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Di Liang、Mengyue Xu、Long Chen、Haisheng Rong、Andreas Bechtolsheim

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发表于：IEEE量子电子学精选主题期刊 (第30卷，第4期：超越硅和磷化铟平台的高级调制与集成，2024年7月至8月)
文章序列号：1000703
出版日期：2024年9月5日
ISSN信息：

点--销售晶圆和加工

Al2O3晶圆；--紫外光波导平台

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；用于碳化硅光子集成线路的高纯半绝缘碳化硅薄膜衬底

LTOI晶圆；铌酸锂的最有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

划片和端面抛光，

减薄和包层CMP抛光

等离子刻蚀和划片，

EBL和6寸 150nmDUV加工微纳结构

激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN镀膜刻蚀,ZnO,HfO2。al2o3。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

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1.以下是对高级光调制器研究经验的中文概述：

这些作者在高级光调制器和集成光子学领域具有广泛且深厚的兴趣和经验。Di Liang教授在加州大学圣巴巴拉分校、惠普实验室和阿里云计算中心，以及目前在密歇根大学，从事硅光子学（SiPh）和异质光子集成的研究和产品开发已有17年以上的经验。Xu Mengyue博士是密歇根大学的资深研究人员，专注于铌酸锂（LiNbO3）器件和硅光子学的研究。Long Chen博士目前是思科（Cisco）的杰出工程师，曾在Acacia公司工作，领导了从100 Gbps（30 Gbaud）到1200 Gbps（140 Gbaud）的硅光子相干光子集成电路（PIC）模块产品的开发。Haisheng Rong博士是英特尔实验室的高级首席工程师兼研发经理，是硅光子领域拥有超过20年经验的知名领军人物。Andreas Bechtolsheim博士是全球公认的技术和产业领袖，曾共同创立了Sun Microsystems和Arista Networks

2.硅光子调制器经过数十年的广泛研究和开发已经成熟，您认为当前技术的瓶颈是什么？

确实，硅光子（SiPh）调制器可以说是最被广泛研究的纯硅有源光子器件，自Soref等人研究硅的电光效应以来，它取得了最大的技术进展[1]。由于硅的中心对称晶体结构，其缺乏许多III-V化合物中常见的强非线性电光效应。在基于等离子色散效应的基础上，全球范围内学术界和工业界的不断创新，使得数据速率在过去25年内提高了三个数量级。调制速度从非归零（NRZ）格式下的100 Mb/s水平提高到如今使用4级脉冲幅度调制（PAM4）的224 Gb/s，再到使用8级脉冲幅度调制（PAM8）的300 Gb/s以上[2][3]，以及在相干双偏振（DP）64-QAM格式下达到1 Tb/s[4]。在三种主要调制器结构中，即p-i-n载流子注入型、p-n载流子耗尽型和金属-氧化物-半导体电容器（MOSCAP）载流子累积/反转型[5]，占主导地位的是耗尽型，因为其具有快速漂移速度和简单的制造工艺。

与此同时，数百万量产的硅光子调制器（以MZI结构为主）已部署在数据中心内部（IDC）应用中，支持强度调制直接检测（IMDD）格式，速度高达200 Gb/s（100 Gbaud）；在数据中心互连（DCI）和长途通信中使用相干16-QAM格式，速率可达1.2 Tb/s[6]。基于微环的调制器也正在被Intel、Ayar Labs、Nubis Communications等公司开发，支持高达256 Gb/s的NRZ和PAM4格式，并计划量产。

硅调制器的瓶颈在于其带宽无法跟上光学收发器中波特率（baud rate）扩展到200+ Gbaud的速度。p-n耗尽型调制器和MOSCAP调制器都依赖于通过掺杂硅流动的电流对电容器进行充放电，但掺杂浓度不能过高以避免过大的光损耗，从而导致接触电阻过大，电流或射频（RF）驱动信号衰减严重。不幸的是，这一限制由硅的基本材料特性决定。对于MZI调制器来说，随着对更高速度的需求增加，在带宽、调制效率、占用面积、插入损耗和能效之间取得平衡变得非常具有挑战性。典型的硅MZI调制器带宽约为40 GHz。由于RF损耗随频率平方增长，其高频响应的滚降相对缓慢，因此在硅光子芯片或驱动器上通过适量均衡，可支持224 Gb/s PAM4（112 Gbaud）[7][8][9]。更高的调制器带宽可以通过缩短调制器长度或其他均衡技术实现，但都以更高的驱动功耗为代价。

