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硅光子設(shè)計(jì)——從器件到系統(tǒng) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030685230
- 條形碼：9787030685230 ; 978-7-03-068523-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
硅光子設(shè)計(jì)——從器件到系統(tǒng) 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)主要介紹了高功率納秒激光技術(shù)以及應(yīng)用等內(nèi)容，系統(tǒng)的介紹了：1）基礎(chǔ)知識(shí)方面：理論基礎(chǔ)、技術(shù)特點(diǎn)、參數(shù)特性簡(jiǎn)介；2）單元技術(shù)方面：激光振蕩技術(shù)、激光放大技術(shù)、熱管理技術(shù)、激光光束質(zhì)量控制光學(xué)、元器件的損傷；3）整機(jī)系統(tǒng)技術(shù)方面：基于棒狀放大器的激光系統(tǒng)、基于板條放大器的激光系統(tǒng)、激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）應(yīng)用方面：在空間科學(xué)與特別物理中的應(yīng)用。
硅光子設(shè)計(jì)——從器件到系統(tǒng) 目錄
目錄
譯者序
原書(shū)序
原書(shū)前言
貢獻(xiàn)者
第1篇引言
第1章無(wú)晶圓廠硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一個(gè)無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)5
1.2.1光子學(xué)歷史背景6
1.3硅光子應(yīng)用7
1.3.1數(shù)據(jù)通信7
1.4技術(shù)挑戰(zhàn)與研究現(xiàn)狀9
1.4.1波導(dǎo)與無(wú)源器件9
1.4.2調(diào)制器10
1.4.3光電探測(cè)器11
1.4.4光源12
1.4.5光–電集成方法13
1.5機(jī)遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系統(tǒng)工程15
1.5.3工具與支持性基礎(chǔ)設(shè)施16
1.5.4基礎(chǔ)科學(xué)17
1.5.5工藝標(biāo)準(zhǔn)化與多項(xiàng)目晶圓發(fā)展18
參考文獻(xiàn)19
第2章硅光子建模與設(shè)計(jì)方法27
2.1光波導(dǎo)模式求解28
2.2光波傳輸29
2.2.1三維時(shí)域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二維時(shí)域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他傳輸仿真方法33
2.2.4無(wú)源光器件35
2.3光電模型35
2.4微波建模36
2.5熱建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版圖38
2.8軟件工具集成38
參考文獻(xiàn)40
第2篇光無(wú)源器件
第3章光學(xué)材料與光波導(dǎo)47
3.1絕緣襯上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波導(dǎo)50
3.2.1光波導(dǎo)設(shè)計(jì)50
3.2.2一維平板光波導(dǎo)——分析方法51
3.2.3光波導(dǎo)的數(shù)值建模51
3.2.4一維平板波導(dǎo)——數(shù)值仿真51
3.2.5有效折射率法55
3.2.6有效折射率法——解析法56
3.2.7光波導(dǎo)模場(chǎng)分布——2D計(jì)算56
3.2.8光波導(dǎo)寬度——有效折射率60
3.2.9波長(zhǎng)相關(guān)性62
3.2.10光波導(dǎo)的緊促模型64
3.2.11光波導(dǎo)損耗65
3.3彎曲波導(dǎo)66
3.3.1彎曲波導(dǎo)3DFDTD仿真68
3.3.2本征模彎曲模擬69
3.4問(wèn)題71
3.5仿真代碼72
參考文獻(xiàn)90
