LSI光平台为高集成度光器件铺平道路

在电子领域,降低成本、改善功耗、简化封装、增加功能和提高成品率的愿望一直是推动器件朝小型化和集成化方向发展的力量。与电子器件相比,光器件也有充分的理由要求实现小型化和集成化。的确,该行业健康持续的增长最终将提出这样的要求。

然而,由于光器件固有的模拟特性,以及缺乏通用光构建模块和电信应用的要求极高等原因,VLSI光技术发展缓慢。

不过,随着多用途新材料、功能构建模块和大批量制造技术的出现,VLSI光技术的发展正在加速。VLSI光技术能否实现商业化将取决于以下三个平台的共同作用。

第一个平台是具有高折射率对比度的材料系统,它必须在整个通信波段具有低损耗特性,并可以使用传统的IC工业工具进行加工。第二个平台是可以演绎各种光信号处理功能的超紧凑通用构建模块。第三个平台是利用IC工业中面向大批量制造的工具和技术的能力。

为了实现大规模集成,今天的光元件必须小型化。光电路的最小尺寸受到弯曲损耗(与最小曲率半径有关)的限制。因为弯曲损耗随着纤芯包层折射率对比度的增长而呈指数级下降,这使得高折射率成为VLSI光技术的一个基本要求。

另一方面,折射率并不一定越大越好。随着折射率的增大,制造容许误差将减小,单模波导尺寸也将减小,这使得光纤尾端(fiber pigtailing)处理变得更加困难,耦合间距等结构特征也将变得更小。大折射率只是VLSIP(超大规模集成光学)材料平台具有可行性的要求之一。其它关键的材料属性包括:

*固有的低损耗,

*可调节的折射率,

*长期稳定性,

*与IC工业的加工工具兼容

*使用避免退火工序的低温工艺。

业界正在研究以下几种高折射率的材料系统是否可以用作VLSIP平台,包括Si/SiO2、InGaAsP、Ta2O5、SiO2、SiN、SiC、SiON以及数种聚合物。

其中,Si、SiN、SiON和SiC因为它们的长期稳定性和对IC工业工艺的兼容性而富有吸引力。Si和SiN具有非常高的折射率,从而导致极严格的制造容许误差,对波长可选应用尤其如此。SiON因为它可以调节折射率而引起人们的兴趣。特别是,它的折射率能够比传统的硅锗材料还要大。

不过,SiON表现出一个一直扩展到C波段的强吸收峰,其量级是折射率的函数。在材料系统中,退火是减少吸收并使包层回流的常用方法。高温退火的结果是众所周知的:由应力冻结导致的材料双折射率现象、晶圆弯曲、折射率和厚度的变化等因素都将影响器件的性能。

Hydex是光材料的一个突破,它是为克服其它高折射率材料的所有限制而开发的。它是采用传统的化学气相沉积(CVD)工艺生成的一种鲁棒材料,其折射率对比度可以在0%到20%之间调节。它无需退火工序,而且因为采用了沉积工艺,它在S、C和L波段都具有低损耗特性。500小时的85/85湿度热度测试表明,折射率变化不低于10^-5的测量精度。

显著减小尺寸

Hydex的一个直接作用是能够把所有传统平面光波导回路(PLC)的尺寸减小1到2个量级。这意味着在每块晶圆上可以多制造10到100个器件。

这种小型化的一个范例是40通道100GHz的微声学波导。这种器件的尺寸大约为5mm×5mm,而且只受到40个输出光纤间距要求的限制。与传统的PLC相比,这些微PLC器件的性能决不会逊色。例如,AWG滤波器的噪声基底(noise floor)低于-55dB,该指标反映了工艺的统计指数和厚度变化。

在这种AWG中,测得的随机相位误差小于8nm,而且对于从晶圆上加工出来的每一个裸片,这些误差具有重复性(即误差是源于掩膜而不是工艺)。作为工艺的一部分,这些芯片紧密集成了光纤点尺寸转换器,而且对于高斯滤波器波形,其光纤到光纤的峰值损耗低于3dB。尺寸减小带来的另一项好处是可以降低用于稳定阵列温度的功耗。

在电子领域,谐振器因其频率选择特性已经得到广泛应用。特别地,电介质环和碟形腔在高频、高Q微波应用中继续占有重要地位。对光信号处理应用,电介质微环谐振器已经被用于多种产品,包括解复用器、分插滤波器、色散补偿器、调制器、激光器和4波混合器。这些器件的尺寸也已经缩小到几个微米,因而非常适合于大规模集成。

在波长滤波器应用中,滤波器波形极为重要。与薄膜滤波器类似,环谐振器可以被安排在被称为高阶滤波器的耦合腔构造中。这种构造使滤波器产生非常高的带外信号抑制。

VLSI光平台的三个基本要素已经被证明可行,分别是用于小型化的鲁棒材料平台、用于光信号处理的超紧凑通用构建模块和从IC工业借用的大批量制造技术。在今后几年,一种高度集成的新型光电路预计将会诞生。

作者:B. Little

Little Optics公司