文章来源：C Lighting
原文作者：王凯（WangK)
硅光子学是利用基于硅材料的平面结构来引导光线，以实现多种功能的学科。我们在这里重点关注硅光子学在创建光纤通信的发射器和接收器方面的应用。随着在给定带宽、给定占地面积以及给定成本条件下增加更多传输需求的增加，硅光子学在经济上变得越来越合理。
大约在2002年之前，用于大都市间距离（80至600公里）及长距离（600至15,000公里）的光纤通信主要采用简单的开关键控（OOK：on-off keying）传输。OOK简单来说就是通过开关光线来传输“1”和“0”。为了获得更高的性能，即在相同的接收光功率或相同的光信号与噪声比（OSNR：or for the same optical signal-to- noise ratio）下具有更低的比特误码率（BER：bit-error rate），可以采用相位调制格式，如二进制相移键控（BPSK: such as binary phase-shift keying）或正交相移键控（QPSK: quadrature phase-shift keying）。这些“先进”调制格式中的每一个数据时间片被称为“符号”，因为每个符号可以携带多个比特信息。早期的BPSK和QPSK通过差分检测来识别，即在接收器的干涉仪中使一个符号与前一个符号相互干涉。然而，带宽需求一直呈指数级别增长。铺设新的光纤成本高昂，约每英里3万美元，因此运营商和数据中心需要在同一光纤、同一光学带宽内发送更多的比特每秒。一个关键方法是同时使用光的两个偏振态，这将可使带宽翻倍。尽管信号之间保持正交性，但在光纤传播过程中其偏振态基本上会随机改变。要解开这种混乱就需要大量的信号处理。光学相干检测通过数字电子技术实现了这一点。
光学相干检测在上世纪80年代是一个热门话题，因为它是一种光放大形式。但是，Erbium-Doped Fiber Amplifier（EDFA）的发明消除了这一优势，相干检测的兴趣也随之减弱。相干检测的另一个优势是能够接收完整的光场，即两个偏振态的实部和虚部。随着互补金属氧化物半导体（CMOS）电子技术的进步，数字信号处理（DSP）在2002年左右开始可用于处理甚至高达100 Gb/s的相干检测，导致相干检测的复兴。过去，相干检测仅限于单正交和单偏振，现在则发展为双正交和双偏振。
然而，100 Gb/s相干收发器的价格预计将会大幅下降。这是因为用户希望即使比特率持续提高，每个连接的支付价格保持不变。但价格不仅要降低，其占用空间和功耗也需相应减少。如图1所示，100 Gb/s模块已从完整的线路卡发展到5 × 7英寸的固定模块，再到现今3.2 × 5.7英寸的可插拔模块。当前100 Gb/s可插拔的封装形式称为CFP。未来的将是CFP2，尺寸减半，最终还会有四分之一大小的CFP4。功耗也从线卡上的超过100瓦，降至固定模块的70瓦，再到CFP的28瓦，下一步CFP2将限制在12瓦以内。
图1：展示了100 Gb/s相干收发器外形尺寸的演变过程。它从一个完整的线路卡，发展到符合多源协议（MSA）的模块，再演变为100 Gb/s可插拔封装（CFP）模块。D-CFP中的"D"表示这是一个数字模块，内部包含了DSP，与之相对的是仅包含光学元件的模块。
相干收发器包含两个主要部件——DSP芯片和光学元件。当前的相干CFP收发器两者兼备。目前存在一种可能暂时的趋势，即将DSP从模块中移出并放置在线路卡上。这类模块被称为“模拟”模块，而非数字模块。鉴于当前技术水平，要在最大功率为12瓦的CFP2中同时集成光学元件和DSP，尚不可行。然而，在未来1-2年内，技术很可能会成熟到足以支持“数字”CFP2。