第4章光器件建模基礎(chǔ)93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波導(dǎo)模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6條形波導(dǎo)103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3馬赫–曾德?tīng)柛缮鎯x110
4.4環(huán)形諧振器111
4.4.1光傳輸函數(shù)112
4.4.2環(huán)形諧振器實(shí)驗(yàn)結(jié)果113
4.5布拉格光柵濾波器114
4.5.1布拉格光柵理論114
4.5.2布拉格光柵濾波器設(shè)計(jì)116
4.5.3布拉格光柵濾波器實(shí)驗(yàn)123
4.5.4光柵制造的實(shí)證模型127
4.5.5螺旋布拉格光柵132
4.5.6相移布拉格光柵134
4.5.7多周期布拉格光柵135
4.5.8基于光柵的定向耦合器136
4.6問(wèn)題138
4.7仿真代碼138
參考文獻(xiàn)161
第5章光輸入/輸出165
5.1光子芯片與光纖耦合的挑戰(zhàn)165
5.2光柵耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理論167
5.2.3設(shè)計(jì)方法170
5.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果181
5.3邊緣耦合器182
5.3.1納米錐波導(dǎo)邊緣耦合器183
5.3.2層疊波導(dǎo)邊緣耦合器187
5.4偏振188
5.5問(wèn)題190
5.6仿真代碼190
參考文獻(xiàn)217
第3篇光有源器件
第6章光調(diào)制器223
6.1等離子體色散效應(yīng)223
6.1.1硅的載流子濃度相關(guān)性223
6.2pn結(jié)相移器225
6.2.1pn結(jié)載流子分布225
6.2.2光相位響應(yīng)227
6.2.3小信號(hào)響應(yīng)228
6.2.4pn結(jié)TCAD數(shù)值仿真229
6.3微環(huán)調(diào)制231
6.3.1微環(huán)可調(diào)性232
6.3.2小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)234
6.3.3環(huán)形調(diào)制器設(shè)計(jì)235
6.4前向偏置pin結(jié)236
6.4.1可調(diào)光衰減器236
6.5有源可調(diào)238
6.5.1pin相移238
6.5.2熱相移239
6.6熱光開(kāi)關(guān)242
6.7問(wèn)題243
6.8仿真代碼244
參考文獻(xiàn)266
第7章光電探測(cè)器268
7.1性能參數(shù)268
7.1.1響應(yīng)度268
7.1.2帶寬269
7.2光電探測(cè)器制造272
7.3光電探測(cè)器類型274
7.3.1光導(dǎo)探測(cè)器274
7.3.2pin探測(cè)器275
7.3.3雪崩光電探測(cè)器275
7.4光電探測(cè)器設(shè)計(jì)要素278
7.4.1pin結(jié)方向278
7.4.2光電探測(cè)器幾何尺寸279
7.4.3接觸280
7.4.4外部負(fù)載281
7.5光電探測(cè)器建模282
7.5.13DFDTD光學(xué)仿真282
7.5.2電學(xué)仿真285
7.6問(wèn)題288
7.7仿真代碼288
參考文獻(xiàn)302
第8章激光器305
8.1外部激光器305
8.2激光器建模306
8.3協(xié)同封裝308
8.3.1預(yù)制激光器308
8.3.2外部諧振腔激光器309
8.3.3刻蝕嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5單片集成激光器311
8.5.1III-V族單片生長(zhǎng)312
8.5.2鍺激光器313
8.6其他類型激光光源314
8.7問(wèn)題315
參考文獻(xiàn)315
第4篇系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第9章硅光子回路建模323
9.1光子回路建模的必要性323
9.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的器件324
9.3緊促模型325
9.3.1經(jīng)驗(yàn)回路或等效回路326
