高速光调制器高效光耦合接口研究文献综述

 2022-09-24 11:51:06

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  1. 文献综述（或调研报告）：

光子引线键合是一种新型的单模芯片间互连技术。电子技术的引线键合是通过金属线键将集成电路连接到外部世界，与其类似，光子引线键合是通过透明聚合物波导来连接位于不同芯片上的纳米光子电路之间的缝隙。

光子集成的特点是多个集成平台共存，每个平台都具有特定的优势：硅绝缘体(SOI)非常适合于无源器件、光电调制器和锗光电探测器的密集集成，以及使用成熟CMOS工艺的电子线路[[1]]。III-V材料使有效的光源和放大器成为可能。由氧化硅、氮化硅或聚合物制成的波导是高质量光学滤波器和其他无源元件的主要材料[[2]][[3]]。因此，基本上所有光学功能的高性能组件都是现成的。将各种集成平台的优势结合到柔性多芯片装配中，可以大大降低技术复杂度，提高系统性能[[4]]。

利用光子引线键合可以实现光子多芯片系统，将其作为芯片之间和芯片与光纤之间的互连。图1是一个基于光子线键合的光子多芯片系统的透视图。在数值孔径较大的脉冲激光束聚焦下，在原位采用负性抗腐蚀剂双光子聚合(TPP)制备引线键合。双光子光刻技术有很多有优点，第一可以使得特征尺寸小于曝光波长的衍射极限[[5]]；第二可以实现将独立的单模聚合物波导直接连接到芯片上的光子电路[[6]]；第三利用直接写入双光子光刻技术在光学芯片之间原位制备三维自由波导，可以达到低耦合损耗、小内存占用和整个组装的高成品率,以及使用自动化流程进行大规模生产的要求[[7]]。

图 1基于光子引线键合的光子多芯片系统的透视图：光子芯片（芯片1，芯片2）和光纤安装在共同的基座上，并嵌入光敏抗蚀剂中。然后用聚焦的双光子聚合的脉冲激光束来定义三维自由形式的光子线键(在抗蚀剂体中的PWB结构)。

所设想的多芯片系统的制造包括几个步骤。首先，使用具有适度精度的标准拾放机械将光纤和光子芯片固定到公共基座上。然后将互连区域嵌入光敏电阻中，并检测光敏电阻中波导面和耦合结构的实际位置。这个过程可以使用现有的具有亚微米分辨率的3D机器视觉技术在自动化过程中完成。PWB波导的形状与集成波导面的实际位置相适应，从而使光学器件的高精度对准变得过时。在直接写入TPP光刻之后，去除未曝光的抗蚀剂材料，并且将结构嵌入低折射率包覆材料中。

光子引线键合允许面外和面内耦合[[8]]，从而提供了一种在自动化工业生产过程中将不同波导技术的光子芯片连接起来的灵活的方式。对于芯片间互连，PWB波导的横向尺寸一般为1~2 um，互连间距可以小于5 um。因此，每毫米芯片边缘可容纳数百条互连线，或每平方毫米芯片表面可容纳数万条PWB链路。

目前已经验证了三维自由形状光子引线键合的制备，并通过光学表征和5.25 Tbit/s的高速数据传输验证了该器件的可行性[[9]]。在2011年推出的第一代PWB结构具有高损耗[[10]]，但其最新的原型允许有效的宽带耦合，在1240 nm到1580 nm之间平均插入损耗仅为2.5 dB，在红外通信C波段(1530~1565nm)为1.6dB。在柔性多芯片系统中，光子线键合可以实现不同光子器件技术的协同集成，这一概念对光子集成电路的产业化部署具有重要意义。

光子引线键合用于芯片之间连接是基本可行的，但需要进一步的研究才能将这一概念转化为真正广泛应用的互连技术。这有几个关键部分，第一是制造过程的再现性，因为光子引线键合相对于片上波导的高精度定位是非常重要。第二是PWB结构的长期稳定性，需要进一步的研究，来系统地评估可通过双光子聚合构造的不同抗蚀剂材料。第三是片上波导与单模光纤之间的PWB接口：对于独立的光子线键，目前的范围仅限于1 mm以下的典型值。因此，连接几厘米距离的光学芯片仍将依赖于光纤，并且需要先进的光纤芯片耦合方案。

III-V光源与硅光子电路的有效耦合是集成光学的关键问题之一。目前已经证明的磷化铟(InP)光源和硅光子芯片之间最有效的接口，是将基于磷化铟(InP)的水平腔面发射激光器连接到无源硅光子电路中[[11]]。

图 2一种用于波分复用通信的光子多芯片发射机：该系统利用PWBs结合不同光子集成平台的独特优势:DFB激光器是基于直接带隙InP基板实现的，而SiP芯片本身可以实现电光调制器。