为了满足降低价格、功耗和体积的需求，必须在技术上取得进步。对于DSP，可以利用工业界晶体管尺寸持续缩小的趋势，这能减少功耗和体积。晶体管尺寸节点及其引入年份如表1所示。
对于光学部分，必须采用光子集成技术（photonic integration），这也是本文的重点。现今多数相干收发器采用分离的LiNbO3/平面光波回路(PLC：planar light-wave circuit)调制器和InP/PLC接收器构建，如图2所示。越来越多地，小型化的InP调制器和InP接收器被采用。在当前的相干CFP中，集成了包含发射器和接收器的单个硅光子(SiPh：single silicon photonic)集成电路(PIC: photonic integrated circuit)。未展示部分的是一个独立的可调谐激光器。
图2展示了100 Gb/s相干光学组件的演变过程，从LiNbO3调制器和基于平面光波回路(PLC)的接收器，发展到基于InP的调制器和接收器，再进一步演变成硅基光子调制器和接收器。
最后，DSP和光学元件的主要成本之一在于封装；通过共封装DSP和光学元件，可以进一步减少成本、功耗和体积。
图3展示了集成在PIC中的多个元素。蓝色代表被动元件，红色代表主动元件（光与物质之间有预期的动力学交互作用），绿色代表电子元件。PIC技术已存在超过30年。光子集成的主要优点包括小体积（得益于强波导约束和部件间无需透镜的连接）、低功耗（消除了50Ω射频线的需要）、更高带宽的射频连接、低成本（更少的接触点、无机械调整、测试设备减少、材料消耗减少）。PIC的主要缺点通常是较高的插入损耗以及无法独立优化各组件。
图3：展示了一些集成在光子集成电路(PIC)中的元件。
光子集成电路(PIC)材料系统
图4：展示了常用的光子集成电路(PIC)材料系统。硅线波导是本文关注的重点
。
图4展示了最流行的PIC材料系统。从左至右分别是硅基二氧化硅PIC（也称作PLC）、硅基绝缘体PIC（即硅光子学）、铌酸锂（LiNbO3）以及III-V族PIC，例如InP和GaAs。本文聚焦于硅基光子学。在硅光子学中，光信号主要在硅中传播，硅材料具有1.12电子伏特（波长为1.1微米）的间接带隙。硅是以纯晶体的形式在熔炉中生长，然后被切割成晶圆，如今通常直径为300毫米，如图5所示。晶圆表面被氧化形成二氧化硅层。其中一片晶圆会被氢原子轰击到特定深度。随后，两片晶圆在真空中拼合，其氧化层相互粘结。组装体沿氢离子注入线断裂。接着，裂纹处的硅层被打磨，最终留下一层薄的结晶Si位于二氧化硅层上的完整的硅“handle”晶圆上。波导即由这片薄的结晶层形成。虽然这些硅基绝缘体(SOI)晶圆使得低损耗的硅光子学波导成为可能，但实际上它们更多地被用于低功耗CMOS电路，因为它们提供的漏电流很低。
图5：展示了硅基绝缘体(SOI)晶圆的制造过程。每个SOI晶圆是由两片硅晶圆制成。晶圆经过氧化、粘合处理后，其中一片被切割并打磨成薄层。
硅基光学波导有多种可能的形式，如图6所示。它们的范围从微尺度的锗掺杂二氧化硅波导到纳米尺度的硅线波导（Silicon Wire Waveguide）。通过掺锗，可以制造光电探测器和电吸收调制器，甚至可能制造光学放大器。通过掺杂硅，可以制成光学调制器。底部从左至右分别是：硅线波导、氮化硅波导、氧氮化硅波导、厚硅脊波导、薄氮化硅波导和掺杂硅波导。顶部从左至右分别是：耗尽型调制器、锗光电探测器和锗光学放大器。
图6：硅基光波导系列的横截面，显示了典型的传播损耗和折射率。