9.3.2S參數(shù)326
9.4定向耦合器——緊促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS參數(shù)328
9.4.3經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀囗?xiàng)式331
9.4.4S參數(shù)模型的無(wú)源性332
9.5環(huán)形調(diào)制器——回路模型336
9.6光柵耦合器——S參數(shù)338
9.6.1光柵耦合器回路339
9.7仿真代碼340
參考文獻(xiàn)362
第10章硅光子設(shè)計(jì)工具和技術(shù)363
10.1工藝設(shè)計(jì)套件363
10.1.1制造工藝參數(shù)365
10.1.2元器件庫(kù)367
10.1.3原理圖繪制368
10.1.4回路輸出369
10.1.5原理圖生成版圖370
10.1.6設(shè)計(jì)規(guī)則檢查374
10.1.7版圖與原理圖對(duì)照檢查376
10.2掩模版圖377
10.2.1元器件377
10.2.2光電測(cè)試版圖378
10.2.3快速GDS版圖布版方法378
10.2.4有效空間的GDS版圖布版方法379
參考文獻(xiàn)381
第11章硅光子晶圓制造383
11.1制造非均勻性383
11.1.1光刻輪廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均勻性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果386
11.2問(wèn)題393
參考文獻(xiàn)394
第12章硅光子測(cè)試與封裝395
12.1電互連和光互連395
12.1.1光互連395
12.1.2電互連400
12.2光探針自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)402
12.2.1光探針自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)構(gòu)成404
12.2.2測(cè)試軟件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光測(cè)試儀器409
12.3測(cè)試設(shè)計(jì)410
12.3.1光功率預(yù)算412
12.3.2布版注意事項(xiàng)412
12.3.3設(shè)計(jì)審查和核對(duì)表413
參考文獻(xiàn)415
第13章硅光子系統(tǒng)實(shí)例418
13.1基于波分復(fù)用的光發(fā)射器418
13.1.1基于硅微環(huán)WDM的光發(fā)射器原理418
13.1.2共總線WDM光發(fā)射器420
13.1.3調(diào)制–復(fù)用WDM光發(fā)射器421
13.1.4結(jié)論423
參考文獻(xiàn)423
彩圖
譯者序
原書(shū)序
原書(shū)前言
貢獻(xiàn)者
第1篇引言
第1章無(wú)晶圓廠硅光子3
1.1引言3
1.2硅光子：下一個(gè)無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)5
1.2.1光子學(xué)歷史背景6
1.3硅光子應(yīng)用7
1.3.1數(shù)據(jù)通信7
1.4技術(shù)挑戰(zhàn)與研究現(xiàn)狀9
1.4.1波導(dǎo)與無(wú)源器件9
1.4.2調(diào)制器10
1.4.3光電探測(cè)器11
1.4.4光源12
1.4.5光–電集成方法13
1.5機(jī)遇14
1.5.1器件工程14
1.5.2光子系統(tǒng)工程15
1.5.3工具與支持性基礎(chǔ)設(shè)施16
1.5.4基礎(chǔ)科學(xué)17
1.5.5工藝標(biāo)準(zhǔn)化與多項(xiàng)目晶圓發(fā)展18
參考文獻(xiàn)19
第2章硅光子建模與設(shè)計(jì)方法27
2.1光波導(dǎo)模式求解28
2.2光波傳輸29
2.2.1三維時(shí)域有限差分法(3DFDTD)29
2.2.2二維時(shí)域有限差分法(2DFDTD)33
2.2.3其他傳輸仿真方法33
2.2.4無(wú)源光器件35
2.3光電模型35
2.4微波建模36
2.5熱建模36
2.6光子回路建模37
2.7物理版圖38
2.8軟件工具集成38
參考文獻(xiàn)40
第2篇光無(wú)源器件
第3章光學(xué)材料與光波導(dǎo)47
