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随着光网络通信容量的高速增长, 将分立的光学器件集成化以减小器件尺寸、降低成本成为光电子器件发展的必然趋势。光子集成回路具有尺寸小、功耗低、质量轻等优点, 是解决未来宽带光网络能耗大、体积大、容量小等问题的关键技术。综述了基于多项目晶圆流片的规模化光子集成技术, 主要包括硅基光子集成技术、Ⅲ-V族磷化铟集成技术, 以及以氮化硅和二氧化硅多层波导结构为基础的TriPleX集成技术; 介绍了目前可以提供这3种多项目晶圆流片光子集成技术的代工平台以及利用这些代工平台实现的一些光子集成芯片, 并对这些平台的工艺参数进行了比较。
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激光与光电子学进展
,
(
)
«
中国激光
»
杂志社
基于多项目晶圆流片的规模化光子集成技术
郑
秀
,
,
刘
永
,
电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室
,
四川 成都
;
电子科技大学核心电子材料与器件协同创新中心
,
四川 成都
摘要
随着光网络通信容量的高速增长
,
将分立的光学 器件 集成 化以 减小 器件 尺寸
、
降 低 成 本 成 为 光 电 子 器 件 发
展的必然趋势
.
光子集成回路具有尺寸小
、
功耗低
、
质量轻等优点
,
是解决未 来宽带 光 网络能 耗 大
、
体积 大
、
容量 小
等问题的关键技术
.
综述了基于多项目晶圆流片的规模化光子集 成 技术
,
主要 包 括硅基 光 子集成 技 术
、
族磷
化铟集成技术
,
以及以氮化硅和二氧化硅多层波导结构为基础的
集成技术
;
介绍了目前可以提供这
种多
项目晶圆流片光子集成技术的代工平台以及利用这些代工平台实现的一些光子集 成 芯片
,
并对 这 些平台 的 工艺参
数进行了比较
.
关键词
集成光学
;
光子集成器件
;
多项目晶圆流片
;
光子集成回路
;
硅基光电子学
;
磷化铟
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
/
Lar
g
eGScalePhotonicInte
g
rationTechnolo
g
iesBasedon
MultiGPro
j
ectWaferFlowSheet
StateKe
y
Laborator
y
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f
ElectronicThinFilmsandInte
g
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Schoolo
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O
p
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Chen
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Sichuan
China
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y
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f
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gy
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f
China
Chen
g
du
Sichuan
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
收到修改 稿日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金
(
,
)、
核心电子材料与器件协同创新中心基金
(
)
作者简介
:
郑
秀
(
—),
女
,
博士研究生
,
主要从事光子集成方面的研究
.
:
_
_
导师简介
:
刘
永
(
—),
男
,
博士
,
教授
,
博士生导师
,
主要从事光电子技术方面的研究
.
:
(
通信联系人
)
,
(
)
激光与光电子学进展
引
言
信息技术的高速发展对光纤通信网络容量提出了更高的要求
,
尤其是自云计算
、
大数据以及物联网的概
念被提出以后
,
人们对于光网络带宽的需求飞速增长
.
现有的基于分立元件的 光通 信系 统在 功耗
、
体积
、
容
量等方面都难以满足未来光网络的需求
,
必须将大量光电子器件集成在芯片上
,
因此光子集成回路
(
)
技
术逐渐成为研究的热点
.
集成光学的概念由美国贝尔实验室的研究人员在
年提出
[
]
,
其主要目标是将大量的光学器件集成
在一个衬底芯片上
,
以形成
[
]
.
在光纤通信系统中
,
的目的是将激光器
、
光调制器
、
探测器等组件通
过波导连接
,
并将它们集成在同一衬底上
,
从而形成一个具有独立功能特性的器件
.
相对于传统的分立元件
系统
,
具有尺寸小
、
功耗低
、
传输损耗小
、
质量轻等优点
,
是未来宽带光网络的发展方向
[
]
.
