OFC2022：跟John Bowers教授学硅光集成新概念
发布时间：2022-03-09 17:06:36 热度：3313
3/09/2022，光纤在线讯，OFC2022第一天全体大会，来自UCSB的John Bowers教授做当今和未来的硅光集成技术的主题演讲。在演讲中，Bowers教授提到了好多新概念。编辑把这些概念整理出来和大家一起学习。
Optical-frenquency synthesizer 光频合成器
2018年自然杂志的一篇文章“基于集成光子的光频合成器”，作者Daryl T. Spencer等，光频合成器用于从单频参考源产生频率稳定的激光，广泛用于超快研究和计量领域。基于集成光子技术的光频合成器可以缩小传统光频合成器的尺寸，功耗和成本。作者采用异质集成的III-V、硅可调激光器，分立的硅芯片上的非线性频率梳，硅片外的激光器，实现了1550nm，1Hz精度，4THz微波时钟下可编程。
从混合集成到异质集成再到单片集成
硅光的混合集成方案主要包括激光器直接放置（directmounting）技术和晶圆键合技术。直接放置技术主要是指采用倒装焊或贴装工艺，将预先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面，通过焊球完成电连接，实现光源与硅光波导器件的混合集成。采用晶圆键合技术，人们可将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方，由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路，完成片上光源与硅光子芯片的混合集成。由于键合时III-V族材料外延层还未做图形化，所以键合工艺的对准容差很高，有源区与下方硅波导的对准则通过光刻工艺完成，相比倒装焊等直接放置技术具有更高的对准精度。晶圆键合技术主要分为两类：直接键合（directlybonding）与粘结键合（adhesivebonding）。直接键合技术是指不借助粘结材料，直接将光滑、平整、洁净的两晶圆接触，在界面键作用下，两晶圆间形成牢固结合。粘结键合是指借助特定的粘结材料完成晶圆间键合的技术。常见的粘结材料包括金属和聚合物，而针对III-V族材料与硅的集成，应用最成熟的是基于苯并环（BCB）辅助的粘结键合技术。
半导体异质集成电路是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件组成芯片（都含光电子器件或芯片）与无源元件（含MEMS）或天线，通过异质键合或外延生长等方式集成而实现的集成电路或系统。异质集成可以融合不同的半导体材料、工艺、结构和元器件或芯片的优点。支持应用先进技术，如IP 和小芯片（chiplet），以及集成无源器件等新技术；具有2.5 维或3 维高密度结构。异质集成对半导体设备要求相对比较低，不受EUV 光刻机限制，因此是“超越摩尔定律”的重要路线之一。
单片集成方案主要指硅上异质外延III-V材料激光器。与混合集成光源相比，单片集成方案最主要的优势是其能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度，在大规模光子集成芯片的研制中有巨大潜力，这也是硅光子技术的主要发展方向。
Smart cut
Smart Cut™是Soitec专有的晶圆键合和分离技术，它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。此项技术由Soitec与世界领先的微电子研究实验室法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）联合开发，已用于生产全球近100%在售的绝缘硅（SOI）晶圆。
超越传统的微电子技术，Smart Cut™技术就像一把锋利的纳米刀，能够堆叠非常薄（10-100nm）且均匀的半导体材料晶体层。它打破了原有金属之间沉积层的限制，同时确保原子网格上各层的厚度均匀一致。
氮化硅和硅光技术