3.1絕緣襯上硅47
3.1.1硅48
3.1.2氧化硅49
3.2光波導(dǎo)50
3.2.1光波導(dǎo)設(shè)計(jì)50
3.2.2一維平板光波導(dǎo)——分析方法51
3.2.3光波導(dǎo)的數(shù)值建模51
3.2.4一維平板波導(dǎo)——數(shù)值仿真51
3.2.5有效折射率法55
3.2.6有效折射率法——解析法56
3.2.7光波導(dǎo)模場(chǎng)分布——2D計(jì)算56
3.2.8光波導(dǎo)寬度——有效折射率60
3.2.9波長(zhǎng)相關(guān)性62
3.2.10光波導(dǎo)的緊促模型64
3.2.11光波導(dǎo)損耗65
3.3彎曲波導(dǎo)66
3.3.1彎曲波導(dǎo)3DFDTD仿真68
3.3.2本征模彎曲模擬69
3.4問(wèn)題71
3.5仿真代碼72
參考文獻(xiàn)90
第4章光器件建模基礎(chǔ)93
4.1定向耦合器93
4.1.1光波導(dǎo)模式求解方法95
4.1.2相位98
4.1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)100
4.1.4FDTD建模100
4.1.5制造敏感性102
4.1.6條形波導(dǎo)103
4.1.7寄生耦合104
4.2Y分支107
4.3馬赫–曾德?tīng)柛缮鎯x110
4.4環(huán)形諧振器111
4.4.1光傳輸函數(shù)112
4.4.2環(huán)形諧振器實(shí)驗(yàn)結(jié)果113
4.5布拉格光柵濾波器114
4.5.1布拉格光柵理論114
4.5.2布拉格光柵濾波器設(shè)計(jì)116
4.5.3布拉格光柵濾波器實(shí)驗(yàn)123
4.5.4光柵制造的實(shí)證模型127
4.5.5螺旋布拉格光柵132
4.5.6相移布拉格光柵134
4.5.7多周期布拉格光柵135
4.5.8基于光柵的定向耦合器136
4.6問(wèn)題138
4.7仿真代碼138
參考文獻(xiàn)161
第5章光輸入/輸出165
5.1光子芯片與光纖耦合的挑戰(zhàn)165
5.2光柵耦合器165
5.2.1性能167
5.2.2耦合理論167
5.2.3設(shè)計(jì)方法170
5.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果181
5.3邊緣耦合器182
5.3.1納米錐波導(dǎo)邊緣耦合器183
5.3.2層疊波導(dǎo)邊緣耦合器187
5.4偏振188
5.5問(wèn)題190
5.6仿真代碼190
參考文獻(xiàn)217
第3篇光有源器件
第6章光調(diào)制器223
6.1等離子體色散效應(yīng)223
6.1.1硅的載流子濃度相關(guān)性223
6.2pn結(jié)相移器225
6.2.1pn結(jié)載流子分布225
6.2.2光相位響應(yīng)227
6.2.3小信號(hào)響應(yīng)228
6.2.4pn結(jié)TCAD數(shù)值仿真229
6.3微環(huán)調(diào)制231
6.3.1微環(huán)可調(diào)性232
6.3.2小信號(hào)調(diào)制響應(yīng)234
6.3.3環(huán)形調(diào)制器設(shè)計(jì)235
6.4前向偏置pin結(jié)236
6.4.1可調(diào)光衰減器236
6.5有源可調(diào)238
6.5.1pin相移238
6.5.2熱相移239
6.6熱光開(kāi)關(guān)242
6.7問(wèn)題243
6.8仿真代碼244
參考文獻(xiàn)266
第7章光電探測(cè)器268
7.1性能參數(shù)268
7.1.1響應(yīng)度268
7.1.2帶寬269
7.2光電探測(cè)器制造272
7.3光電探測(cè)器類型274
7.3.1光導(dǎo)探測(cè)器274
7.3.2pin探測(cè)器275
7.3.3雪崩光電探測(cè)器275
7.4光電探測(cè)器設(shè)計(jì)要素278
7.4.1pin結(jié)方向278
7.4.2光電探測(cè)器幾何尺寸279
7.4.3接觸280
7.4.4外部負(fù)載281
7.5光電探測(cè)器建模282
7.5.13DFDTD光學(xué)仿真282
7.5.2電學(xué)仿真285
7.6問(wèn)題288
7.7仿真代碼288
參考文獻(xiàn)302
第8章激光器305
8.1外部激光器305
8.2激光器建模306
8.3協(xié)同封裝308