基于谐振器的调制器（如微环谐振器）通常不会受到由RF损耗引起的带宽限制。然而，要支持更高波特率的调制，其谐振线宽必须成比例增加，而谐振器的增强因子会随之减小，从而需要更强的驱动信号来实现相同水平的强度调制。因此，它在更高波特率方面面临与MZI调制器类似的困难。此外，另一挑战是其运行的鲁棒性，尤其是在PAM4格式中，调制带宽、插入损耗、消光比和传输眼图闭合量（TDECQ）都高度依赖于调制器谐振波长与入射激光波长的精确匹配。因此，一个设计良好的、灵活的控制算法，对于持续监测并锁定激光波长和调制器谐振的匹配至关重要，以实现实际商业应用。

另一种方法是串联多个微环，每个微环以适中的数据速率（如10–64 Gb/s）和NRZ格式运行。通过利用微环的内在波分复用（WDM）能力，可以实现Tb/s级别的总带宽[6][10][11]。然而，这种方法也需要对每个微环及相邻微环之间的谐振进行精确控制。

3.我们是否需要除了传统平台（如硅、磷化铟和常规铌酸锂）之外的新材料和集成技术？能否介绍这一新兴领域中的一些突破性创新？

是的。材料、制造工艺以及器件/光子集成电路（PIC）设计的多样性是光子学和光电子学的内在特性。这种多样性将继续推动创新，并成为关键的产品差异化因素，只要能够在技术性能和解决方案成本之间实现平衡。随着应用领域扩展到光互连之外的传感、计量、量子等领域，多样化的解决方案将得到进一步支持。如果能够利用硅光子技术的优势（如高集成密度和精确的CMOS制造工艺）来结合新材料和集成技术，将会是一种互惠互利的战略。

如果将“常规铌酸锂（LN）”定义为体铌酸锂，那么薄膜铌酸锂（TFLN）可能是最有前途的高速调制平台。TFLN继承了体铌酸锂的优秀物理特性，例如宽透明窗口、大电光系数（r33 = 31 pm/V）和线性Pockels效应。TFLN光子的快速发展得益于低损耗刻蚀TFLN波导（干刻蚀0.2 dB/m [12]；4 dB/m [13]；化学机械抛光光刻2.7 dB/m [14]）的进步。与传统LN中的质子交换和钛扩散波导（Δn ∼ 0.2）相比，TFLN波导具有更高的折射率对比度（Δn ∼ 0.7）。TFLN波导中良好的光学模式约束允许电极放置得更近，而不会引入显著的金属吸收损耗。因此，TFLN调制器可以实现更高的调制效率，从而实现更短的调制区域和更大的带宽。

在单片和异质TFLN调制器方面，最近的进展迅速且具有突破性。由于加工工艺简单且技术成熟，各种高性能的强度调制器[15][16]和复杂的相干光调制器[17][18]已经在单片TFLN平台上展示，其速度达到260 Gbaud [19]，单通道容量达到1.96 Tb/s [20]。与硅和III-V调制器相比，TFLN调制器最具竞争力的优势在于设计自由度，能够同时实现低半波电压、高电光带宽而不影响光损耗，并具有在广泛波长范围内运行的潜力。在C波段[16][20]、O波段[21]和近可见光波段[22]，已成功实现CMOS兼容的驱动电压和100 GHz 3-dB带宽调制器。

采用晶圆对晶圆键合技术或传输印刷技术制造的异质TFLN/硅和TFLN/Si3N4调制器，展示了具有竞争力的性能，包括2.2 V·cm的调制效率、超过110 GHz的带宽和高达112 Gb/s的调制速率[21][23]。

从商业化角度来看，薄膜铌酸锂（TFLN）调制器的商业化速度显著快于硅和III-V调制器，这主要归因于LN材料的简单性、整体制造工艺以及生产基础设施相关投资和运营成本的显著降低。富士通（Fujitsu）已经商业化了128 Gbaud的相干TFLN调制器[6]。此外，支持100 Gb/s和200 Gb/s PAM4线性驱动方案的调制芯片和模块在过去两年的OFC和ECOC等主要行业会议上展示，突显了其在强度调制直接检测（IMDD）应用中的适用性。

III-V外部调制激光器（EML），将III-V电吸收调制器（EAM）与单片集成激光器结合，是市场上硅光子发射器的主要竞争对手。EAM的高带宽、紧凑形式和成熟的制造技术使其极具竞争力。早在2012年，基于硅的异质集成EAM就展示了超过67 GHz的带宽[27]。OpenLight [6]目前正在Tower Semiconductor的另一CMOS代工厂中商业化这种技术及其相关模块。

