引言

隨著微加工工藝的飛速發(fā)展和各種新型技術(shù)對(duì)高速信息傳輸?shù)男枨笤絹?lái)越高，電互聯(lián)系統(tǒng)在傳輸速率、延遲、散熱和帶寬等諸多問(wèn)題上的瓶頸越來(lái)越突出，已很難適應(yīng)越來(lái)越高的信息處理需求。

光學(xué)互聯(lián)因其時(shí)延小、帶寬大、傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足高速信息傳輸與處理的要求。

(資料圖片僅供參考)

硅基光電子集成技術(shù)由于其與 CMOS工藝相匹配，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)獲得更多的高質(zhì)量、大體積的光電子集成，因而也是目前光互聯(lián)技術(shù)的主要發(fā)展方向。

一、硅基光發(fā)射鏈路的研究背景

伴隨著5 G通信、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，世界范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)生成速度越來(lái)越快。

根據(jù)國(guó)際機(jī)構(gòu) Statista的統(tǒng)計(jì)，2016~2020年，全球每年數(shù)據(jù)量的平均年增長(zhǎng)速率高達(dá)36%。有機(jī)構(gòu)對(duì)2035年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到2142 ZB。

除此之外，我們國(guó)家每年所生成的數(shù)據(jù)量也在迅速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與2019年相比，我們國(guó)家的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)流量增加了35.7%，達(dá)1656億 GB。

隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，對(duì) CPU的性能需求也越來(lái)越大。但是，由于芯片工藝的進(jìn)步，使得以電互聯(lián)為基礎(chǔ)的芯片內(nèi)部存在串?dāng)_、延遲、散熱和功耗等問(wèn)題，使得芯片的性能難以進(jìn)一步提升。

由于 CMOS集成電路（CMOS）芯片尺寸不斷接近其實(shí)際應(yīng)用的極限，基于電子互聯(lián)的芯片設(shè)計(jì)已很難再適應(yīng)高速發(fā)展的要求。

光學(xué)互聯(lián)在并行傳輸、帶寬、抗干擾和低能耗等領(lǐng)域有著與傳統(tǒng)電氣互聯(lián)無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的以電子互聯(lián)為基礎(chǔ)的微控制器，以光學(xué)互聯(lián)為基礎(chǔ)的微控制器有著更加優(yōu)越的性能，可以更好地適應(yīng)不斷提高的對(duì)微控制器的要求。

硅基光電子集成技術(shù)由于其與當(dāng)前的微電子加工技術(shù)相融合，在裝備、技術(shù)等方面具有較高的優(yōu)勢(shì)，在芯片級(jí)、芯片級(jí)、芯片級(jí)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

但是，由于受到其自身性質(zhì)的限制， Si基材料很難同時(shí)獲得較高的熒光效率和較好的光學(xué)調(diào)控。硅基光發(fā)射鏈路是硅基光電子綜合系統(tǒng)中的核心部件，它牽扯到了光源的整合、信號(hào)的調(diào)控等多個(gè)方面。

因此，研制出一條高效的發(fā)射鏈路，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體光電子綜合技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)化進(jìn)程，有著重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

二、硅基光源的光路設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代社會(huì)中，人們對(duì)于信息的傳遞與處理提出了更高的要求。

然而，隨著“摩爾定律”的不斷深入，微電子學(xué)的發(fā)展，其特性尺度已被壓縮至3納米級(jí)，其內(nèi)部的串?dāng)_、散熱和時(shí)延等問(wèn)題也越來(lái)越明顯，成為制約微處理機(jī)性能提高的瓶頸，因此，開(kāi)發(fā)新一代互聯(lián)技術(shù)勢(shì)在必行。

光波具有波長(zhǎng)、偏振、強(qiáng)度等多維信息多路復(fù)用特性，可實(shí)現(xiàn)超快、超寬的信息傳送，并可大幅提升芯片的整體效能，被認(rèn)為是新一代芯片/芯片互聯(lián)技術(shù)。

硅基光電集成技術(shù)由于其成本低、損耗低、可集成性強(qiáng)、制備技術(shù)相對(duì)成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國(guó)際上最具有發(fā)展?jié)摿Φ墓饣ヂ?lián)技術(shù)。然而，硅基光電子器件的發(fā)展，因其本身的特殊性質(zhì)，尚存在諸多問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

Si是一種非直接能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，由于其光生電子與電子之間的相互作用，導(dǎo)致其熒光轉(zhuǎn)換效率非常低下，傳統(tǒng)方法很難獲得高效熒光，給 Si基 LED的集成帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

因此，研究者們將芯片上的光源分為三類(lèi)：外光源、倒裝焊外光源和雜化集成芯片上光源。目前，基于 Si基底的II-V族雜化器件被廣泛采用。

然而 Si基雜化器件的晶體結(jié)構(gòu)與II-V族雜化器件相比， Si基雜化器件的晶體結(jié)構(gòu)與II-V族雜化器件相比存在很大差異，這給其實(shí)用化帶來(lái)了很大的困難。

利用外接和倒裝焊接的方式，可以很好地克服目前硅光源難以實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的外部照明方式是將半導(dǎo)體激光輸出的光與纖維相結(jié)合，再將纖維與硅基光波導(dǎo)相結(jié)合，從而形成一個(gè)完整的光源。

然而，硅基波導(dǎo)和光纖在尺度上存在較大差異（通常為450 nm×250 nm，光纖直徑9微米），二者之間的模式場(chǎng)差較大，如果采用直接耦合方式，將導(dǎo)致較大的耦合損失。