8.3.1預(yù)制激光器308
8.3.2外部諧振腔激光器309
8.3.3刻蝕嵌入式外延310
8.4混合集成激光器310
8.5單片集成激光器311
8.5.1III-V族單片生長(zhǎng)312
8.5.2鍺激光器313
8.6其他類型激光光源314
8.7問(wèn)題315
參考文獻(xiàn)315
第4篇系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第9章硅光子回路建模323
9.1光子回路建模的必要性323
9.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的器件324
9.3緊促模型325
9.3.1經(jīng)驗(yàn)回路或等效回路326
9.3.2S參數(shù)326
9.4定向耦合器——緊促模型327
9.4.1FDTD仿真327
9.4.2FDTDS參數(shù)328
9.4.3經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀囗?xiàng)式331
9.4.4S參數(shù)模型的無(wú)源性332
9.5環(huán)形調(diào)制器——回路模型336
9.6光柵耦合器——S參數(shù)338
9.6.1光柵耦合器回路339
9.7仿真代碼340
參考文獻(xiàn)362
第10章硅光子設(shè)計(jì)工具和技術(shù)363
10.1工藝設(shè)計(jì)套件363
10.1.1制造工藝參數(shù)365
10.1.2元器件庫(kù)367
10.1.3原理圖繪制368
10.1.4回路輸出369
10.1.5原理圖生成版圖370
10.1.6設(shè)計(jì)規(guī)則檢查374
10.1.7版圖與原理圖對(duì)照檢查376
10.2掩模版圖377
10.2.1元器件377
10.2.2光電測(cè)試版圖378
10.2.3快速GDS版圖布版方法378
10.2.4有效空間的GDS版圖布版方法379
參考文獻(xiàn)381
第11章硅光子晶圓制造383
11.1制造非均勻性383
11.1.1光刻輪廓384
11.1.2角分析385
11.1.3芯片上非均勻性與實(shí)驗(yàn)結(jié)果386
11.2問(wèn)題393
參考文獻(xiàn)394
第12章硅光子測(cè)試與封裝395
12.1電互連和光互連395
12.1.1光互連395
12.1.2電互連400
12.2光探針自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)402
12.2.1光探針自動(dòng)化測(cè)試臺(tái)構(gòu)成404
12.2.2測(cè)試軟件406
12.2.3操作流程406
12.2.4光測(cè)試儀器409
12.3測(cè)試設(shè)計(jì)410
12.3.1光功率預(yù)算412
12.3.2布版注意事項(xiàng)412
12.3.3設(shè)計(jì)審查和核對(duì)表413
參考文獻(xiàn)415
第13章硅光子系統(tǒng)實(shí)例418
13.1基于波分復(fù)用的光發(fā)射器418
13.1.1基于硅微環(huán)WDM的光發(fā)射器原理418
13.1.2共總線WDM光發(fā)射器420
13.1.3調(diào)制–復(fù)用WDM光發(fā)射器421
13.1.4結(jié)論423
參考文獻(xiàn)423
彩圖
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硅光子設(shè)計(jì)——從器件到系統(tǒng) 節(jié)選
第1篇 引言 第1章 無(wú)晶圓廠硅光子 1.1 引言 將光子器件和電子器件集成在同一襯底上使得通信與微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)生了革命性的變化，在未來(lái)幾年將出現(xiàn)通過(guò)將大規(guī)模光子集成與電子集成相結(jié)合的全新的片上系統(tǒng) (System-on-Chip， SoC)。 電-光回路將在全球范圍內(nèi)發(fā)揮無(wú)處不在的作用，影響諸如移動(dòng)設(shè)備 (智能手機(jī)、平板電腦) 的高速通信、計(jì)算機(jī)內(nèi)部以及數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的光通信、傳感器系統(tǒng)和醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域。