硅光子
關注創建者：Ansys中國 創建時間：2022-03-17
硅光子的實例教程
硅光子和光電收發模塊有什么關系？
一個光電模組包含光接收器、放大器、調變器等許多組件，過去這些組件都是個別、零散地放在PCB板上，但為了提升功耗、增加信號傳輸速度，這些組件改成全整合到單一硅芯片上。
在硅平臺上的光電信號轉換，都能算在硅光子技術范疇，過程中需克服的面向也不同。也因此，為了讓讀者更好理解，我們會以硅光子發展至今的每個階段，作為分享的主軸。
集成電路下一步集成“光”路：硅光子三部曲
硅光子第一階段：從傳統插拔式模塊升級
硅光子已默默耕耘20多年，傳統的硅光子插拔式外型非常像USB接口，外接兩條光纖，分別傳輸進去和出去的光; 但插拔式模塊的電信號進入交換器前，必須走一大段路（如下圖 b），在高速運算損失又多（大），所以為了減少電損失，硅光元件改到接近服務器交換器外圍的位置，縮短電流通的距離，而原本的插拔式模組只剩下光纖。
而上述這個作法，正是目前業界積極發展的「共封裝光學模組」（CPO，Co-Packaged Optics）技術。主要是將電子集成電路（EIC）和光子集成電路（PIC）共同裝配在同一個載板，形成芯片和模組的共同封裝（即下圖 d 的 CPO 光引擎），以取代光電收發模組，使光引擎更接近 CPU/GPU（即下圖 d 芯片），縮減電傳輸路徑、減少傳輸耗損及信號延遲。
據了解，這項技術能降低成本，數據量傳輸提升8倍，提供30倍以上的算力并節省50%功耗。但目前芯片組的整合仍處于現在進行式，如何精進CPO技術，成為硅光子發展的下一個重要步驟。
解決 CPO 瓶頸然后呢？硅光子第二階段：解決CPU/GPU 對傳問題
目前硅光子主要在解決插拔式模塊的信號延遲之挑戰，隨著技術發展，下一階段將會是解決CPU和GPU傳輸的電信號問題。
展開 硅光子技術原理介紹
硅光子技術即在硅晶圓上實現光傳輸，用激光束代替電子信號傳輸數據，是一種基于硅光子學的低成本、高速率的光通信技術。硅光子技術的實用化和研發的推進改速度都超過了預期，其中，進展尤為快速的當屬日本。
光子學使用的材料是玻璃，光器件是基于玻璃上制作的，這與硅有所不同。由于光的波長對硅而言是透明的，如果信息完全基于硅的基礎上的話，就不能做光接收器，這是硅材料的本質不足，尤其是光源方面，所以硅材料不適合做激光器。但是硅光子技術的應用范圍可以從電路板間的數據傳輸擴大到芯片內的傳輸，并且未來硅光子技術的應用范圍有望擴大到芯片間和芯片內的傳輸，預計這方面的應用將在2020年左右實現實用化。
有專家表示，硅光子技術是一個原理性的技術，人們可以透過這個窗口看到以前沒有看到過的東西。如果作為獨立元件的話，它的優勢在于獨立波長，這不像其他傳統的激光器，傳統的激光器會產生紅光、綠光，而基于硅光子的獨立元件能產生傳統激光器產生不了的光。
來源：中國電力電子產業網
展開 硅光子技術應用的分析
調查公司Global Information發布的數據顯示，2011年有源光纜(AOC)的全球銷量為30.5萬根，銷售額為7000萬美元。并且還預測，2016年的銷量將達到78.6萬根，銷售額將擴大到1.75億美元。之所所硅光子在AOC光收發器領域取得很好的成績，是因為可以通過量產大幅降低成本，而此前的AOC采用的是基于化合物半導體的分立元件，價格相對比較高。
傳統光通信模塊是將三五族半導體芯片、高速電路硅芯片、無源光器件及光纖封裝而成，其中的成本主要來自三五族半導體芯片及系統封裝。雖然其傳輸速度可達40Gbit/s以上，但是比起使用電纜傳輸而言，價格卻昂貴得多，因此近年來，高速硅光電組件變成一項相當炙手可熱的題材，主要研究目的就是希望借由芯片量產技術降低芯片生產成本、提升良率，另一方面，可以縮小硅光電、光學組件的尺寸，進一步和后端電路整合在一起，以降低封裝成本。
總體而言，采用硅光子技術的最大特點就是成本低、速度快。當然，硅光子若進一步發展還存在兩大難題。一是，使光元件和光收發器大幅實現小型化和低耗電量化的方法。另一個是，進一步實現大容量化的王牌——密集波分復用(DWDM)技術的利用。
如今的光子晶體未采用硅基，因為很難采用硅基以高效率制作有源器件。不過，結合發光的鍺和硅等技術的話，就有可能實現硅基光子晶體。
另一方面，高速硅光子光傳輸可能需要DWDM。該技術早在15年前就已普遍用于長距離通信用設備等，但用于硅光子則非常難。其中一個原因是，各個光元件發出的光的波長以及通過波導的光的波長因溫度變化存在巨大偏差。將長距離通信設備使用的溫度控制功能用于硅光子技術的成本過高，不現實。
展開 Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
展開 Ansys攜手GlobalFoundries（GF）推出業界首款硅光子解決方案，以應對數據量的爆發式增長，同時顯著降低功耗
主要亮點
GF Fotonix?平臺在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一個硅晶圓上，實現規模化的超高性能。
Ansys與GF合作推出解決方案，助力增強數據中心、光網絡、超級計算、光纖、5G連接、航空航天與國防應用的光子設計能力。