利用光子引线键合技术能够实现磷化铟(InP)光源与SiP芯片的高柔性低损耗耦合，并保持混合集成方法的所有性能和灵活性的优势，同时还可以将其推广到高度可扩展的自动化批量生产中[[12]]。同样光子引线键合的三维（3D）形状可以适应芯片的精确位置，从而不再需要芯片的高精度对准，使得该技术适合于自动化大规模生产[[13]]。有实验证明基于InP的水平腔表面发射激光器（HCSEL）和SiP芯片之间的高效耦合，耦合损耗可以低至0.4 dB。如图2，给出了一种由光子线键(PWBs)实现的混合光子多芯片模块(MCM)。多芯片系统的功能在很大程度上依赖于由PWBs实现的高效芯片间互连和芯片与光纤间互连。这项工作的重点是连接InP激光器和SiP芯片的低损耗的PWB(红色)[[14]]。

在这些组件中，激光源是并排放置在SiP芯片上，因此到底层芯片级散热器有良好的热耦合，而不消耗任何芯片上的内存。实验证实，光子引线键合工艺不会影响激光器的发射性能[13]。再结合之前已经得到的结论——PWBs能够实现特别高效的芯片到芯片和光纤到芯片连接[[15]]，还可以将光子线键合推进到通用集成平台，该平台用于混合光子多芯片组件，这些组件结合了已知的良好的不同材料的模具，同时还保持各自的高性能特性。
  1. 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：

图3是总系统的结构框图，虚线框内是本次的工作内容——高速光调制器高效光耦合接口研究。

在微纳光子芯片的光耦合技术中，往往是纵向（端面）或立体（表面）耦合方式的一种或多种，包括芯片侧的SSC和光栅的应用、光纤侧的特殊端面处理以及光纤－芯片间加装分立元件及近年来出现的3D打印制作柔性波导、任意形状透镜等三个方面。使用光子引线键合PWB技术，调制器芯片波导入/出端通过一段柔性光子引线与其它有源/无源芯片入/出端或单模光纤连接，可完成高效光耦合。查找收集柔性波导接口参数及工艺，使用CST Microwave Studio软件，进行模型的建立和数据的仿真。对柔性波导等耦合接口方案及实现工艺进行优化设计。最终达到提高芯片波导输入输出端口的耦合效率，减小耦合损耗的目的。下面是具体的设计方案。

图 3 总系统的结构框图

1.设计方案

光纤和绝缘体上硅（SOI）芯片之间用光子引线键合（PWB）相连接，如图4所示。选择PWB轨迹，使其适应要连接的结构的位置和光轴。必须避免像芯片或光纤边缘这样的障碍，并且要在长互连和尖锐的波导弯曲之间找到一个很好的折衷方案。

图 4 光纤和SOI芯片之间的PWB的示意图

在MCF和PWB之间的接口处使用的线性正向锥形结构，如图5所示。锥形从PWB的圆形横截面开始（dPWB = dtaper,1 =2mu;m），并且在光纤端面处以较大直径dtaper的圆形横截面结束。该锥形末端直径针对最小插入损耗进行了优化，并且结果大于光纤芯直径dMCF =8mu;m，因为PWB的芯和包层之间的相对折射率差异（nPWB,core = 1.53 nPWB,clad =1.34, Delta;PWB =13% at 1550 nm）远大于光纤（Delta;PWB = 0.54% at 1550 nm）。

图 5 MCF和PWB之间的接口处的锥形结构

PWB和SOI波导之间模态场匹配是3D双锥结构。如图6，SOI 波导以横向倒向锥形部分结束（“倒置锥形”），而PWB具有横向和垂直向下渐缩的部分，以将SOI波导模式绝热地转换为PWB的波导模式。PWB波导部分逐渐将其横截面从矩形变为圆形。如图7，SOI 波导尖端的宽度为wtip = 80nm。SOI 波导锥形连接到直的SOI 波导，其横截面为wSi = 500nm，hSi = 220nm。从该尖端测量，所研究的SOI 波导锥形长度介于lSi =40mu;m和lSi =100mu;m之间。PWB锥形具有wPWB,taper,1 =0.76mu;m，hPWB,taper,1 =0.45mu;m的矩形横截面，并且在PWB波导部分处以hpwB,taper,2=2mu;m，wpwB,taper,2 =2mu;m的矩形横截面结束。PWB锥形的长度固定为 LPWB,taper =80mu;m。为清楚起见，此处未显示较低折射率的包层材料。