特別地，我們預(yù)計(jì)通信、數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算等可能會(huì)*早受到這項(xiàng)技術(shù)的影響，這項(xiàng)技術(shù)*終將轉(zhuǎn)移到更大容量、更短距離的消費(fèi)應(yīng)用程序中。 在 20 世紀(jì) 70 年代新興的電子領(lǐng)域，施樂(lè)帕克研究中心 (Xerox PARC) 的Lynn Conway 和加州理工學(xué)院的 Carver Mead 教授研發(fā)了一種電子設(shè)計(jì)方法學(xué)，并因此寫了一本教材，教學(xué)生如何設(shè)計(jì)電子集成電路，并通過(guò)多項(xiàng)目晶圓 (Multi-Project Wafer， MPW) 的方式由 Intel 和惠普制造，即多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)共享同一個(gè)制造過(guò)程 [1]。這些努力促成了一個(gè)名為金屬氧化物半導(dǎo)體實(shí)施服務(wù) (MetalOxide Semicondutor Implementation Service， MOSIS) 的組織在 1981 年成立，該組織引入了由參與者分?jǐn)傊圃斐杀镜哪Ｊ健＝?jīng)由 MOSIS 可以提供相對(duì)較便宜的設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試周期，并可持續(xù)培訓(xùn)開(kāi)發(fā)，我們現(xiàn)在看到的無(wú)處不在的電子產(chǎn)品與成千上萬(wàn)的設(shè)計(jì)師有關(guān)。MOSIS 是基于已經(jīng)投入生產(chǎn)的商業(yè)流程開(kāi)始的，并將其開(kāi)放給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和研究。 微電子團(tuán)隊(duì)，特別是 CMOS 團(tuán)隊(duì)能長(zhǎng)期取得成功的關(guān)鍵因素之一，就是采用這種由參與者分?jǐn)傊圃斐杀镜哪Ｊ健Ｍㄟ^(guò)收取適當(dāng)?shù)某杀荆_(kāi)提供這些批量生產(chǎn)流程服務(wù)于研發(fā)。任何資金有限的人都可以立即進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)的流程中進(jìn)行*前沿的、創(chuàng)造性的工作。培養(yǎng)工程師們使用生產(chǎn)工具和流程，然后讓他們自由構(gòu)建先進(jìn)的電路，這些電路可以用有限的資金轉(zhuǎn)化為無(wú)晶圓廠的集成電路 (IntegratedCircuit，IC) 初創(chuàng)公司，這一直是無(wú)數(shù)成功企業(yè)的來(lái)源。我們很難過(guò)分地去強(qiáng)調(diào)這種模式與光子學(xué) (以及大多數(shù)工程領(lǐng)域) 之間的差異，后者從研究到生產(chǎn)的過(guò)程中還存在著巨大的障礙。 目前，硅光電子學(xué)正處于與 20 世紀(jì) 70 年代電子學(xué)一樣的早期發(fā)展階段，但在芯片制造方面有一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)有的硅晶圓代工廠已經(jīng)存在，可以生產(chǎn)高度可控的微電子用硅片 (圖 1.1)。在微電子行業(yè)，硅光子制造的微加工基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在。一些公司正在生產(chǎn)硅光子芯片，如 Luxtera 公司的硅光子芯片已在高性能計(jì)算機(jī)集群中使用 [2]。目前，我們正處于一個(gè)重要的變革中，學(xué)術(shù)界、學(xué)者和工業(yè)界都可以通過(guò) ePIXfab[3]、IME[4.6]、CMC Microsystems[9] 等公司提供的多項(xiàng)目晶圓服務(wù)獲得有源硅光子制造的機(jī)會(huì)。然而，目前面向大眾可用的制造工藝都不符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，它們尚處于原型設(shè)計(jì)和研發(fā)中，僅支持非常有限的產(chǎn)量。