針對采用Ansys行業領先的光子仿真工具的定制組件設計，Ansys和GF推出了創新性硅光子（SiPh）芯片設計工作流程。
由于能夠對采用Verilog-A建模的光子集成電路進行仿真，因此Ansys可支持GF Fotonix平臺，支持范圍包括結合定制組件與代工廠庫組件采用先進節點半導體技術的計算芯片的設計。
Ansys宣布與GlobalFoundries（GF）合作，交付獨特且功能豐富的創新型解決方案，以解決當前數據中心面臨的一些巨大挑戰。
隨著數據以前所未有的速度生成，全球各地數據中心的功耗也隨之激增，這導致人們更迫切地需要既能加快數據傳輸，同時又能優化能效的創新型解決方案。為滿足這種不斷增長的需求，GF著力開發突破性的半導體解決方案，利用光子而非電子的優勢來傳輸和移動數據，有助于GF在快速發展的光網絡領域保持領先地位。
GF Fotonix是GF在多方面均取得突破性進展的新一代單片平臺，在業界率先將優異的300mm光子技術與RF-CMOS技術集成在同一硅晶圓上，實現了規模化的超高性能。
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</p><p><strong>內容簡介：</strong>本次報告將圍繞12英寸高速硅光子PDK開發中的仿真需求展開，介紹針對12英寸高速硅光子PDK開發面臨工藝容差與高速性能雙重挑戰，以及Ansys仿真工具鏈提供的完整解決方案。通過從元器件仿真到容差分析到鏈路仿真的閉環工具鏈，完成高精度器件與模型庫的開發，縮短PDK迭代周期。
什么是波導？2個月前
單模光纖較小的纖芯只支持有限的傳播模，因此其被廣泛應用于硅光子學和長距離光通信，實現光（以及其承載信息）的遠程高效傳輸。但是，由于纖芯較小，光線很難進入波導，需要專用激光器和光學組件讓光以脈沖的形式進入光纖。
多模光纖不適合長距離通信，因為存在多種模態，會導致光脈沖以不同的速度擴展傳播。多模光纖更適合短距離通信網絡，如局域網（LAN）和數據中心等。
由于電子集成電路（EIC）和印刷電路板（PCB）產生的熱量，緊湊型CPO內部的溫度變化會影響硅光子元件的性能。本文旨在：1）通過熱仿真了解CPO內部的溫度分布；2）找到電路板上WDM元件的理想位置，以減輕電子元件發熱帶來的不利影響。
首先，使用Icepak對整個封裝進行熱仿真。然后可以生成光子（硅）層的溫度分布圖，并將其導出以用于光子電路仿真。
硅光子平臺需要利用載流子注入來實現等離子體色散效應，通過在波導上外加偏置電壓使自由載流子濃度發生變化，進而使輸出光波的幅值和相位發生改變，最終實現電光調制，但受到載流子本身的復合壽命的限制，器件的開關速度只能達到MHz量級，接下來我們簡單介紹下等離子體色散效應中的幾種常見調制機制。
等離子體色散效應中常見的三種調制結構（調制機制）
1.
圖9 基于懸臂梁結構的端面耦合器
總結
硅光子集成電路中的光互連是實現高效數據傳輸的關鍵問題。光纖到芯片光互連的兩種主流范式，即垂直耦合和端面耦合，具有不同的特點，而端面耦合擁有更高的耦合效率、更寬的工作帶寬、對偏振狀態的依賴性更低等。本文首先介紹了端面耦合器的研究背景和應用，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡單描述。
圖9 基于懸臂梁結構的端面耦合器
總結
硅光子集成電路中的光互連是實現高效數據傳輸的關鍵問題。光纖到芯片光互連的兩種主流范式，即垂直耦合和端面耦合，具有不同的特點，而端面耦合擁有更高的耦合效率、更寬的工作帶寬、對偏振狀態的依賴性更低等。本文首先介紹了端面耦合器的研究背景和應用，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡單描述。
（a）結構示意圖；（b）LP11b入射的光場圖；（c）LP01入射的光場圖
偏振不敏感\硅基模斑轉換器
為了實現石英光波導中的導模與硅光子波導中的TE0/TM0模之間的有效耦合，提出了一種雙能級多芯偏振不敏感SSC，如圖6所示。首先將條形硅光子波導演化為具有絕熱錐度的三芯波導，然后將三芯波導的三個芯逐漸分離，以實現與硅光波導中模式的最大空間重疊。
引言
從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。
在光通信、數據中心和人工智能等領域，硅光子技術憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯的核心驅動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術難點——尤其是如何在實現高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器 ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。
在硅光子學中，鍺是一種常見的材料選擇，因為它與大多數硅工藝兼容，并且可以在硅頂部低缺陷生長。在垂直布局中，鍺吸收層生長在硅波導頂部，并在鍺頂部形成電接觸。為了最大限度地減少此觸點的電損耗，在鍺和觸點之間的界面處引入了一層薄薄的高濃度摻雜劑，而其余的鍺則沒有特意進行摻雜。下面的硅被摻雜以增加導電性，從而形成垂直 PIN 結。