目前实现
的集成技术主要有
种
,
分别为硅基光 子
(
)
集成 技术
[
]
、
基于
族磷 化铟
(
)
的
集成技术
[
]
以及多层波导
集成技术
[
]
.
集成技术是一种采用硅材料和与之工艺兼容的其他材
料组成的集成技术
;
集成技术是从
中分离出的一种集成技术
,
其结构由氮化硅
(
)
和二氧化
硅
(
)
多层堆叠而成
[
]
,
这两种技术的制造工艺都与成熟的互补金属氧化物半导体
(
)
工艺相兼容
,
成本较低
.
然而
,
由于硅为间接带隙材料
,
发光效率低
,
电光效应非常小
,
因此其本身并不适用于有源器件的
制作
,
尤其不适用于 实 现 片 上 发 光
.
硅 在
的 波 长 范 围 内 透 明
[
]
,
材 料 损 耗 极 低
,
加 工 工 艺 与
技术兼容
,
这些特点使得
和
集成技术更适用于无源器件的大规模集成
.
目前
,
国内外已
有相关的基于
实现单片集成的激光 器
、
调制 器和 探测 器的 报道
[
]
,
且许 多调 制器
、
探测器 的 性能都 非
常优异
.
对于
集成技术
,
尽管已经有一 些单 片集 成有 源器 件的 报道
[
]
,
但其 研 究主要 集 中在无 源
波导上
.
由于
族
为直接带隙材料
,
容易实现光发射和光放大功能
,
在实 现激 光器 和光 放大 器等 有
源器件方面具有非常好的性能
,
因此基于
族
的集成技术可以在一个平台上同时实现有源器件及无
源器件的规模化集成
.
目前的光电子集成器件的集成度远不如微电子器件的好
,
其主要原因是目前还没有符合市场需求的
、
可
实现
大规模集成的标准化集成技术和与之相适应的生产线
.
年
,
公司 采用 基于
的集
成技术实现了高达
偏振复用 正交 相移 键控
(
)
调制的 光 发射及 接 收两种 芯 片
[
]
,
其单个
芯片的功能元件数量已经分别超过
个和
个
.
然而
,
该技 术目 前还 处于
公司 的定 制研 究阶
段
,
其研发平台也没有向广大研究人员开放
.
由于光电子集成平台投资巨大
,
绝大部分光电子集成领域的研
究单位不可能建有像
公司那样的集成平台
,
但同时又希望能将创新性思路变成现实
,
这就促使光电
子领域也产生了类似微电子的代工平台
.
这些代工平台通过开放多项目晶圆
(
)
流片 服务 来实 现工 艺
流程的规模化
,
其优点在于
:
)
代工平台可以通过
来优化其稳定标准的工艺组件
;
)
设计者通过分摊
代工平台流片的加工和掩模成本
,
以相较于定制化服务低很多的价格获得自己设计的芯片
.
本文 将分 别介
绍基于
流片的
、
以及
集成技术的现状
,
并介绍一些通过
流片实现的集成芯片
.
流片服务
流片服务是指在同一片晶圆上实现不同企业
、
高校和研究所的研究人员所设计的不同结构
,
如图
所示
[
]
.
设计者只需遵循代工平台所提供的设计规则
,
利用代工平台所提供的有源
、
无源器件库去设计自己的芯
片结构
,
节省了所需标准元器件的设计时间
.
代工平台的工作人员不需要具体了解 设计 者所 设计 芯片 的理
论及其应用
,
只需检查收到的设计是否符合代工平台的标准设计规则
,
当设计满足代工平台的标准化工艺要
求时
,
将不同的设计结合在一个晶圆上
,
通过标准的工艺生产过程来完成整 个晶 圆的 集成 工艺 加工
.
可见
,
流片服务使不同的设计者通过分享晶圆空间而分摊了高昂的掩模和流片加工费用
.
同时
,
流片
借助标准化的设计和加工工艺有望实现光电子器件的规模化集成
.
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