图 6 PWB和SOI波导之间的双锥3D结构

图 7 PWB和SOI波导之间结构的剖面图

基于反锥形硅纳米线和SU-8（n = 1.57,1550 nm）互连波导的低损耗PWB设计，如图8所示。PWB嵌入低折射率外包层（Cytop，在1550nm处n = 1.34）。同时，可以实现前所未有的空间互连密度：PWB宽度为w = 1.4um，高度为h =1mu;m，允许小于5mu;m的互连间距。锥形PWB部分的长度为L = 20微米; 反锥形SO1波导部分长约30微米。使用CST Microwave Studio进行仿真模拟，计算在1300nm~1600nm全波长范围内不同尖端宽度wtip的倒锥形的纳米线-PWB结的传输效率。

图 8 硅纳米线和SU-8互连波导之间的PWB

图9是PWB原型的横向视图。如图所示，PWB将会补偿芯片1和芯片2的表面之间的Delta;h=12mu;m的高度差。顶点的高度等于h Delta;h=30mu;m。 PWB波导具有大约2mu;mX1.6mu;m的近似矩形的横截面。

图 9 PWB原型的横向视图

2.建模和仿真

集成波导与PWB互连线之间的宽带耦合是实现最大数据传输能力的关键。为此，我们使用了沿横向倒向变细的SOI波导，并将其与聚合物PWB的3D锥体相结合，如图10所示。

图 10 SOI波导与PWB之间的倒锥过渡

利用商用全矢量时域求解器(CST微波工作室)对集成SOI波导与PWB部分之间的过渡进行仿真。在所建的模型中，SOI波导由500nm宽和220nm高的硅条(折射率nsi= 3.48, 1550nm)组成，沉积在二氧化硅缓冲层(nsio2 = 1.44, 1550nm)上。PWB波导芯由聚合物材料(SU-8, nsu8 = 1.57, 1550 nm)制成，具有1.4 um宽度和1 um高度的矩形截面，可实现单模传播。在过渡区域中，SOI波导宽度在32mu;m的长度上逐渐减小到20nm和100nm之间的尖端宽度wtip。反向SOI锥形由PWB的3D聚合物锥形包围，初始高度为450nm，初始宽度为760nm，长度为20mu;m。PWB波导芯浸入低折射率包层（例如，Cytop，nCy =1.34,1550nm）。如图11，PWB和SOI波导之间的过渡结构，蓝色部分为聚合物材料SU-8，红的部分是Si。

图 11 PWB和SOI波导之间的过渡结构

图12中所示的PWB引线键合在两个SOI波导尖端之间桥接大约100mu;m的距离。它补偿了波导轴的横向位移，水平方向约为25微米，垂直方向为12微米。四阶多项式用于定义连接两个SOI波导尖端的3D PWB轨迹，以确保SOI波导和PWB之间的无扭折过渡。PWB顶点位于上芯片顶部表面以上18 um的高度。

图 12 PWB和SOI波导之间的过渡结构

设计不同的倒置SOI锥体，长度范围从20微米到100微米，尖端宽度在80 nm到100 nm之间，通过仿真测量其传输损耗和耦合效率。在设计中，将会考虑到底层制造工艺的局限性，几何参数是从一些系统试验中获得的。该结构不代表整体最佳，通过系统的数值优化可以进一步提高耦合效率。（PWB聚合物波导中的吸收损失通常可以忽略不计:普遍的TPP光刻胶的块体材料吸收损失范围为0.5dB / cm至3dB / cm，而PWB的长度通常小于0.1 cm）。
  1. 进度安排：

起止日期

工作内容

备注

2018.11-2019.2

查文献、调研、翻译资料

2019.2-3

方案论证、撰写开题报告

2019.3

毕业设计开题

2019.3-4

耦合接口设计建模

2019.4

毕业设计期中检查

2019.5-6

耦合接口优化；撰写论文、申请专利

2019.6

毕业设计答辩

  1. [] Wang C, Zhang M, Chen X, et al. Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages[J]. Nature, 2018, 562(7725):101-104. uarr;

  2. [] Sorianello V, Midrio M, Contestabile G, et al. Graphene–silicon phase modulators with gigahertz bandwidth[J]. Nature Photonics, 2018, 12(1):40-44. uarr;

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  12. [] N. Lindenmann, S. Dottermusch, M. L. Goedecke, T. Hoose, M. R. Billah, T. P. Onanuga, A. Hofmann, W. Freude, and C. Koos, “Connecting silicon photonic circuits to multicore fibers by photonic wire bonding,” J. Lightwave Technol. 33, 755–760 (2015). uarr;

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  15. [] N. Lindenmann, G. Balthasar, D. Hillerkuss, R. Schmogrow, M. Jordan, J. Leuthold, W. Freude, and C. Koos, “Photonic wire bonding: a novel concept for chip-scale interconnects,” Opt. Express 20, 17667–17677 (2012). uarr;

资料编号：[180113]

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