硅基光子芯片研究进展与挑战

MEMS 2024-04-14 00:01

硅基光子芯片以光子为信息传输媒介,具有高带宽、高速率、高集成度,及与CMOS工艺兼容等优点,在多个领域具有应用价值。完整的硅基光子芯片上集成了光源、光波导、调制器、滤波器、探测器等器件,能够实现光的产生、路由、调制、处理和检测,这些功能一同形成了类似于电子集成电路的光学回路,从而实现对信息的传输、控制和处理。

据麦姆斯咨询报道,浙江大学信息与电子工程学院杨建义教授与王曰海副研究员的研究团队介绍了硅基光子芯片不同的材料平台,并回顾其在光通信与光互连、光计算、生物传感、片上激光雷达和光量子领域的研究进展和挑战,最后进行了总结。相关研究内容以“硅基光子芯片研究进展与挑战”为题发表在《半导体光电》期刊上。

硅基光子芯片的制造平台

图1是市场研究机构Yole对硅基光电子在不同应用场景的市场价值预测,2026年整个硅基光电子产业的市场规模预估达到11亿美元。硅基光子芯片有多种制造平台,下面对绝缘体上的硅(SOI)、SiN、Ⅲ-Ⅴ族(GaAs和InP)、硅衬底上铌酸锂薄膜这四种常用的制造平台进行简要介绍。

图1 硅基光电子在不同应用场景的市场价值预测

SOI平台

SOI仅由硅和二氧化硅构成,是硅基光子芯片的基本材料平台。硅材料的透明窗口在1270~1650 nm,因此对光纤通信波段的光几乎透明。为构成光学回路,需要在SOI平台上集成各种无源和有源器件。

无源器件无需进行外加电学调制,如波导、微环谐振腔(MRR)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、光栅等,其中波导是基本器件。SOI矩形波导的芯层和包层分别为硅和二氧化硅,1550 nm波长处硅和二氧化硅的折射率分别为3.5和1.45左右,芯层和包层的大折射率差使得波导尺寸为几百纳米,极大地提高了光子芯片的集成度。有源器件包括激光器、调制器、探测器等。光源方面,硅是间接带隙材料,发光效率低,不适合做光源,因此需要结合其他材料,如稀土掺杂光源、Ⅲ-Ⅴ族光源、Ⅳ族光源等。SOI调制器一般采用热调制或载流子色散调制。图2是2021年德国IHP发布的一款采用类似鳍式晶体管(FinFET)结构的三明治型锗探测器,FinFET结构减少了锗的本征区宽度和载流子的渡越时间,由此在1550 nm波长实现了高达265 GHz的3 dB带宽,超过了此前所有的硅基集成探测器,其响应度为0.3 A/W,工作暗电流为100~200 nA。

图2 FinFET结构锗探测器的横截面

此外,硅中也存在丰富的非线性效应,如四波混频、克尔效应、载流子色散效应等,可以用于光频梳、量子光学等领域。然而当泵浦功率较大时,硅中会发生双光子吸收和自由载流子吸收效应,产生额外的非线性损耗。

SiN平台

SiN在传统微电子芯片的CMOS工艺中用于对单个晶体管进行隔离,也被用作某种场效应晶体管的栅极材料,可以作为SOI的互补平台。SiN的透明窗口大,从400 nm的可见光波段到2350 nm的近红外波段均有很低的传输损耗(<1 dB/m),由此可以制成品质因数(Q)高达百万的MRR。SiN波导的芯层和包层分别为SiN和SiO₂,SiN材料中也具有良好的非线性效应,被广泛用于片上非线性研究。近期发展出的SiN-on-SOI平台结合了SiN和SOI两种平台的优势,在非线性光学、滤波器、低损耗波导、集成光学陀螺等领域具有应用前景。

Ⅲ-Ⅴ族平台

Ⅲ-Ⅴ族材料是早期光通信芯片的主要制造平台。Ⅲ-Ⅴ化合物特别是砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等,天然是直接带隙材料,其价带顶和导带底在波矢k空间中处于同一位置,电子和空穴的复合无需交换动量,具有很高的内量子效率,能够高效发光,可以作为激光源的增益物质。在Si基上异质集成Ⅲ-Ⅴ族材料构成的混合激光源是硅基片上光源的实现方式之一,但异质集成增加了制造工艺的复杂度。图3是2019年加州大学圣巴巴拉分校Jonathan Klamkin课题组实现的硅衬底上直接外延生长的1550 nm电泵浦量子阱激光器,室温下最大连续输出功率为18 mW。图4是同年加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers课题组实现的硅衬底直接生长的量子点可调激光器,边缘模式抑制比大于45 dB,室温下波长可调范围为16 nm,输出功率大于2.7 mW。