硅基光子学中有几个关键的无源元件。其中之一是表面发射光栅耦合器，如图7A所示。它由波导中的一个强光栅构成，其周期大约等于波导内光波的波长。这使得光线垂直于表面发射或接收，非常适合晶圆级别的测量及/或与光纤的耦合。光栅耦合器在某种程度上是硅光子学特有的，因为它需要高垂直折射率对比度。例如，如果尝试在传统的InP波导中制作光栅耦合器，光线会直接泄漏到衬底中，而不是垂直发射，因为光栅波导的平均折射率低于衬底。要使其在InP中工作，必须在光栅下方进行材料开挖，将其悬挂起来，如图7B所示。
图7：硅（A）和InP（B）中的表面发射一维光栅耦合器。在（A）中，灰色和浅蓝色分别代表硅和二氧化硅。在（B）中，红色和橙色分别代表InGaAsP和InP。图（C）和（D）为InP悬浮悬臂式光栅耦合器的扫描电子显微镜（SEM）图像。
另一个关键元件是光波导与光纤之间的模斑尺寸转换器（SSC：spot-size converter），它将硅线波导大约0.5 × 1 μm2的模式转换为光纤大约10 × 10 μm2的模斑。一个典型的方法是使用一种称为逆锥形（inverse taper）的结构，其中波导逐渐变窄至一个小尖端，这导致光模斑的显著扩展。该模式可以通过悬空的玻璃波导捕获，如图8所示。使用这样的SSC，耦合损耗小于1.5dB是容易实现的。
图8：用于硅线波导的模斑尺寸转换器。硅材料在悬空的玻璃波导内部形成逆向锥形结构。硅基板已在悬空玻璃波导下方被蚀刻掉。
关键无源元件是偏振分束器。一些偏振分束器的例子如图9所示。第一个是马赫-曾德尔干涉器（MZI：Mach-Zender interferometer），每个臂具有不同的双折射率。第二个是简单的定向耦合器。典型硅线波导的形状双折射非常高，所以横向磁性(TM)偏振光可以完全耦合，而横向电(TE)偏振光则几乎无法耦合。第三个是光栅耦合器，其中光纤以一定角度放置，使得TE偏振光在一个方向耦合，而TM偏振光在另一个方向耦合。第四个是二维光栅耦合器。其电场垂直于波导传播方向的光纤模式会耦合到相应的波导。光纤可以倾斜并耦合到两条波导，或者垂直于表面并耦合到四条波导。二维光栅耦合器的一个额外优势是充当偏振旋转器，即芯片上的所有光线具有相同的偏振，但在光纤中使用两个正交偏振。
图9：多种偏振分束器。
硅光子学有源元件
如前所述，光子学有源元件特指光与物质之间有意设计的动态相互作用。一个典型的光子学有源元件是光学调制器。目前所有的硅基光学调制器都是基于等离子体自由载流子效应。通过掺杂、电学方法或光学方法改变硅材料中自由电子和空穴的数量，可以改变其复折射率，这一过程如方程(1,2)所示，这些方程是通过对Soref和Bennett在1550纳米波长下的数据进行拟合而获得的。空穴相比于电子，在引起实部与虚部折射率变化的比例上更大，也就是说，在给定损耗变化的情况下，能产生更大的相位变化，因此在马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）调制器和环形调制器中，通常更倾向于利用空穴来制作相位调制器。
多种硅（Si）调制器类型如图10A所示。在载流子注入调制器中，光位于非常宽的p-i-n结内的本征硅中，并且电子和空穴被注入。然而，这种调制器速度较慢，通常带宽为500 MHz，因为自由电子和空穴在注入后需要较长时间才能复合。因此，这种结构通常被用作可变光衰减器（VOA：variable optical attenuator）而不是调制器。在载流子耗尽调制器中，光部分位于一个狭窄的p-n结中，通过施加的电场改变p-n结的耗尽宽度。这种调制器可以以超过50Gb/s的速度运行，但具有较高的背景插入损耗。典型的VπL是2 V-cm。金属氧化物半导体（MOS）（实际上是半导体-氧化物-半导体）调制器包含在p-n结中的一个薄氧化物层。它允许一些载流子积累以及载流子耗尽，允许更小的VπL约为0.2 V-cm，但缺点是更高的光学损耗和更高的单位长度电容。此外，还有基于SiGe（硅锗合金）带边移动的SiGe电吸收调制器。另外，还有依赖于石墨烯在吸收金属和透明绝缘体之间切换的石墨烯调制器。这些展示了不同机制在实现高速、低损耗光信号调制中的应用多样性。
