韩国ETRI实现基于激光器倒装焊的53Gbd硅光发射模块

11/07/2022，光纤在线讯，今天出版的《光学快报》上刊发了韩国电子电信研究院ETRISanghwa Yoo等研究人员的成果：“带有混合倒装焊键合激光器的53Gbd PAM-4全集成硅光发射机”。文章在综述了当前硅光模块发展的成绩与问题之后，提出了一种支持106Gbps的倒装焊激光器方案的硅光发射方案。在此之前，第一，用于硅光耦合的带有反向锥状结构的边缘耦合器（EC）需要更高精度的浸入式193nm光刻技术才能做好；第二，还没有支持100G每通道的倒装焊方案硅光成果。在ETRI的这个方案中，包括了SiO2的模斑尺寸转换器（SSC），具有更大的适配容忍度，方便倒装焊，采用标准193nm光刻等优点。

ETRI这一研究成果结构如图。整个硅光发射机的结构如图（a）,具体的硅光芯片（2.87x7.6mm）结构如图(b)，包括了带有SSC的LD。在这个结构中，1310nm连续波激光器通过端耦合（butt）方式连接EC（图2中EC1），这个EC包括了基于SiO2材料的两段SSC锥状结构和硅反向taper。该结构中的MZM调制器包括了1x2多模干涉MMI耦合器，2x2多模干涉耦合器，还有一对PN结相位转移器（PN-PS）和热光相位转移器（TOPS）。另外在接收端，采用了两个锗PD和1x2定向耦合器结构。整个结构中，MZM的控制通过了调节TOPS的电压来实现。硅光发射机中的驱动芯片采用2D封装的方式通过PCB板上的引线直接相连。

为改善整个结构的射频特性，研究团队引入了片外的硅电容（SC，图中的SC0），硅光芯片结构中也特别引入了两个硅电容（SC1和SC2）。

ETRI的这一硅光芯片采用了200mm SOI CMOS工艺，由新加坡Advanced Micro Foundry（AMF）生产，采用193nm干式光刻工艺，SOI晶圆上有220nm厚度的硅层，掩埋的3微米氧化层，硅衬底层725微米。

倒装的激光器结构（如下图）包括了suspended EC，电极接触，凹槽（recess）中四个底座（用于在制定的高度安装LD）。激光器采用了新飞通的带有SSC的DFB激光器。整个结构设计充分考虑了如何降低倒装的难度，实验中水平和垂直失配容忍度分别达到了2.3微米和1.2微米。设计结构尺寸并通过计算机模拟进行了优化。

ETRI的这篇论文很长，但其目的显然是为了推动100G单波硅光光模块的成熟。文章从理论和实践两方面提出了一种可行的解决方案，验证了基于成熟的倒装焊技术可以实现高性能的硅光模块，对于Intel以外的硅光阵营来说，相信有不少借鉴意义。

文章原文：https://opg.optica.org/DirectPDFAccess/9279C684-DA12-428E-9E7BF1E5B4150749_513711/oe-30-23-41980.pdf?da=1&id=513711&seq=0&mobile=no