图3 量子阱激光器示意图

图4 量子点可调激光器示意图

硅衬底上铌酸锂薄膜平台

由于具有优异的电光性质、宽透明窗口、较高的折射率以及高度的稳定性,铌酸锂成为了一种极具优势的用于构建集成光子器件的材料平台。在目前的研究中,除了能够在铌酸锂平台上构建波导、谐振腔、周期型极化铌酸锂结构、光耦合结构等简单单元外,还能制造高性能的电光调制器、非线性光学器件等集成器件。

传统的铌酸锂波导采用钛扩散或质子交换方法制造,然而使用这两种方法制造的集成器件折射率对比度低,器件尺寸大,引起一系列器件性能降低。借鉴制造SOI晶片的智能切割技术,研究人员结合晶片键合技术和晶体离子切片(CIS)技术来制备单晶铌酸锂薄膜,使用这种方法能够制造出高折射率对比度的铌酸锂波导以提升器件性能并缩小占用面积。铌酸锂波导的主要损耗来源于波导弯曲造成的辐射损耗,以及由表面粗糙度引起的散射损耗。

由于铌酸锂优异的电光性质,其集成器件如电光调制器、光频率梳的带宽高于集成的硅光器件。光栅耦合器的工作机制导致其带宽较窄,不能很好地与一些集成LN器件兼容,因此绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台上更倾向于使用边缘耦合或对接耦合将光耦合进/出芯片。集成LNOI平台器件凭借其高带宽、高数据传输速率、高消光比、低误码率、低功耗、低成本、小尺寸等优点而在光通信、数据中心、微波光子学、量子光学等应用上都具有独特的优势,在光计算与计量学领域也有着广阔的应用前景。

硅基光子芯片的应用与挑战

光通信与光互连

硅基光子芯片目前的主要应用场景依旧是光通信。硅基光子芯片具有集成度高、稳定性好、功耗低、相位调制特性好的优点,不仅适合长距离数据传输,也十分适合芯片内/间数据传输短距离、大容量的要求,是理想的光通信和光互连平台。通过单片集成微电子电路,硅基光子芯片可以实现高速、高带宽、低功耗、低延时的片上互连,同时减少芯片上的器件数目、提高互连密度,突破当前微电子芯片在数据互连方面的限制。

硅基光电收发芯片得到广泛的研究和应用,在大容量数据通信中具有重要意义,近年来取得了许多进展。光通信也需要大规模的光交换阵列。数据中心的通信连接数量每2.5年翻一番,导致互连需求急剧增大,光学共封装技术能够满足这一需求。此外,光子具有波长、偏振、模式、时间等多个维度资源可以利用,多维复用技术已经广泛用在光纤通信中,结合多个维度的光子集成芯片有望解决光通信新的容量危机。2020年,上海交通大学苏翼凯课题组采用基于级联亚波长光栅(SWG)的反向耦合器结构,提出了一种波长-模式-偏振信号同时复用的片上多维多路复用/解复用方案,结构如图5所示。

图5 8通道多维复用结构示意图

硅基光通信与光互连芯片目前面临3个主要挑战:(1)硅基片上光源。片上光源能够提高光互连网络的集成度和能量利用效率,而光源问题是整个硅基光电子技术的主要挑战。目前相对成熟的硅基片上光源是基于Ⅲ-Ⅴ族材料,通过混合集成或异质集成的方式在硅基光子芯片上实现Ⅲ-Ⅴ族激光器。(2)载流子色散效应引起的调制带宽受限。采用新的调制机制如铌酸锂有望解决这一问题。(3)大规模集成和可靠封装。目前可以采用共封装技术来提升大规模集成能力。

光计算

近年来人工智能、神经网络、语音处理、图像识别等技术蓬勃发展,大容量实时数据处理和分析场景催生了对算力的剧烈需求。目前的数据处理依赖于传统的微电子芯片,尽管这种芯片加工制造技术成熟,但由于结构上的缺陷,其带宽小、速度慢、功耗大。而基于硅基光子芯片的光学神经网络和高性能计算有望解决这个问题。

人工神经网络可以作为人工智能的数据处理工具,其计算集中在大量的矩阵运算上,而光学神经网络在这些运算中几乎不消耗能量。光学神经网络主要包括前馈神经网络(FNN)、循环神经网络(RNN)和脉冲神经网络(SNN),可以利用MZI或MRR来实现。

硅基光子芯片在计算和神经网络上巨大的应用潜力,虽然它在计算速度、功耗等方面优于传统的微电子芯片,但其在神经网络非线性激活函数的全光实现、集成度、光子芯片的匹配算法等方面还存在不足。

生物传感

生物传感器是一种能够将蛋白质、核酸等分子结构的信息转换为声、光、电等信号的设备,广泛应用在生物诊断、药物研发、生命科学等研究领域。硅基光学生物传感器利用生物分子与光场的相互作用,使光的相位、强度、波长等参量发生变化,并利用光电转换将光信号转换为电信号,从而获得生物分子的结构信息,具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、便于多功能集成、灵活性强的优点。根据传感原理的不同,可以将硅基生物传感器分为基于折射率变化的生物传感、基于荧光技术的生物传感和基于拉曼散射的生物传感。