图10：(A) 各种硅基光调制器设计的横截面示意图及 (B) 光探测器设计的横截面示意图。
图10B中展示了几种基于硅的光探测器。吸收材料采用的是锗（Ge）。Ge能够吸收波长直至约1.6微米的光线。左侧展示的是当前商业上最成功的p-i-n结构。它由p型掺杂硅构成，Ge在其上生长。Ge和Si存在4%的晶格失配，为了最大限度地减少位错，首先会生长一层薄的SiGe作为缓冲层。Ge层的顶部进行n型掺杂。中间展示的是金属-半导体-金属（MSM）光电二极管，右侧则是雪崩光电二极管（APD：avalanche photodiode）。APD中的雪崩区位于Si中，与III-V族元素材料中的雪崩区相比，Si具有更低的噪声特性。
在将光学增益与硅光子学集成方面，目前尚无明显优势的解决方案。图11展示了按组装级别组织的几种可能的选项。最左侧是单片集成，包括使用外延生长的锗（Ge）作为光学增益材料、掺铒（Er）的玻璃波导（如Al2O3，需要光学泵浦）以及外延生长的砷化镓（GaAs）量子点。接下来的一列是晶圆对晶圆装配，涉及III-V族增益区域的氧化物键合和有机键合。再下一列是芯片到晶圆装配，包括将III-V族芯片嵌入硅晶圆的腔体内，然后加工波导结构。这前三列方法的优点在于，器件在切割前可以在晶圆内进行全功能测试。最右侧一列是芯片到芯片装配，包括硅芯片与III-V族芯片的直接耦合、以及通过透镜和光栅耦合器进行的耦合。商业化应用的趋势正在从图示的右侧至左侧发展，即趋向于更加集成和一体化的解决方案。
图11：将光学增益集成到硅基光子学的配置方式。随着从左至右的移动，制造插入点在工艺流程中逐渐后移。
位于有源与无源元件之间的元素是光学隔离器。光学隔离器对于阻止回反射引起的激光器和光放大器噪声及振荡是必要的。隔离器需要是非互易性元件。在硅光子学中，已报道了两种主要类型的隔离器：磁光隔离器和基于调制的隔离器。
磁光隔离器中，石榴石材料被置于波导的侧面或顶部。而在基于调制的隔离器中，Optical Field通过行波或多个调制器间的时间延迟进行调制。图12展示了一种基于并联相位调制器串行排列的基于调制的隔离器设计。每个调制器都由一个正弦波驱动。在正向传输时，每个臂中的第二个调制器会抵消第一个调制器的调制效果；但在反向时，两个调制器则会构造性地相加。因此，对于正向传输的信号，该装置几乎没有任何影响，但在反向传输时信号会受到强烈的相位调制。如果相位调制幅度恰到好处，那么反向传播的连续波信号在其原始频率下会被完全衰减，实现窄带隔离。通过并联多个这样的窄带隔离器，每个臂由相同频率但相位不同的射频驱动，可以实现宽带隔离。在硅光子技术中演示了双臂版本，实现了∼3dB的隔离。调制是通过硅波导中的载波检测完成的。通过降低相位调制器中的残余振幅调制、提高调制器的速度和/或增加干涉仪的臂数，可以提高隔离度。
图12：(A)使用串联相移器阵列的光学隔离器结构。干涉仪中有N条臂。臂的数量越多，宽带隔离性能越高。(B, C)基于硅光子学构建的双臂版本。
