论文笔记_InP_photonic_circuits_using_generic_integration

InP_photonic_circuits_using_generic_integration

时间：2015年5月

Ⅰ Introduction

基于InP四元化合物（比如InGaAsP和InGaAlAs）的光子集成芯片可以制成性能很高的光子基本元件

• passive components：optical splitters, filters, multiplexers, combiners
• active components such as optical amplifiers, lasers, modulators, detectors.

集成电路技术提高了电路的性能：

• 减少了电路组装过程中的复杂度和自由度，因此提高了电路的性能
• 更多的器件集成在同一个晶圆上，因此提高了电路的性能、功能性、可靠性，降低了尺寸、功耗、价格
• 功能上与分立元件设备等效，可以实现通过分立元件难以实现的高复杂度设备

现在已经有了类似微电子领域的Foundry了

• Infinera、JePPIX等公司
• 同时提供相应的PDK（fab-specific process design kit）

本篇文章综述通用光子集成电路的进展：

1. 在第2部分，综述当前的通用InP芯片生产平台（已经可以实现激光器与放大器集成在同一个芯片上了）
2. 在第3部分，综述在基本器件上的创新，这些创新将被用于未来的生产平台中
3. 在第4部分，综述具有一些具有长期影响林的与IMOS相关的研究（IMOS在未来可以实现更高的集成度）
4. 在第5部分，讲述未来能让IMOS与介质波导、低功耗硅电子器件集成的生产平台的机会

Ⅱ 通用集成平台

JePPIX的三个主要的生产平台：Fraunhofer HHI、Oclaro、Smart Optics

表1展示了各平台可以实现生产的元件

光子集成电路中的基本元素有：相位调制器、放大器、光栅
通过这些基本元件可以组合出更为复杂的模块，如激光器、干涉调制器、多路复用器（mux）

基于InP通用平台制造的有源器件的综述：

A. 对特定信号进行处理

光解调40Gb/s传输速率的差分相移键控信号，并在SNR上有所改善

B. Multiwavelength Transmitter

光纤的工作功率为+4dBm，每个通道的数据传输速率为12.5Gb/s

DBR：Distributed Bragg Reflector；AWG：Arrayed Wave Guide

C. 超快激光（皮秒激光、飞秒激光）

图2所示芯片实现了高质量的啁啾脉冲信号，可以用于实现皮秒/飞秒激光所需的啁啾脉冲

在一块面积为6mm × 6mm的芯片上集成了一个具有20个相位调制器和20个半导体光放大器的20通道波导光栅阵列

3 dB (6 dB)带宽、持续时间为3.0 ps (6.6 ps)的非对称脉冲被压缩，以产生更对称的光脉冲宽度为2.2 ps (2.9 ps)的脉冲。

D. 其它通用平台可实现的激光器

基于环形谐振腔的锁模激光器；1.7μm大的宽可调激光器；结合外延生长工艺可以设计大量的款式的激光器

E. 进行精确的波长测量

分布式光纤传感器利用1 × 8的波导光栅阵列与光电探测器阵列相结合，实现了精确导皮米的波长测量（可以实现5pm的分辨率，标准差为0.8pm）

自由光谱的精度为50nm，但通过多通道的测量，可以将测量精度提升几个数量级

F. 多通道任意选通

该光开关阵列包含8个波分复用的输入8输出，其间可以任意选通，重构时间在纳秒量级，实现了160Gb/s的波分复用吞吐量

8个宽带输入连接到8个1 × 8宽带空间选择开关阵列。随后通过8个8 × 8门控循环路由器阵列进行波长域选择。在14.6 mm × 6.7 mm的芯片区域内，实现了片内扇出和扇入连接了136个半导体光放大器和8个循环路由器。

Ⅲ 光器件

可以通过提升基本光学元件的性能来提升Ⅱ中设备的性能。在第Ⅲ节中，综述在基本光学元件中，在改善损耗、制造缺陷、寄生反射和能量泄漏等指标的进展

A. 超低反射的分光器

在器件与波导的交界面，突变的界面参数会导致寄生反射，从而降低芯片性能。尤其是在分光器中，传输中的突变会导致-10dB~-15dB的后向反射，这会导致放大器的增益产生波动，让激光器的模式不稳定。

近期通过优化波导的几何结构，使寄生反射降低到了-35dB

B.可容忍工艺误差的偏振转换器

输入信号偏振的变化会对通信带来负面影响：

• 难以保持通信最佳的45°极化角
• 难以控制TE和TM模之间的拍长

图5所示为偏振变换器，其通过电磁场的边界条件来旋转模式的偏振方向。当前的InP工艺可以完成100nm精度的制造。

• 在C波段，一段式偏振转换器的实测转换效率高于96%，但关键尺寸需要控制在设计值的±60 nm以内
• 两段偏振转换器在C波段的偏振转换效率超过99%，但关键尺寸的误差容限放宽到了±130 nm
• 一段变换器的损耗在0.5 dB以下，两段变换器的损耗在0.6 dB左右。

