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光库科技吉贵军：薄膜铌酸锂混合集成器件--


             应用与挑战


             演讲嘉宾：珠海光库科技股份有限公司光子集成事业部总经理 吉贵军                     COSA产品，以及独立的硅光高速相干接收器ICR产品。但硅光的
                                                                 波导损耗，带宽和半波电压是彼此制约，其基于载流子的容性
                                                                 负载限制了其带宽，调制速率的上升空间有限。硅光平台在芯
                                                                 片的倒装工艺和芯片端面波导模场变换工艺做得是最好的，容
                                                                 易实现光输入输出接口的端面耦合，以及下一代的在芯片层次
                                                                 上的三维混合封装技术。
                                                                     铌酸锂材料有“光学硅”之称，体材料铌酸锂调制器是最
                                                                 早，最成熟和最可靠的通讯级调制器，为光通讯行业40多年的
                                                                 高速发展立下了汗马功劳。同时也因其高性能，高线性度及高
                                                                 可靠性，在光纤陀螺，相控雷达，ROF，量子计算和量子通讯的
                                                                 应用中目前还是有不可替代的作用。但是因为体材料铌酸锂的
                                                                 波导过长导致射频与光信号的匹配困难，所以体材料铌酸锂调
                近年来随着技术的进步和工艺的成熟，光子集成已经从光                        制器的带宽能做到的极限是35GHz。
            纤分立单元器件走到了光组件集成直到单元芯片上，并逐步发                              借鉴硅半导体中的SmartCut技术可以将纳米级厚度的单晶
            展到将光模块集成到单一芯片上或进一步升级到芯片上集成子                          硅薄膜转移到承载基体，使得薄膜铌酸锂集成技术得到了突飞
            系统及片上系统。光子集成与半导体集成有极其相似的基本构                          猛进的发展。即通过半导体工艺在薄膜铌酸锂上刻蚀紧约束三
            建元素和衍生单元构成，但是光子集成的基本构建元素和衍生                          维波导，使得光子层器件保持铌酸锂材料的低损耗，高折射率
            单元的尺寸相对比较大，器件集成度要比半导体器件集成度低                          和高电光系数。目前可实现大于70GHz甚至100GHz以上的超高带
            8个量级。而且光子集成中激光器，调制器，放大器等有源单元                         宽。与铟磷和硅光平台相比，薄膜铌酸锂的另外一个优势是其
            及相应的驱动电路功耗都很大，这也使得光子集成的热管理非                          损耗超低而不必使用SOA，降低了功耗。此外薄膜铌酸锂实现的
            常困难，在某种程度上也限制了光子集成技术的应用和发展。                          纳米量子线及PPLN周期性极化铌酸锂在量子通讯相关的应用潜
            光子集成在工艺技术，制程标准及设计软件等核心技术上的突                          力巨大。
            破，都比半导体集成技术发展相应的里程碑滞后了二十多年。                              薄膜铌酸锂平台与其它两个平台相比发展时间比较短，
            这也使得光子集成可以借鉴很多半导体集成技术发展及工艺升                          还有很多核心工艺和制程需要解决和进一步优化。首先因为铌
            级换代中的经验积累和工艺的成功经验。                                   酸锂材料超级稳定，所以波导制程中的刻蚀非常困难，而且刻
                光子集成度的提高、传输速率的提高和微型型化的要求，                        蚀三维波导的形状及蚀波导表面的光洁度都直接影响波导的损
            使电器件封装的电引脚也越来越有挑战，从最初的低密度插针                          耗。目前波导侧壁的垂直度只能做到接近70°，波导光洁度到
            形式逐步转向向中密度的软插板，到高密度的BGA形式封装。类                        0.2nm，波导本征损耗0.2dB/cm。其次薄膜铌酸锂的工艺还无法
            似地，光芯片自身的电引脚也从打金线向Cu-pillar微铜柱倒装                     做via过孔，所以布线只能限于二维，因而导致线路集成度增
            过渡。相比于电引脚，光芯片的“光引脚“即输入输出光接口                          高，布线复杂。
            更具有挑战性，特别是当芯片集成度增高并需要多路光信号同                              薄膜铌酸锂光子集成可以实现的不同芯片的混合集成封
            时耦合到芯片上，且多路光信号还需要以小损耗形式耦合回到                          装，但还很难做到在芯片晶圆制程过程中与其它材料体系进行
            光纤中。芯片输入输出波导的模场大小决定了芯片光接口的耦                          异质集成，且晶圆的可扩展性还限于4吋或6吋。此外，薄膜铌
            合方式，从最初用透镜进行空间模场变换，演变到利用外部的                          酸锂产业链还有待于进一步完善，包括从铌酸锂晶圆，薄膜铌
            模场变换单元逐步回归到光子集成芯片上的多层及挖空结构形                          酸锂材料制程及晶圆工艺，以及芯片设计PDK到芯片制程。
            式的模场变换工艺。                                                光库科技2019年底成功地并购了美国硅谷Lumentum公司在
                目前光子集成以三大材料体系为主，即铟磷，硅光和薄膜                        意大利米兰世界顶尖水平的铌酸锂调制器芯片厂和封装测试产
            铌酸锂平台。铟磷平台是经过了30多年发展起来的光子集成平                         品线。凭借意大利米兰团队在传统体材料铌酸锂调制器产品研
            台，有完整的流片厂和成熟的设计PDK，可以实现有源和无源器                        发和生产三十多年的实力积累和主导地位，早已解决了薄膜铌
            件的集成。铟磷平台的调制器在产品的性能和小型化上都比较                          酸锂波导刻蚀和耦合的工艺难题，并在两年前开始薄膜铌酸锂
            成熟。但铟磷平台还难以解决的是在芯片上的偏振旋转和偏振                          集成技术的开发，带领光库科技在薄膜铌酸锂的芯片及调制器
            合束集成取代自由空间的偏振旋转和合束器PBC和透镜系统，以                        的封装和测试产品化一直走在前列。同时光库科技在联合相关
            及需要半导体放大器SOA在芯片上的集成用以克服铟磷平台波导                        的上游科研院所和企业共建薄膜铌酸锂高速调制器国产化的产
            损耗大的问题。                                              业链，包括铌酸锂晶圆，薄膜材料及晶圆工艺，光芯片设计及
                硅光平台有集成度高，可扩展性号及CMOS工艺兼容等特                       制程，电驱动器设计及流片，光/电芯片混合封装和模块高速射
            点，因其性能价格比好近年来在短距离传输应用非常广泛。有                          频测试。以解决薄膜铌酸锂高速调制器产业链上“缺芯少核”
            不少厂家相继推出了硅光集成的相干接收和调制光模块单元                           的工艺瓶颈难题和关键核心技术。


                                                      网络电信 二零二一年一、二月                                           31
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