氮化硅光芯片的衬底是硅，其上是二氧化硅，镀层使用的材料是氮化硅。氮化硅是一种已在 CMOS 微电子电路中使用的材料，并且在最近十年中广泛用于构建光芯片上的超低损耗微谐振腔和复杂网络。利用大马士革工艺制备的集成氮化硅光路可达到 0.5 dB 每米光程的超低光损耗，是目前世界上所有集成光学材料中的最低记录。
光学频率梳
光学频率梳是微波光子学的核心模块之一，它是一种具有稳定重复率的超短光脉冲，可提供数百条等距且相干的激光线，能精确对应梳齿线的频率间隔。利用光频梳，不仅可以制造光原子钟以精确测量时间，也可以让光纤通信各通道之间的干扰减少，使单根光纤传输的信号量增加几个数量级。此外，光频梳在气体成分分析、全球定位系统 GPS、天体观测、激光雷达等技术上也有广泛应用。
微梳与孤子微梳
“微梳”（microcombs），即一系列平行、低噪音、高度稳定的激光线。激光 microcombs 的许多条线中的每一条都可以携带信息，广泛地倍增了单个激光器可以发送的数据量。
Bowers 实验室与 Kippenberg 实验室合作，开发了一个集成的片上半导体激光器和谐振器，能够产生一个激光 microcombs。发表在新一期《Science》杂志上的一篇题为《Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon》的论文，描述了实验室在成为第一个实现这一目标方面的成功。
孤子微梳（Soliton microcombs）是一种光学频率梳，它发射出相互相干的激光线--也就是说，这些激光线彼此之间处于恒定不变的相位。该技术被应用于光学计时、计量和传感领域。最近的现场演示包括每秒多比特的光通信、超快光探测和测距（LiDAR）、神经形态计算和用于行星搜索的天体物理光谱仪校准
Multirecle 光子
2021年第12期光学快报上有Warren Jin, Avi Feshali, Mario Paniccia, 和John E. Bowers的文章，指出由于波长限制，光子集成很难像摩尔定律描述的那样发展。为此，他们发展了一种新技术，通过在相邻reticle的波导的层叠和展宽实现了错配的曝光的平滑过渡。文章说相比传统多模光波导，可以实现50倍的体积缩小。
reticle的定义是图像平面的一个光学单元，用于帮助定位或者目标测量。最简单可以就是十字线，也可以是复杂的图形。在半导体模板产生中，玻璃或者石英衬底上会有IC的图像。
https://www.photonics.com/EDU/reticle/d6755
Optical-frenquency synthesizer 光频合成器
2018年自然杂志的一篇文章“基于集成光子的光频合成器”，作者Daryl T. Spencer等，光频合成器用于从单频参考源产生频率稳定的激光，广泛用于超快研究和计量领域。基于集成光子技术的光频合成器可以缩小传统光频合成器的尺寸，功耗和成本。作者采用异质集成的III-V、硅可调激光器，分立的硅芯片上的非线性频率梳，硅片外的激光器，实现了1550nm，1Hz精度，4THz微波时钟下可编程。
从混合集成到异质集成再到单片集成
硅光的混合集成方案主要包括激光器直接放置（directmounting）技术和晶圆键合技术。直接放置技术主要是指采用倒装焊或贴装工艺，将预先制作好的III-V族材料激光器放置在硅光子芯片表面，通过焊球完成电连接，实现光源与硅光波导器件的混合集成。采用晶圆键合技术，人们可将III-V族材料外延层集成至硅波导等硅光器件上方，由III-V族材料产生的光可通过倏逝波耦合的方式进入硅光子回路，完成片上光源与硅光子芯片的混合集成。由于键合时III-V族材料外延层还未做图形化，所以键合工艺的对准容差很高，有源区与下方硅波导的对准则通过光刻工艺完成，相比倒装焊等直接放置技术具有更高的对准精度。晶圆键合技术主要分为两类：直接键合（directlybonding）与粘结键合（adhesivebonding）。直接键合技术是指不借助粘结材料，直接将光滑、平整、洁净的两晶圆接触，在界面键作用下，两晶圆间形成牢固结合。粘结键合是指借助特定的粘结材料完成晶圆间键合的技术。常见的粘结材料包括金属和聚合物，而针对III-V族材料与硅的集成，应用最成熟的是基于苯并环（BCB）辅助的粘结键合技术。