基于折射率变化的生物传感利用了波导的倏逝波,倏逝波与待测溶液的相互作用会改变包层的折射率,进而改变波导内光波的有效折射率和相位,生物信息就存在于光波的相位中,可以利用MZI、MRR、以及布拉格光栅等结构来提取。以MZI和MRR为例来介绍这种生物传感的原理。MZI是一种干涉型生物传感器,工作时一个臂与溶液相互作用,两臂的相位差随待测溶液而变化,通过检测输出端两臂干涉形成的透射谱就可以得到待测物质的信息。

激光雷达

激光雷达是一种通过发射激光束来探测目标的方位、速度的技术,在自动驾驶、三维成像等领域具有重要应用。传统激光雷达采用机械转向的方式,存在结构复杂、易磨损、易受温度和振动等影响的缺点。而硅基片上激光雷达采用固态光相控阵(OPA),可以克服这些问题。OPA是硅基片上激光雷达的重要组成部分,负责探测信号的产生和发射,由激光源、分束器、相移器和发射器四个部分构成,可用在自由空间通信、探测、成像、生物传感等领域。OPA的衡量指标主要包括视场范围(FOV)、波束宽度、旁瓣抑制、调制速度、功耗等。其中FOV确定了波束形成和转向的范围,波束宽度衡量了OPA传输点或接收点的大小。

图6 1D OPA和2D OPA示意图

光量子

光量子芯片利用波导来引导光子,可提供具有核心功能的相位稳定的量子回路,包括量子态的产生、操控和单光子检测。相比于传统的桌面光学,光量子芯片利用硅基光子平台无源低损耗、多维易调控的器件库,便于大规模集成,有望进行具有数百或数千个光子的大规模量子信息处理,可以快速推进光量子技术的实用化。近几年光量子芯片得到了快速发展,有望促进量子计算、量子通信、量子传感、量子模拟和基础科学等领域的发展。

量子光源在量子通信、量子计算等领域具有重要应用,分为单光子源、纠缠态源和连续变量光源。片上单光子源可以利用硅波导或MRR中的自发四波混频(SFWM)来实现。SFWM是一种三阶非线性效应,把两个泵浦光子转化为一对频率纠缠的信号光子和闲频光子,对光子对进行解纠缠后可以做预报单光子源。

图7 Xanadu光量子计算芯片的工作原理和具体结构

硅基光量子芯片的发展也面临着诸多问题与挑战:(1)快速、低损耗的光开关网络的需求。短期内处理大量单光子需要对单光子源进行多路复用和解复用,最近LN,Si-LN和Si-钛酸钡开关在这方面显示出了应用前景。(2)完全集成了量子光源、回路和探测器的光量子芯片有待实现,其挑战在于泵浦光的去除和对光子的低温操纵。目前已有抑制比达100 dB的级联MRR和MZI的报道,这有望应对第一个挑战,而后者有望通过可低温操作的Si-钛酸钡开关解决。(3)如何进一步提高MBQC的性能,如何克服大规模制造时的误差和可变性。结合光量子芯片的高可编程性和机器学习算法有望补偿制造的不完美。

光量子芯片的发展与硅基光电子技术息息相关,光量子回路的关键性能需要新材料、先进的集成和封装工艺来驱动。为应对集成光量子的挑战和市场需求,需要有协调的方案,投资开发新的光子集成平台组件和供应链,并建立混合集成和异质集成的基础设施。

总结

硅基光子芯片具有多种制造平台,如SOI、SiN、Ⅲ-Ⅴ族半导体、薄膜铌酸锂等。SOI平台具有极强的束缚光的能力,基于该平台的无源器件和除光源外的有源器件已发展得较为成熟;SiN平台因其超低损耗和优异的非线性效应获得了广泛关注;Ⅲ-Ⅴ族材料,如InP和GaAs,为硅基片上光源提供了解决方案;而薄膜铌酸锂具有高速的电光调制能力。利用单个或结合多种平台,硅基光子芯片在光通信与光互连、光计算、生物传感、激光雷达和光量子等领域都彰显出应用前景。

然而,硅基光子芯片的发展还面临着许多问题:(1)大规模集成光子回路的可靠性。未来需要进一步提升工艺水平,利用巧妙的设计来提高器件的性能和良品率,减少加工误差等因素的影响,从而提高大规模集成光子回路的可靠性。(2)混合集成和异质集成。混合集成的工艺成本较高,且难以实现大规模集成;而异质集成由于Ⅲ-Ⅴ族材料与硅的晶格失配,会造成位错、反相畴等缺陷,因此需要集成工艺的进一步提升。(3)对高性能可靠封装的需求。共封装和3D封装技术的发展为此提供了潜在的解决思路。随着硅基光电子技术的发展,硅基光子芯片将趋向于更低成本、更优性能和更高集成度,将在通信、传感、计算等领域展现出愈加重要的应用潜力。

论文信息:

DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022030402

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