由于商業(yè)用戶不愿意依賴非生產(chǎn)驗(yàn)證的流程來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，因此無(wú)法利用已有的商業(yè)化制造工藝，這是 OpSIS 成功的一個(gè)重大障礙，OpSIS *近關(guān)閉了，原因是來(lái)自研究用戶和資助者的資金不足以讓這項(xiàng)工作繼續(xù)進(jìn)行下去，也不能開(kāi)發(fā)出適合商業(yè)化使用的工藝。 圖 1.1 8in SOI(絕緣襯上硅) 晶圓和集成光子器件、回路 [10] 譯者注: 1in=25.4mm 幸運(yùn)的是，硅材料允許我們以一個(gè)相當(dāng)有競(jìng)爭(zhēng)力的性能水平來(lái)完成所有關(guān)鍵的光學(xué)功能，除了激光器之外，如圖 1.2 所示。*近有很多關(guān)于在硅中單片集成激光的量子點(diǎn)和鍺生長(zhǎng)相關(guān)的工作正在進(jìn)行，而且非常有趣 [7]。微電子行業(yè)繼承下來(lái)的鍵合技術(shù)，有可能以相對(duì)較低的成本鍵合激光器，如通過(guò)類似于 Intel 和Aurrion 公司的前端集成，或通過(guò)成品激光芯片裸片鍵合 [8]。這些方法仍在研發(fā)中，但可以明確的是，在與硅平臺(tái)集成的各種層面上，有幾種實(shí)用的方法可用來(lái)制造廉價(jià)的激光光源。哪種方法*佳，還有待觀察。 圖 1.2 硅光子典型工藝，包括光柵耦合器、鍺光電探測(cè)器、波導(dǎo)、調(diào)制器和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管。注意：目前在硅光子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行的大多數(shù)先進(jìn)的工作并不采用與晶體管的單片集成，而是利用 3D 或 2.5D 集成 [10] 1.2 硅光子：下一個(gè)無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)à 為制造微電子晶體管而發(fā)展起來(lái)的代工廠和制造工藝正在被重新設(shè)計(jì)，以用于制造硅光子芯片，使其可以進(jìn)行發(fā)光、探測(cè)、調(diào)制等其他對(duì)光的操控。這在一定程度上有點(diǎn)違背直覺(jué)，因?yàn)槲㈦娮有袠I(yè)為了制造出**的晶體管，在開(kāi)發(fā)工具、工藝和設(shè)施上投入了數(shù)萬(wàn)億美元的資金，卻沒(méi)有考慮到如何使這些工藝與光子學(xué)兼容 (CMOS 和 CCD 相機(jī)芯片等器件的工藝除外)。我們?cè)趺磿?huì)如此幸運(yùn)地將這些功能直接用于光子學(xué)？ 實(shí)際上，它們是不能直接拿來(lái)用的。試圖將光子功能直接集成到 CMOS 或雙極型硅晶圓中，而不做任何工藝上的改變，都會(huì)生產(chǎn)出性能不佳的器件。微電子工藝是為制造電子產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的，因此它們不能用于具有競(jìng)爭(zhēng)力的光子產(chǎn)品也是情理之中。即使可以，也不會(huì)有經(jīng)濟(jì)效益。與先進(jìn)的微電子芯片 (16nm) 相比，硅光子芯片需要相對(duì)原始的制造工藝 (90nm)。從性能和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，嘗試將先進(jìn)的微電子制造技術(shù)用于光子芯片制造是一個(gè)錯(cuò)誤。 沒(méi)有任何理由期望用于制造集成電路的工藝與制造控制光的器件的工藝是完全兼容的。但是，在過(guò)去的十年里，人們發(fā)現(xiàn)硅不僅是一種很好的電子材料，還是一種很好的光子材料。更令人驚嘆的是，硅光子學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了可以利用現(xiàn)有的 CMOS 工藝的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)構(gòu)建復(fù)雜的光子回路的技術(shù)，信息可以實(shí)現(xiàn)從電域到光域的無(wú)縫傳輸。雖然用于制造集成電路的全部工藝流程不能被重復(fù)使用，但模塊化的工藝步驟可以重新安排和重復(fù)使用，以開(kāi)發(fā)獨(dú)特的工藝流程來(lái)構(gòu)建硅光子學(xué)。