表2展示了铟磷(InP)和硅(Si)两种材料系统的比较。由于铟元素较为稀有，使得InP成为比Si更为昂贵的材料。因为硅基电路涉及到的外延生长过程较少，所以硅基电路的良品率通常高于InP电路。在硅基电路中，通常仅有用于光探测器的锗(Ge)需要外延生长，而在InP系统中，即使是无源波导也必须通过外延生长来制备。外延生长往往比单晶生长（如从晶体锭生长）具有更高的缺陷密度。InP波导仅在横向具有高折射率对比度，而硅基波导在横向和纵向都具有高折射率对比度，这使得硅基器件可以实现更小的弯曲半径和其他更紧凑的结构。InGaAsP具有直接带隙，而Si和Ge则没有。因此，InP材料系统在激光效率方面更为优越。InP系统的本征氧化物不如Si的本征氧化物二氧化硅(SiO2)稳定和坚固。硅是一种比InP更强韧的材料，允许使用更大的晶圆尺寸，即从300毫米（即将升级到450毫米）相比InP的75毫米。InP调制器通常依赖于量子限制的斯托克斯效应（InP modulators usually depend on the quantum-confined Stark effect），这种效应因温度引起的带边移动而对温度敏感。相比之下，硅基调制器的温度依赖性非常小。
硅光子技术通常被认为仅适用于低成本、短距离、高产量（每年超过100万件）的产品。这是因为人们普遍认为，需要大量的晶圆的产能来分摊掩模和开发成本，并且硅光子技术在城与城的区域和长途产品应用中存在显著的性能劣势。然而，实际情况恰恰相反。在低成本、短距离、高产量的应用中，垂直腔面发射激光器（VCSEL：vertical cavity surface-emitting laser）和直接调制激光器（DML：directly modulated laser）构成了巨大的竞争压力，而硅基光子技术无法轻易集成激光器的弱点成为了显著的不利因素。相反，在城域、长途应用中，由于更倾向于将硅光子技术和数字信号处理（DSP）集成在一起（这通常处于高温环境），将激光器分开反而更有利。此外，相干检测技术可以在很大程度上弥补硅光子技术的不足，比如暗电流远小于本地振荡器光电流的问题。同时，认为需要大量晶圆的产能来覆盖掩模和开发成本的说法也是错误的，因为硅光子技术采用的节点尺寸相比最先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）要大得多，因此所需的掩模和生产运行相对便宜。
光子集成电路(PIC)的设计通常借助数学脚本来布局，这是因为关注干涉仪或其他对路径长度敏感的应用中，路径长度至关重要。PIC通过在晶圆上图案化多层（通常为10到30层）来制造，这些层由许多多边形形状组成，常以GDSII格式表示。在将文件发送给光掩模制造厂之前，强烈希望能够模拟PIC以验证设计的正确性。模拟分为多个层次：最低层级是三维电磁(EM)模拟，其中模拟是在亚波长级别进行的，尽管材料中原子间的交互在宏观尺度上处理。典型方法包括三维时域有限差分法(3D FDTD)和本征模展开(EME：eigenmode expansion)方法。这些方法最为精确，但对整个PIC的模拟时间是不切实际的。下一个层次是2.5维EM模拟，例如有限差分光束传播法(FD-BPM)。这些方法速度快得多，但牺牲了一定的准确性，并且只能处理旁轴传播，例如不能用于模拟共振器。再上一个层次是二维EM模拟，如2D FDTD和2D BPM。这些同样更快，但功能受限，例如它们不能模拟偏振旋转器。更进一步的层次是传输和/或散射矩阵模拟。每个主要组件都被简化为带有输入和输出的元件，连接波导被简化为相移和衰减元件。这些模拟极其的快速。传输矩阵乘以输入信号即可得出输出信号。散射矩阵（其元素被称为s参数）则是将一侧的输入和输出信号相乘，以求得元件另一侧的输入和输出信号。基本上，散射矩阵包含了元件内部的反射。散射矩阵在每个维度上通常比传输矩阵大一倍。综上所述，从3D EM到传输/散射矩阵模拟，每一层模拟在速度与精确度之间做出权衡，设计者根据具体需求选择合适的模拟级别来优化设计验证过程。