此外，关于新调制器材料的开发也有报道。Lightwave Logic [6]和SilOriX [28]最近展示了运行于200 Gb/s及以上PAM4模式的聚合物调制器，具有良好的材料稳定性。Lumiphase [29]去年开发了一种紧凑的基于薄膜BTO的200 Gb/s调制器，工作在亚伏特驱动电压下，显示出与TFLN调制器竞争的潜力。此外，Polariton Technologies开发的等离子体调制器以176 GHz的电光带宽支持超过400 Gb/s的PAM8格式，这同样令人兴奋[30]。目前市场正在测试这些技术的成熟度。基于MOSCAP结构的器件，无论是使用高迁移率透明导电氧化物[31]、高k介电材料[32][33]，还是垂直MOSCAP配置[34]，在不同方面也展现了令人印象深刻的设计和性能优势。

4.这些新材料和集成技术最关键的要求是什么？能否列举一到两点？

性能、可靠性和成本始终是紧密相关的因素，要求解决方案供应商在不同应用场景中仔细平衡这些要素，以找到最佳的权衡点。通常，这些因素受材料、器件和芯片设计、制造、封装以及测试工艺的影响。此外，市场需求以及批量生产的可行性（包括芯片制造和封装）也对整体成本起着重要作用。

对于单片TFLN调制器和光子集成电路（PIC），目前150毫米晶圆是最大尺寸。有限的晶圆尺寸、大型器件面积、相对较高的材料成本以及薄膜均匀性，是芯片成本的重要组成部分。尽管芯片制造过程并不算复杂，但为了实现超低损耗的波导形成，仍需优化光刻、刻蚀技术以及后续制造工艺。此外，长期的直流漂移（DC Drift）仍然是TFLN的一个挑战。为了使这些调制器在商业上可行并可靠，热或电相位控制是必不可少的。

与硅或Si3N4异质集成的TFLN调制器仍处于研发阶段。类似于III-V与硅的异质集成，TFLN的集成发生在后端工艺（BEOL）阶段，并且需要专门的加工设备以及严格的交叉污染控制，尤其是在涉及大晶圆规模加工的情况下。TFLN的转移步骤是实现高良率和最佳器件性能的关键。就硅上的异质EAM而言，英特尔在高良率和激光器寿命记录方面已经证明了III-V与硅异质器件批量生产的可行性。然而，当在同一基板上集成两种或更多不同的III-V外延结构时，工艺会变得更加复杂。

5.新的调制器材料和配置如何影响数据中心、人工智能、量子信息处理或LIDAR系统等各种新兴应用？

随着生成式人工智能技术的空前发展，人工智能计算互连迅速成为下一代产品开发和部署的主要推动力，例如800G和1.6T可插拔收发器，目前3.2T系统也在积极研发中。在未来3至5年内，该领域有望成为高速调制器的最大市场。有趣的是，由于专门针对人工智能和高性能计算互连的标准无法跟上部署需求，设计正向更多创新。方向发展，互操作性已成为次要考虑因素。

像量子信息处理、神经形态计算、调频连续波（FMCW）激光雷达和微波光子学等新兴应用显然会受益于高速调制。但调制速度未必是主要的技术挑战或关键技术规格。对于TFLN调制器，它们可以作为光子处理引擎或光学计算的张量核心[35][36]，利用TFLN快速、低功耗的调制特性，这对加速和节能机器学习、人工智能和云服务至关重要。将激光器与TFLN电光调谐器混合集成，可以实现快速的啁啾重复频率、大啁啾带宽和线性调谐，这使其成为FMCW激光雷达的优秀选择[37][38]。基于铌酸锂（LN）强压电性的声光波束偏转，已实现了频率-角度分辨激光雷达[39]。基于电光效应和周期性极化LN的参数放大作用，已展示了超过1 THz宽的平顶频率梳，这在计量和光谱学应用中展现出巨大潜力[40]。此外，TFLN调制器可以在低温下运行，非常适合超导电路中的量子-经典接口[41]。

异质III-V与硅集成的调制器以及这一通用集成方法适用于上述广泛的光子学应用。例如，英特尔还利用其异质光子集成平台开发了更多其他应用，包括FMCW激光雷达技术。惠普实验室（Hewlett Packard Labs）进一步改进了MOSCAP调制器，展示了用于光子神经形态计算的非易失性、亚纳秒光存储效果[42]。实验室还制造了在低温下（4 K）展示10 mV调制电压和每比特能耗为aJ的异质InP微环调制器，用于量子计算等低温光子集成电路（PIC）应用[43]。此外，绝缘体上的AlGaAs结构由于其在强约束单模波导中的极具竞争力的非线性特性，在量子技术和非线性光子学中也具有重要价值[44][45]。