C. 弯曲波导

弯曲的波导便于灵活的布线，但是在设计制造中有很多限制条件（临界尺寸控制、侧壁角度、偏振旋转、损耗等）

Whispering gallery regime microbend在弯曲部采用了多模光纤，使得在制造过程中的限制条件得到了放宽（通常曲率只能做到百微米量级，而这家做到了20微米）

Whispering gallery regime Microbend的损耗

• 波导宽度在100nm内变化时，损耗只变化0.01dB；
• 损耗可以到 0.2dB/180°
• 通过控制侧壁垂直度，可以预测偏振变换所带来的损耗可以降低至?25 dB∕180°

D. 超低损耗波导

InP芯片的损耗主要来源于散射与吸收；随着工艺的提升，P掺杂包层带来了最主要的搀杂层-非掺杂层间的光吸收（相比n型则没那么大的影响），于是他们设计了低P掺杂的外延型波导

通过图7所示的对损耗敏感的环形谐振腔来测试波导的损耗。其中是一个长80mm的环形延迟线，并将其中的信号通过非平衡的多模干涉器（MMI）耦合出来

得到其环形延迟线部分的传输损耗在低P掺杂的设计下大幅度下降：

• 传输损耗：0.3dB/cm（波长在1450-1650nm）；而P掺杂波导为2.0dB/cm
• 波导截面积为2.5μm×0.6μm，曲率为1mm

E. De/Multiplexer

波导阵列光栅已成为现代波分复用通信的关键器件，但是其许多关键指标已难以优化。

过去的仿真模型分为两种：1.解析法快速但精确度欠佳 2.光束传播法精确但运算量大。
现在已经设计出一种新的解析模型，它可以计算和使用真实的一维模态场剖面图来更准确地模拟耦合器的响应，使得可以建立仿真软件可用的精确的de/multiplexer的模型

1.5 μm宽的深刻蚀波导光栅采用100 nm的间隙，损耗为 1.0 dB；相比之前500nm间隙下通常为3.0 dB损耗

F. 芯片内腔

片上宽带反射器为在芯片内创建激光、空腔和干涉仪提供了一个重要的方式，其避免了对波长的选择性或对反射面放置精确度的要求。

一种新型的MMI耦合器已经成功的被设计用于片上反射器，其原型产品经过测量，实现的单端口设备的损耗低至 0.4 dB，双端口设备的损耗低至 1.4 dB。

Ⅳ 纳米光子集成

为了实现更小的光子集成技术，一种基于掩膜的IMOS技术正在出现。本章介绍该基于掩膜的IMOS技术。

A. 微环

微环可以用于创建高Q值的谐振器，但需要解决制造定向耦合器时需要非常精确的加工技术问题，如图10所示（微环与波导的间距很小，需要非常精确的加工技术）。

电子束光刻可以提升加工的精确度：

• 目前InP掩膜器件的光波导截面为 400 nm × 250 nm。直波导的损耗在10-15 dB/cm
• 但现在使用更高精度的光刻技术进行优化后，可以降低侧壁的粗糙度和传输损耗，实现的最佳值为3.3dB/cm

B. 光调制器

• 工业生产的InP调制器已经实现了 3.5 Vπ mm 的调制效率。而基于掩膜IMOS技术的光调制器在推挽驱动下可以实现 0.6 Vπ mm 的调制效率
• 这种掩膜方式产生的器件也降低了各种寄生参数，也使得设备带宽扩展到了67GHz
• 芯片的Ag/Ge基接触点上，通过优化Ge层的厚度与退火条件，实现了特定接触电阻低至1.5×106 Ωcm²，与传统的Au/Ge/Ni接触相比，传输损耗降低了5倍

C. 掩膜激光器

第一个电泵浦的掩膜 IMOS 激光器已经被实现，其集成了SOA(silicon optical amplifier)无源环形腔和MMI(multimode interferometer)输出耦合器，如图10所示

放大器的宽度为700 nm，长度为300 μm。有源放大器和无源元件之间的耦合长度为 10 μm。环形腔的总长度为2 mm，激光输出通过一个 2 × 2 MMI耦合器耦合，功分比为50/50。光通过衍射光栅耦合器从无源波导耦合到光纤。

• 峰值光纤耦合功率为>100 μW
• 进一步优化腔体触点、外耦合器光栅有望提高效率和功率

D. 平面光栅

表面光栅通常受到底层材料的光学特性的影响，导致对制造过程的变化过于敏感。

我们最近展示了一种与InP掩膜方法兼容的金属光栅耦合器。与介质光栅相比，光泄漏到基底的现象大大减少，并且性能与光缓冲层厚度无关。

目前已经提出了一个非窄带的设计，其理论上在1.55微米处的光纤-芯片耦合效率可达73％，而3-dB带宽下（61nm-78nm）的窄带设计预计有89％的耦合效率。

Ⅴ. 前景

• 异构集成

• 光电融合

• InP上介质波导技术

  （InP器件的多样性与介质波导的低限制、低损耗相结合）