這不是一件小事，一些組織已證實(shí)，這是有可能的。 現(xiàn)在出現(xiàn)了一些充滿生機(jī)與活力的公司和學(xué)術(shù)團(tuán)體，他們使用過(guò)去 50 年來(lái)在硅微電子工業(yè)中發(fā)展起來(lái)的材料和技術(shù)，并重新利用它們來(lái)構(gòu)建光子器件和光回路。這項(xiàng)工作特別引人注目的是，許多工作并不只是在單獨(dú)的設(shè)施中使用相同的設(shè)備，而是使用與常規(guī) CMOS 晶體管制造過(guò)程完全相同的工具和設(shè)施。值得注意的是，在這些設(shè)施中有一些限制因素：被證明與 CMOS 工藝不兼容的材料被禁用；工藝和回路設(shè)計(jì)必須保證制造時(shí)不會(huì)損害或污染工具；在先進(jìn)的制造工藝中，CMOS 兼容制造設(shè)施中的掩模和工藝開(kāi)發(fā)成本也可能非常高 [11]。但是，如果能夠直接利用建設(shè)現(xiàn)代化 CMOS 設(shè)施的數(shù)億美元的投資來(lái)構(gòu)建硅光子制造系統(tǒng)，那就意味著立即有了一條直接的、快速的商業(yè)化和大規(guī)模生產(chǎn)的途徑。 1.2.1 光子學(xué)歷史背景 到目前為止，無(wú)晶圓廠光子企業(yè)的機(jī)會(huì)很少。 從以往看，光子學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，針對(duì)特定的應(yīng)用，采用不同的材料。其工藝已經(jīng)高度專業(yè)化。單個(gè)器件被單獨(dú)封裝，并通過(guò)光纖連接在一起。因此在通信系統(tǒng)中采用多種不同材料體系制造的芯片的情況并不少見(jiàn)。基于射頻 (RF)CMOS或雙極工藝的高帶寬電子器件 (如串行器和解串行器)、基于 FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列) 或高比例 CMOS 的數(shù)字組件 (如控制回路)、基于玻璃擴(kuò)散波導(dǎo)的光復(fù)用器 (如陣列波導(dǎo)光柵) 和無(wú)源器件、基于鈮酸鋰的調(diào)制器、基于磷化銦的激光器、基于鍺的探測(cè)器以及基于 MEMS 的光開(kāi)關(guān)，這些器件的制造工藝彼此不兼容。不同類型的器件只有采用相應(yīng)的材料制作才能得到*佳的性能，這就意味著，在大多數(shù)情況下，光子器件是在特殊制造設(shè)備中生產(chǎn)的，產(chǎn)量極低。這就導(dǎo)致了器件的高成本，因?yàn)橄噍^于微電子工業(yè)的規(guī)模，很少有光子器件稱得上是真正高產(chǎn)量的。**能與之接近的是垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)(它是經(jīng)由晶圓規(guī)模技術(shù)制造的，作為分立器件使用) 和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò) (PON Network) 的組件 (同樣，它是經(jīng)由晶圓規(guī)模技術(shù)制造的直接調(diào)制激光器，但它們作為獨(dú)立的分立器件使用)。 雖然分立光子器件之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光纖和連接器連接，但*終器件成本和損耗很大。一部分來(lái)自光電子封裝工藝，通常需要亞微米級(jí)精度的五軸和六軸對(duì)準(zhǔn)；一部分來(lái)自封裝本身，器件封裝通常是密封的，有時(shí)甚至還需鍍金。同樣，這也造成了光子元件和系統(tǒng)的高成本。 硅光子技術(shù)的巨大前景在于將多種功能集成到一個(gè)單一的封裝中，并使用與制造先進(jìn)微電子技術(shù)相同的制造設(shè)備的大部分或全部功能，作為單一芯片或芯片堆棧的一部分 (圖 1.3 和圖 1.4)。這樣做將從根本上降低通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)的成本，并將為各種新的光子學(xué)應(yīng)用創(chuàng)造機(jī)會(huì)，以極低的成本構(gòu)建高復(fù)雜度系統(tǒng)。 圖 1.3 IME A*STAR(科學(xué)、技術(shù)和研究機(jī)構(gòu)) 制造的 SOI 光子芯片
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