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【奇亿在线平台】IFOC 2020|光库科技:薄膜铌酸锂混合集成器件应用与挑战





9月7日,光库科技代表在IFOC 2020的专题三“通信半导体芯片成长”上揭橥主题为《薄膜铌酸锂夹杂集成器件应用与挑战》的演讲,分享半导体电子集成与光子集成,InP和SiPh光子集成,传统铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂光子集成,以及薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。

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ICC讯  9月7-8日,第19届讯石光纤通信市场暨手艺专题钻研会(IFOC 2020)在深圳大中华喜来登圆满举办。9月7日,光库科技代表在专题三“通信半导体芯片成长”上揭橥主题为《薄膜铌酸锂夹杂集成器件应用与挑战》的演讲,分享半导体电子集成与光子集成,InP和SiPh光子集成,传统铌酸锂调制器和薄膜铌酸锂光子集成,以及薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。
《【奇亿在线平台】IFOC 2020|光库科技:薄膜铌酸锂混合集成器件应用与挑战》
首先介绍了半导体集成与光子集成,对于半导体电子集成与光子集成的相似点,集成手艺上,芯片级BB集成,光子集成线路(PIC)vs电子集成线路(EIC);在尺度制程上,多项目晶圆(MPW),设计与制程(Fab)星散;在尺度设计软件上,基于EME, FDTD, FDE, FEM, BPM方式的设计软件,与Foundry对接的PDK(Process Design Kits)。从里程碑的时间线上看,光子集成(2010年)比电子集成(1987年)晚了好多年。 [原创文章:www.pp00.com]

对于半导体电子集成与光子集成的分歧点。在集成度上,PIC元件尺寸弘远于EIC,104 /chip for PIC vs. 1012 /chip for digital EIC, 与RFIC邻近。在功耗上,激光器、调制器、放大器等有源器件的功耗大,相关的电子器件功耗比光器件自己的功耗又大好多,热治理非常难题。在集成体式上,光子集成今朝只能做夹杂集成,电子集成能够做到异质集成。在封装体式上,电引脚(pin)和 光“引脚”(fiber)的区别。
InP和SiPh光子集成
以InP调制器为例,基于QCSE(Quantum Confined Stark Effect)的MQW(Multiple Quantum Well)构造,有源及无源器件集成,30+年成长起来的成熟的光子集成平台,通用Foundry和PDK,成本较高。
以硅光子SiPh调制器为例,三种机制——carrier-accumulation、carrier-injection、carrier-depletion,常用的Push-Pull Carrier-depletion,集成度高、可扩展性好、CMOS兼容工艺,短距传输性价比好,自由载流子接收导致高插损和调制效率低、驱动回路阻抗受掺杂浓度和施加电压影响、插损/带宽彼此制约、激光器集成仍未解决。
铌酸锂产物线介绍——产物线始于意大利米兰Pirelli研究实验室
经由多次并购,壮大的手艺和生产团队一向致力于斥地和成长用于通信、设备和传感的最进步的光学调制器产物。2019年,Lumentum意大利与光库科技签署资产购置和谈,2020年1月完成交割。芯片Fab在意大利米兰,封装在泰国曼谷Fabrinet。
传统铌酸锂调制器
铌酸锂材料
·优良的光学机能:350nm-5200nm局限内几乎无损耗
·高折射率:no = 2.21 and ne = 2.14 at 1550nm
·
电光系数:
r33 = 27 pm/V at 1550nm
·高非线性系数:d33 = 31.5pm/V, d31 = 4.5pm/V @1550nm
·极好的物理和化学不乱性
·最成熟的光学材料之一
传统铌酸锂调制器

·低插损
·高消光比
·线性响应
·高靠得住性
·Pirelli(Cisco)/Corning/Avanex/Oclaro/Lumentum/AFR, Fujitsu, Sumitomo
·为光通信行业立下汗马劳绩40多年

介绍了现有铌酸锂调制器系列产物
用于400G/600G相关的调制器
·400G/600Gbps超高速超远距离主干线光通信网
·400G/600Gbps超高速超远距离洲际通信网/海底通信网
·5G/6G无线通信网
·超高速城域焦点网
用于100G/200G相关的调制器
·100G/200Gbps超高速超远距离主干线光通信网
·100G/200Gbps超高速超远距离洲际通信网/海底通信网
·5G/6G无线通信网
·超高速城域焦点网
10G/40G 调制器家眷
·10G/40Gbps多调制花样光通信网
·FTTH光纤到户
·保密光通信网
·园区网
20G/40G模拟调制器
·CATV有线电视网
·RF over Fiber射频旌旗光纤传输
·导航设备
·测试及科研
传统铌酸锂调制器
以AFR-792001500 铌酸锂相关调制器为例
·14只嵌套MZI
·Dual-Carrier
·Dual-Polarization QPSK相关调制Data Rate:400Gbps
·Bandwidth:35GHz半波电压Vπ:3.4V插损IL:5dB消光比ER:25dB
·Low chirp
传统铌酸锂调制器的问题
·折射率差小:< 0.1光波导约束过于宽松:5-10μm
·难于集成:长度 > 40mm, 弯曲半径 ~ cm
·驱动电压高(功耗大):Vπ > 3.5V
·带宽接近极限:35GHz (过长导致RF/光旌旗成家难题)


解决途径 – Ridge 构造
光波导尺寸缩小,电极距离降低,电场强度增加Vπ L 缩小5-10倍,驱动电压降低(或长度变短)长度略有减小,带宽略有提高折射率差无改善,弯曲半径无缩小仍然难以集成
薄膜铌酸锂光子集成
在铌酸锂材料上实现光子集成。持续施展铌酸锂材料光学和电光机能优势,建造束缚更紧凑的光波导线路,挑战在于若何建造纳米级单晶薄膜,以及在薄膜上建造光子线路,1980s起就测验在几种分歧的承载基底上生长铌酸锂薄膜,但难度大、价钱高,AFR铌酸锂事业部的前身Avanex是最早的微纳构造铌酸锂调制器的索求者之一。
介绍了SmartCut手艺。1992年法国CEA-Leti电子手艺研究所的Michel Bruel发现SmartCut手艺,用SmartCut手艺能够将纳米级厚度的单晶硅薄膜转移到承载基底上,SmartCut成为Silicon-on-Insulator(SOI)的手艺根蒂之一,Soitec从CEA-Leti自力出来专门研发SOI和SmartCut手艺并生产设备。也介绍了铌酸锂薄膜材料(LNOI)建造。
关于薄膜铌酸锂光波导(TFLN WG)建造半,导体工艺在LNOI上建造TFLN WG (RIE, ICP-RIE, CMP),光子层器件连结铌酸锂材料的长处:低插损、高折射率、高电光系数。
薄膜铌酸锂光子集成与其他光集成平台的对照
在功能上:除LD和SOA外,TFLN平台能够集成所有另外器件,与SiPh相当。在机能上:以调制器为例,半波电压、调制区长度等有分歧。在成本上,介于InP和SiPh之间。
最后,也指出了薄膜铌酸锂光子集成面临的挑战。
波导制程
·铌酸锂材料超等不乱,刻蚀难题
·垂直波导壁难题:< 70o
·波导外观光洁度要求高:< 0.2nm
能够做夹杂集成(Hybrid Integration)
·可扩展性(scalability):限于6吋晶圆
·亚微米级瞄准(sub-micron alignment)
难以做异质集成(Heterogenous Integration)
旌旗完整性(SI)
·布线复杂,via难题,限于二维,导致线路集度增高
通用Foundry 和 PDK尚不完美
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