效能與量產性突飛勐進 硅光子元件照亮通訊未來

  ICC訊 新通訊消息，數據中心、超級電腦網路需求不斷上升，傳統(tǒng)光收發(fā)模組的傳輸速率已達瓶頸，端賴最新技術的硅光子關鍵元件實現高速光電轉換、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)技術泛指將許多塬本是分立的光或電元件利用現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、可以兼具量產與成本的優(yōu)勢。目前硅光子技術可以廣泛應用于光通訊網路(數據中心網路、超級電腦網路、甚至芯片對芯片之內連接網路等)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)負責電光轉換，將電訊號轉成光訊號，并注入光纖，傳輸到遠端;接收端則由光二極體(PD)進行光電轉換，將光纖傳入之微弱光訊號轉成光電流，并經由轉阻放大器(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)

  但是隨著傳輸數據量之增加，傳統(tǒng)光收發(fā)模組之傳輸速率已經不敷使用，因此更高芯數的光纖陣列(Fiber Array)或空間分割多工(SPM)、分波多工(WDM)、極化分割多工(PDM)，及脈衝振幅調變(PAM)或光同調(Coherent)等高階訊號調變技術，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。但是在硅光子技術上，因為硅材料為間接能隙結構，無法有效發(fā)光，所以必須依賴外加雷射光源或異質整合之發(fā)光層，才能產生傳輸所需之雷射光。除了光源之外，目前硅光子技術均有相對應的元件已經被開發(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包覆硅導光層的強導波結構，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左側二種為光元件(光柵耦合器、光波導)、右側二種為光電元件(光調制器、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，各式所需的導波結構、光波長濾波或多工結構、光功率分配結構、光極化控制結構、光纖輸出入結構、光調制結構、光波相位調整、及光偵測結構等均有其需求性結構的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構示意圖 (Ref. Wei Shi, et al. Nanophotonics)

圖5 各式硅光子光電元件立體結構示意圖( 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的重要一環(huán)，因為發(fā)光層異質整合之技術困難度較高，除了美國Intel及Juniper等大型公司及研究機構外，目前大部分產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)表文獻之結構于圖6所示。圖中的Luxtera硅光子芯片結合驅動及放大積體電路，採用四通道并列式(PSM4)傳輸結構，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)鐳射光源的細部結構與光路徑示意。

  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傳輸結構，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，經球型透鏡聚光及法拉第光極化旋轉器，及上蓋之硅蝕刻形成的反射面將鐳射往下反射，最后經半波片，可以將鐳射打入硅光子芯片。法拉第光極化旋轉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構。 另外早期德國Sicoya也嘗試開發(fā)硅光子芯片結合驅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(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，本技術為Macom專有的自對準蝕刻面技術(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，在硅光子芯片內加入分波多工器，將四種波長結合成一條單模光纖輸出，為CWDM4的傳輸結構，如圖9所示。

圖9 Macom的SAFET端面DFB鐳射對準技術示意

  光調制器加速光收發(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)屬于硅光子技術的前驅者之一，雖然2018年起暫停硅光子產品開發(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。光調制器則採用電吸收調制式(EAM或FK Modulator)結構，調制速度為25Gb/s，發(fā)射端採PSM4結構，所以是單一DFB雷射輸入，四通道調制后輸出，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)形共振腔結構制作成的光調制器(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，其示意圖與結構如圖14所示。

圖14 德國ADVA于2017年發(fā)表環(huán)型調制器

  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)型調制器

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

  MZM與MRM相比，MRM具有小尺寸及低驅動電壓的優(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，相關比較如圖17所示。

圖17 MZM與MRM的比較分析

  硅光子制程技術整合服務

  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與推出產品，但是除了如Intel有自建晶圓廠外，大多數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?？梢蕴峁┕蚕砭A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，同時可以結合主機端的IC組成共構封裝(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、量產性等，均已經達到一定水準，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，在不論是數據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