[论文解读] A 25 Gb/s Silicon Photonics Platform

Tom Baehr‐Jones, Ran Ding+13 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2012

Photonic and Optical Devices被引用 53

一句话总结

本文提出了一种25 Gb/s的硅光子学平台，将高速调制器和光电探测器集成于单个晶圆上，采用光学光刻技术实现可扩展的制造。该平台在25 Gb/s速率下实现超低驱动电压（1 Vpp），并具备优异的跨晶圆均匀性，可实现高性能、低成本的片上光电子集成系统。

ABSTRACT

Silicon has attracted attention as an inexpensive and scalable material system for photonic-electronic, system-on-chip development. For this, a platform with both photodetectors and modulators working at high speeds, with excellent cross-wafer uniformity, is needed. We demonstrate an optical-lithography, wafer-scale photonics platform with 25 Gb/s operation. We also demonstrate modulation with an ultra-low drive voltage of 1 Vpp at 25 Gb/s. We demonstrate attractive cross-wafer uniformity, and provide detailed information about the device geometry. Our platform is available to the community as part of a photonics shuttle service.

研究动机与目标

• 开发一种与CMOS工艺兼容的可扩展、晶圆级硅光子学平台，用于高速光互连。
• 在硅调制器中实现25 Gb/s运行并采用低驱动电压，以提升能效。
• 确保跨晶圆优异的均匀性，以实现大规模集成中可靠且可重复的器件性能。
• 为社区提供公开可访问的光子学穿梭服务，以支持快速原型设计。
• 在单一平台上实现高性能的集成光电探测器与调制器。

提出的方法

• 利用光学光刻技术对硅晶圆上的光子元件进行精确、高通量的图案化。
• 设计并制造基于绝缘体上硅（SOI）的波导，优化其条形波导与脊形波导结构以实现低传输损耗。
• 实现电吸收调制器（EAM），在25 Gb/s速率下驱动电压仅为1 Vpp，显著降低功耗。
• 集成锗基硅光电探测器，以在25 Gb/s速率下实现高响应度与带宽。
• 采用晶圆级制造工艺，并对多张晶圆实施工艺控制与均匀性监控。
• 利用光子学穿梭服务，使研究人员与开发者能够对外部访问并开展该平台的原型设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成硅光子学平台是否能够实现25 Gb/s运行，同时具备低驱动电压与高均匀性？
• RQ2 在生产环境中，调制器与光电探测器的性能在多张晶圆之间如何表现？
• RQ3 光学光刻在多大程度上能够实现复杂光子电路在硅基板上的高良率、可扩展制造？
• RQ4 在25 Gb/s速率下，集成调制器可实现的带宽与能效极限是多少？
• RQ5 该平台如何通过穿梭服务支持快速原型设计与社区采纳？

主要发现

• 该平台在25 Gb/s速率下实现调制器超低驱动电压（1 Vpp），显著降低功耗。
• 平台展现出优异的跨晶圆均匀性，支持光子电路的可靠、可扩展制造。
• 基于锗基硅的光电探测器实现高响应度与带宽，适用于25 Gb/s数据传输。
• 光学光刻技术可实现对单张晶圆上复杂光子元件的精确、高通量制造。
• 该平台通过光子学穿梭服务向科研社区开放，促进快速原型设计与协作。
• 提供了详细的器件几何参数与性能指标，支持可重复性与进一步开发。