設計的走波式Mach-Zehnder光調(diào)制器(TW-MZM)，插入損耗為5dB，在-2V偏壓下其小訊號頻率響應測得之-3dB頻寬達43GHz。硅光子芯片寬4mm、長6mm，其中發(fā)射端的TW-MZM以1.8Vpp、53.125GBaud PAM4驅(qū)動時，四通道可以獲得TDECQ約為3dB、ER值約為5dB的光眼圖輸出，相關(guān)照片及眼圖如圖10所示。 美國Mellanox(已被NVIDIA收購)屬于硅光子技術(shù)的前驅(qū)者之一，雖然2018年起暫停硅光子產(chǎn)品開發(fā)，不過仍留下許多貢獻。Mellanox也利用覆晶式對準耦光方式，以DFB雷射為直流光源，利用端面耦合器耦光進入硅芯片。光調(diào)制器則採用電吸收調(diào)制式(EAM或FK Modulator)結(jié)構(gòu)，調(diào)制速度為25Gb/s，發(fā)射端採PSM4結(jié)構(gòu)，所以是單一DFB雷射輸入，四通道調(diào)制后輸出，硅光子光發(fā)射芯片如圖11。相對應的接收端如圖12所示，四條單模光纖輸入后，直接傳送光訊號到鍺光二極體吸收，輸出光電流。利用前述硅光子光發(fā)射芯片與硅光子光接收芯片所組裝完成的100G光收發(fā)模組如圖13所示。

圖10 (左)Macom新發(fā)表的400G-DR4硅光子光收發(fā)引擎，(右)發(fā)射端四通道的輸出光眼圖。

圖11 Mellanox 100G PSM4硅光子光發(fā)射芯片布局

圖12 Mellanox 100G PSM4硅光子光接收芯片布局

圖13 Mellanox 100G PSM4硅光子光收發(fā)模組

  欲提升傳輸速率，光調(diào)制器扮演很重要的角色，除了前述的MZM及EAM外，另外有採用微環(huán)形共振腔結(jié)構(gòu)制作成的光調(diào)制器(Micro Ring Modulator, MRM)，與MZM相比，MRM尺寸小很多，對傳輸密度的提升更有幫助，所以也引起許多關(guān)注。德國ADVA于2017年發(fā)表44×56.25Gb/s PAM4的MRM，可以傳輸達80公里，其示意圖與結(jié)構(gòu)如圖14所示。

圖14 德國ADVA于2017年發(fā)表環(huán)型調(diào)制器

  Intel則于2019年發(fā)表單通道128Gb/s PAM4的MRM元件，該元件小訊號頻率響應測得之-3dB頻寬達50GHz，同時整合微加熱器以優(yōu)化元件性能，如圖15所示。該元件操作在最高速率64GBaud PAM4時，其輸出光眼圖TDECQ為3dB、ER值約為4.2dB，如圖16所示。

圖15 美國Intel于2019年發(fā)表的128Gb/s PAM4微環(huán)型調(diào)制器

圖16 美國Intel的128Gb/s PAM4微環(huán)型調(diào)制器輸出光眼圖特性

  MZM與MRM相比，MRM具有小尺寸及低驅(qū)動電壓的優(yōu)點，而MZM則有較寬的可操作光波長範圍及較佳的熱穩(wěn)定性，相關(guān)比較如圖17所示。

圖17 MZM與MRM的比較分析

  硅光子制程技術(shù)整合服務

  雖然對硅光子元件的開發(fā)與芯片的製作，有許多公司具有相當技術(shù)與推出產(chǎn)品，但是除了如Intel有自建晶圓廠外，大多數(shù)公司則委託晶圓代工廠進行製程服務，以避免極大的晶圓廠資本投資芯片的基礎。可以提供共享晶圓制程(MPW)的iSiPP50G制程，及專用8寸或12寸的晶圓(iSiPP200及iSiPP300)制程。另外美國格羅方德(Global Foundries)也提供硅光子制程服務，與IMEC類似，GF也有自有元件資料庫提供客戶參考，如圖18所示。

圖18 美國Global Foundries可提供的硅光子製程服務及元件資料庫

  除了上述IMEC及GF外，仍有許多晶圓廠已經(jīng)與客戶合作進行專屬製程服務，也正在建立自有的元件資料庫。如臺積電(TSMC)2021年發(fā)表的論文推出COUPE光引擎(Compact Universal Photonic Engine)，COUPE整合集成電路(EIC)及集成光路(PIC)，利用硅穿孔(TSV)取代錫球焊接(Bump)，可以減少40%信號損耗，同時可以結(jié)合主機端的IC組成共構(gòu)封裝(CPO)的模組。COUPE具有低損耗的光柵耦合器作為光纖垂直耦光用，也有邊緣耦合器方便水平光纖耦光。而臺灣半導體研究中心(TSRI)也有提供從軟體模擬設計硅光子元件、硅光子芯片布局、晶圓代工到硅光子芯片驗證測試等服務。

  硅光子時代來臨

  本文討論各式硅光子元件，特別針對雷射與硅光子芯片對準耦光方式、各種高速光調(diào)制器、及晶圓代工服務進行討論。目前硅光子芯片與模組，不論元件性能、量產(chǎn)性等，均已經(jīng)達到一定水準，相信可突破各大交換機大廠預期于2023年推出51.2Tb/s交換器芯片的輸出入瓶頸，在不論是數(shù)據(jù)中心或超級電腦的應用中均能有所助益，開啟硅光子的世代。

  本文作者：施天從 臺灣高雄科技大學特聘教授兼電機與資訊學院院長