半导体异质集成电路是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件组成芯片（都含光电子器件或芯片）与无源元件（含MEMS）或天线，通过异质键合或外延生长等方式集成而实现的集成电路或系统。异质集成可以融合不同的半导体材料、工艺、结构和元器件或芯片的优点。支持应用先进技术，如IP 和小芯片（chiplet），以及集成无源器件等新技术；具有2.5 维或3 维高密度结构。异质集成对半导体设备要求相对比较低，不受EUV 光刻机限制，因此是“超越摩尔定律”的重要路线之一。
单片集成方案主要指硅上异质外延III-V材料激光器。与混合集成光源相比，单片集成方案最主要的优势是其能够与硅光子工艺同步缩小线宽、提高集成度，在大规模光子集成芯片的研制中有巨大潜力，这也是硅光子技术的主要发展方向。
Smart cut
Smart Cut™是Soitec专有的晶圆键合和分离技术，它能将超薄的晶体材料从一个衬底转移到另一个衬底之上，从而打破原有的物理限制并改变整个衬底行业的状况。此项技术由Soitec与世界领先的微电子研究实验室法国原子能委员会电子与信息技术实验室（CEA-Leti）联合开发，已用于生产全球近100%在售的绝缘硅（SOI）晶圆。
超越传统的微电子技术，Smart Cut™技术就像一把锋利的纳米刀，能够堆叠非常薄（10-100nm）且均匀的半导体材料晶体层。它打破了原有金属之间沉积层的限制，同时确保原子网格上各层的厚度均匀一致。
氮化硅和硅光技术
氮化硅光芯片的衬底是硅，其上是二氧化硅，镀层使用的材料是氮化硅。氮化硅是一种已在 CMOS 微电子电路中使用的材料，并且在最近十年中广泛用于构建光芯片上的超低损耗微谐振腔和复杂网络。利用大马士革工艺制备的集成氮化硅光路可达到 0.5 dB 每米光程的超低光损耗，是目前世界上所有集成光学材料中的最低记录。
光学频率梳
光学频率梳是微波光子学的核心模块之一，它是一种具有稳定重复率的超短光脉冲，可提供数百条等距且相干的激光线，能精确对应梳齿线的频率间隔。利用光频梳，不仅可以制造光原子钟以精确测量时间，也可以让光纤通信各通道之间的干扰减少，使单根光纤传输的信号量增加几个数量级。此外，光频梳在气体成分分析、全球定位系统 GPS、天体观测、激光雷达等技术上也有广泛应用。
微梳与孤子微梳
“微梳”（microcombs），即一系列平行、低噪音、高度稳定的激光线。激光 microcombs 的许多条线中的每一条都可以携带信息，广泛地倍增了单个激光器可以发送的数据量。
Bowers 实验室与 Kippenberg 实验室合作，开发了一个集成的片上半导体激光器和谐振器，能够产生一个激光 microcombs。发表在新一期《Science》杂志上的一篇题为《Laser soliton microcombs heterogeneously integrated on silicon》的论文，描述了实验室在成为第一个实现这一目标方面的成功。
孤子微梳（Soliton microcombs）是一种光学频率梳，它发射出相互相干的激光线--也就是说，这些激光线彼此之间处于恒定不变的相位。该技术被应用于光学计时、计量和传感领域。最近的现场演示包括每秒多比特的光通信、超快光探测和测距（LiDAR）、神经形态计算和用于行星搜索的天体物理光谱仪校准
Multirecle 光子
2021年第12期光学快报上有Warren Jin, Avi Feshali, Mario Paniccia, 和John E. Bowers的文章，指出由于波长限制，光子集成很难像摩尔定律描述的那样发展。为此，他们发展了一种新技术，通过在相邻reticle的波导的层叠和展宽实现了错配的曝光的平滑过渡。文章说相比传统多模光波导，可以实现50倍的体积缩小。
reticle的定义是图像平面的一个光学单元，用于帮助定位或者目标测量。最简单可以就是十字线，也可以是复杂的图形。在半导体模板产生中，玻璃或者石英衬底上会有IC的图像。
https://www.photonics.com/EDU/reticle/d6755