6.当前研究人员和工程师在该领域面临的一些最大挑战是什么？从技术和市场角度来看，这些挑战是如何被解决的？

针对硅MZI和微环调制器的几个主要技术挑战已在上文讨论过。对于基于超高速调制器的光互连解决方案而言，最大的挑战之一，也是机遇所在，是开发一个全面的协同设计（co-design）能力和平台。这需要光子芯片和电子芯片设计人员、EDA厂商、代工厂、封装及测试服务提供商之间的无缝协作。随着我们推动光调制器和电子电路的材料和制造工艺的物理极限，即便是各阶段的微小缺陷都可能显著影响器件带宽、信号完整性和功耗等性能。

幸运的是，目前越来越多的学术研究集中于为小规模问题开发协同设计方法学和机器学习解决方案。此外，多项由政府资助的大型研发项目正在解决这一问题。拥有内部专业知识的领先工业企业也在开发全面的协同设计解决方案。预计未来一代EDA工具将具备更强大的能力，可以在统一的框架下模拟复杂的多物理场系统，涵盖射频、光学、热学、纳米加工和封装等方面。

此外，硅光子集成电路（SiPh PIC）的进步，尤其是在其领先应用——光通信中的发展，很大程度上依赖于硅调制器的进步。整个硅光子行业面临的一个重要挑战（既是技术上的也是市场相关的）值得强调。产品开发所需的大量资金和时间投资仍然阻碍了硅光子“低成本”承诺的实现。虽然硅PIC的整体设计和加工复杂性不如先进的CMOS电子技术（其45 nm节点工艺已经足够），但两者的重点和优先事项却截然不同。一个CMOS代工厂需要数年的学习才能提供基本的硅光子制造服务，并增强产品/工艺设计套件（PDK）的竞争力。

此外，由全球市场需求决定的硅光子的晶圆产量仍远低于微电子领域。在高产量的CMOS代工厂中定制工艺的自由度有限，因为需要保持工艺的重复性和一致性以巩固产量。然而，这种标准化往往不利于光子学固有的多样性。开发更稳健、更具成本效益的封装解决方案以及在晶圆级实现高效的自动化静态和射频测试（尤其是针对边缘耦合芯片）仍需大量努力。最终，从研发到部署，硅光子生态系统的每个阶段都对下一代硅调制器的进步起着关键作用。

要推动TFLN技术实现批量部署，降低成本至关重要，这需要扩大现有200 mm TFLN晶圆的规模，同时确保薄膜厚度的均匀性，以适应批量生产。实现高良率的关键在于在代工厂级别实施可重复和高良率的工艺。标准化代工厂级的工艺设计套件（PDK）也是必要的，以使TFLN更具多功能性和市场准备度。此外，需要将TFLN MZI调制器的长度缩减到几毫米甚至亚毫米，以适应未来的共封装光学（CPO）需求。基于环形辅助设计[16]和慢光结构[46][47]的调制器使得铌酸锂更高效，实现了数百微米的长度，尽管有时需要在工作波长或带宽上作出妥协。因此，在这些性能指标之间找到最佳平衡是未来优化的关键。

7.行业和学术界如何合作克服这些挑战？

随着人工智能的空前发展以及当前全球地缘政治局势的影响，各主要经济区域的政府、企业和私营部门加大了对半导体技术的投资。这为学术界和工业界之间的合作提供了更多的资金机会。尽管知识产权（IP）所有权和发表成果的不同利益是客观存在的现实，但工业界应该更加开放地分享他们当前面临或预计未来会面临的具体挑战。而学术界则需要更积极地理解并解决这些问题。

为弥合差距，学术界需要更多的跨学科课程和研发项目，以激发年轻一代的兴趣，提升学生在微电子和光子学领域的先进技能培训，并鼓励更多关于电子-光子协同设计、集成和高级封装的研究。此外，扩展实习和联合开发项目将有助于推动创新并培养专业人才。

许多学术研究团队已经在使用业界广泛采用的EDA工具来进行器件和光子集成电路（PIC）的设计。硅光子和通用CMOS代工厂应继续开发和升级其PDK（工艺设计套件），并降低学术客户的成本门槛，特别是对最先进节点工艺的访问，以鼓励更多的学术界参与共享流片。同时，针对超高速器件测试的合作也至关重要，因为大多数学术团队难以负担高成本的高速测试设备。

我们坚信，现在是学术界和工业界共同研究光子器件和半导体技术的最佳时机。通过克服这两个领域之间的技术和利益壁垒，并为年轻一代做好迎接未来挑战的准备，我们可以确保技术创新的持续发展，从而推动技术不断向前迈进