集成光器件

硅基光电子集成芯片（Si OEIC）

主要应用于光通信或微电子电路的光互连。硅基光子学通过将光学器件和电子回路（IC）集成到一块普通芯片上降低了光学系统成本，或者从长远来讲，在高性能芯片中引入光学部件增强IC的性能。

我们正处在一个将电子领域和光子领域二者合为一体的黄金时期。作为电子材料，硅基微电子学已经显示出巨大的威力；现在，作为光子材料，硅基光子学将再

次发挥威力，其潜在的高性能器件和广泛应用将在硅中延伸。

用成熟的CMOS工艺，在

硅衬底上制作光学器件，

例如发射器，调制器，探

测器，波导，光纤耦合器

MUX/DEMUX等无源器件。

最终目的是在一块硅芯片

上实现CMOS IC，射频和

所有光学模块的的集成。

当然每一种集成都需耗费

大量的人力和资源进行器

件改良和工艺研究。

硅基光电子集成芯片

有源

无源：发射器：（L D ，L E D ）

调制器：（马赫泽德干涉仪）

探测器：

（锗探测器）

只有I I I -V 族解决方案，硅材料目前为止显得无

能为力。芯片集成的最终可能解决方案应该是：h y b r i d S i O E I C c h i p ，即光源部分由I I I -V 族制作，并通过f l i p -c h i p 或者其他办法与硅芯片封装到一起，其他光学部分和I C 部分全部由硅工艺完成。

通过结构参数优化和工艺改进，我们已经拥有制作高速（10 G H z ）硅光学调制器的一整套设计方案和工艺集成方案，在8英寸0.13微米工艺线上，芯片成品率达到90%以上。在硅表面外延高质量单晶锗，我们可以制造出高速率，高响应度，高灵敏度的红外探测器(波段为0.8u m -1.6u m )，其性能完全可以跟市场上I I I -V 族探测器媲美。在8英寸0.13微米工艺线上，芯片成品率达到90%以上。产品形式可以有：P I N 锗探测器，锗硅雪崩二极管探测器，波导型锗探测器（集成类产品）

在硅基上已经实现，并且达到可应用的程度

主要为波导类器件，包括直波导，弯曲波导，交叉波导，滤波

器，谐振器，阵列波导光栅等等

尺寸大价格昂贵高功耗

分立器件, 无法集成

硅基光电子集成芯片实例（以调制器为例）

如今的光学调制器(铌酸锂)

36个调制器阵列

尺寸小价格优势

低功耗，CMOS 驱动可与其他光电器件集成

硅基调制器

单个器件

硅基光电子集成芯片

以下的器件介绍当中包括硅基无源器件（波导类）和有源器件（主要是调制器和探测器）。

我掌握所有分立器件和集成芯片的模拟，设计，版图设计，以及CMOS工艺流程，均在世界著名晶圆工厂采用0.13微米8英寸工艺

流片并且在线上亲自操作，摸索出一整套的工艺流程和集成方案，并且掌握一些特殊的半导体工艺适用于制造硅基光电子芯片，芯片成品率可达90%。

其中到底哪些器件或者哪些器件的集成有比较大的可能性进入到产业化的阶段，还需要和市场和产业界人士探讨。

已实现的硅基无源器件

光纤耦合器直波导140-200 nm

Waveguide Width ~300-500 nm

R = 1-6 µm

Gap as-Etched Down to ~0.1µm

With Sidewall Smoothing

弯曲波导

定向耦合器

环形谐振器

~5

o

~15

o

光分路器阵列波导光栅上下话路滤波器Ø器件性能都已达到同类器件国际领先水平

Ø可逐个讨论，做产品的可能性，包括各种器件的集成

Assembly Slots

Low Loss Crossing

交叉波导

Mode evolution

Rotator

Mode coupling

Splitter

旋光/分光器件

锗探测器速率: >10 GHz

响应度:~0.9A/W (WG); ~3.4A/W (APD)暗电流: ~0.15nA/µm 2.

其他:

CMOS 或者biCMOS TIA 与Ge PD 集成

已实现的硅基有源器件: 探测,调制, 及其集成

锗探测器

Ge MSM

锗硅雪崩二极管波导型锗探测器

WG-Ge-PD

MSM-based Grating Electrode & Low Dark Current

硅调制器(MOS, P/N)调制器和探测器集成

锗硅调制器

调制器速率: ~10 Gb/s (PIN) & ~40Gb/s (MOS)消光比:~10 dB

Vp-p:5V & V πL π(2.6V-cm); 2V & <1V-cm 其他:

和Ge PD 集成

调制

部分器件的关键技术指标对比

公司材料波长(nm)增益带宽积灵敏度(dBm)

JDSU III-V1310150G-27 @ 10Gb/s

贝尔实验室III-V (InP)130070G N.A.

我们的Ge/Si1310>250G-27.5 @ 10Gb/s 锗硅雪崩二极管

探测

硅调制器

公司效率V

pi

.L(V.cm)Speed

On-chip Optical

Insertion loss (dB) Intel （2008）540 Gbps 4.0

LETI （2009）320 Gbps5

我们的0.5-0.6740 Gbps 2.5

密集波分复用

Group Channels Free Spectral Range (nm)

IMEC1625.3

ETRI1625.8

我们的3272.7 (àMore Channels allowed)阵列波导光栅AWG