為了獲得高效的光纖和硅基光波導(dǎo)之間的耦合，往往要在其中加入一種附加的裝置，即耦合裝置。其中，耦合裝置的功能是通過(guò)改變各傳播模的形狀，使得各傳播模之間能夠很好地匹配，提高其耦合效率。

就像在光纖和硅波導(dǎo)之間的耦合一樣，該耦合器把光纖的傳播方式轉(zhuǎn)化為由硅提供的傳播方式。當(dāng)前的光纖耦合器有兩類(lèi)：一類(lèi)是端表面耦合器，另一類(lèi)是光柵耦合器。

通常情況下，端面耦合器是一種沿光學(xué)傳播方向逐步改變的圓錐波導(dǎo)，這種圓錐形狀的光束可以改變其傳播的模態(tài)，因此，這種以端面耦合器為基礎(chǔ)的耦合被稱(chēng)為平面中耦合。

而采用光柵耦合器的方法，則是在光柵耦合器之上放置一根光纖，將光波經(jīng)光柵傳輸至硅波導(dǎo)，即平面外耦合。

三、聯(lián)結(jié)器的研究

通常，評(píng)估該器件的工作特性時(shí)，會(huì)從器件的耦合效能（損耗）、器件的尺寸、帶寬和對(duì)齊偏差的容忍程度等方面進(jìn)行考量。

而在一個(gè)特定的波段，一個(gè)頻率范圍內(nèi)，一個(gè)頻率范圍內(nèi)的功率與一個(gè)頻率范圍內(nèi)的功率之比就是一個(gè)頻率范圍內(nèi)的功率比。

而元件的大小，又直接影響到元件的集成度、制造靈活性和系統(tǒng)的封裝難度。另外，為了達(dá)到低的插損，該耦合裝置也需要有很小的透射損失。

分析了兩種光學(xué)元件的耦合特性，指出了兩種光學(xué)元件的耦合特性。其中，模場(chǎng)匹配度取決于模場(chǎng)區(qū)域（模場(chǎng)大?。?、模場(chǎng)形狀和極化狀態(tài)等參數(shù)的匹配度。

端表面耦合器由于其在耦合效率、帶寬、極化依賴(lài)于低偏振損失等領(lǐng)域所展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而引起了學(xué)術(shù)界的高度重視。

端面耦合器的透射模與它所組成的波導(dǎo)橫斷面有關(guān)，如果波導(dǎo)橫斷面過(guò)小時(shí)，就無(wú)法支撐全部透射模，造成透射模泄露；如果波導(dǎo)橫斷面過(guò)大，很可能會(huì)激發(fā)出更多的高階模，從而導(dǎo)致更多的損失。

所以，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一系列新型的多節(jié)錐、拋物線形、二次錐形以及指數(shù)形等結(jié)構(gòu)。

這種新型的二維圓錐耦合器，其截面尺寸沿光傳播方向呈遞增或遞減趨勢(shì)，但其在高度上基本不會(huì)發(fā)生變化，故稱(chēng)為二維圓錐耦合器。

結(jié)果表明，端面耦合器的傳遞損失與圓錐形狀有關(guān)。通常情況下，當(dāng)端面耦合器的寬度不變時(shí)，模式磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)隨圓錐的長(zhǎng)度而降低。

當(dāng)圓錐結(jié)構(gòu)具有大橫斷面時(shí)，大多數(shù)光在硅波導(dǎo)中傳播，而當(dāng)圓錐結(jié)構(gòu)具有大橫斷面時(shí)，傳播模的模場(chǎng)會(huì)受到擠壓，從而使光從圓錐結(jié)構(gòu)向硅波導(dǎo)中傳播。

為探索錐形長(zhǎng)度對(duì)端面耦合器性能的影響， Ren G等人對(duì)不同透射模式下端面耦合器的模場(chǎng)大小、耦合損耗與錐形長(zhǎng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)地分析。

在耦合器圓錐長(zhǎng)度<200微米時(shí)，隨圓錐長(zhǎng)度增大，耦合損失迅速降低。但是，在超過(guò)200微米的圓錐長(zhǎng)度后，隨圓錐長(zhǎng)度的增大，其耦合損失基本保持不變。

盡管2 D圓錐結(jié)構(gòu)的耦合效率很高，但這種結(jié)構(gòu)通常體積較大（>200μ m)，很難形成小型化的光源。

為使耦合效果與體積達(dá)到最佳均衡，學(xué)者們建議采用三維圓錐結(jié)構(gòu)。該耦合器的高、寬沿光傳播方向呈遞增變化，使耦合器的光學(xué)模態(tài)可塑性增強(qiáng)。

例如，Chun-Wei Liao等利用模擠出結(jié)合光刻工藝制備出一種以SU-8為基礎(chǔ)的三維圓錐耦合器。

通過(guò)對(duì)三維圓錐結(jié)構(gòu)的分析，得出當(dāng)硅波導(dǎo)具有一定的厚度，且硅光波導(dǎo)的折射率為一定時(shí)，三維圓錐結(jié)構(gòu)的耦合效率可達(dá)95%以上。試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的三維圓錐耦合器具有3 dB、3 dB、3.5微米、3 dB的校正精度。

結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)發(fā)出多種新型端面耦合器，并對(duì)其主要特性進(jìn)行了歸納和分析。

目前已有的基于端表面的耦合器件，僅從耦合效率而言，已能較好地解決光與電的耦合問(wèn)題，然而，無(wú)論從集成度還是制備技術(shù)上，都還面臨著器件體積大、成本高、集成度低等問(wèn)題。

參考資料

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