Page 26 - 网络电信2021年11月刊下
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光    通    信

            行波电极、通过镂空衬底减小微波信号的损耗、通过利用                            基光电子芯片耦合封装方式，才能进一步发挥硅基光电子模块
            CMOS电路进行单片集成[64]和先进的封装技术降低损耗等，硅                      的成本优势。
            基光电子芯片的能耗问题得到了一定程度的缓解。
                1.3波分复用器件                                            五、自动化设计
                波分复用器件通常要求波导拥有相对稳定的有效折射率，                            相  对   于   成   熟  的   电   子  设   计   自  动   化
            才能稳定地实现不同波长光信号的分/合波。硅是具有热光效应                         （electronicdesignautomation,EDA）工具来说，硅基光电子
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            的材料，其热光系数大约为1.85×10 ，普通硅基光电子波分复                      芯片的设计工具目前正处于发展阶段，硅基光电子芯片和微电
            用器件需要额外的控制手段稳定器件工作时的环境温度，否则                          子芯片不同，直角等非连续弯曲几何形状的变化会引起光的散
            将会产生严重的工作波长的漂移或者通道串扰，但温度控制设                          射和反射损耗。波导和波导之间的连接要求也要平滑过渡，标
            备会增加光模块整体的功耗。温度不敏感的波分复用器件是实                          准版图文件所支持的多边形与实际连续曲线之间存在细微的差
            现鲁棒波分复用的关键器件，业界采用了多种办法实现硅基集                          异，可能会影响光路性能。
            成化波分复用器件，例如将反射式阶梯光栅结构引入硅基光电                              在硅基光电子芯片的研发设计方面，由于硅基光电子单元
            子芯片中、通过特殊设计利用实现工作波长稳定的级联马赫－                          器件的仿真比较复杂且工艺敏感，如果不执行全面的器件仿真
            曾德尔干涉仪（MZI）等。目前硅基光电子芯片偏向于使用级联                        （电磁、电光和热特性）和工艺仿真（TCAD）[91]，很难确定
            MZI的方案实现热稳定的波分复用器件，如图5所示，但基于级                        版图上的器件能否实现原理图中所预设的功能。目前硅基光电
            联MZI的波分复用器件难以符合局域网波分复用（LWDM）和中等                      子的设计依靠设计人员对所有细节的把控，自动化程度较低。
            波分复用（MWDM）等通道间隔较为密集的波分复用方案标准的                        随着芯片集成度越来越高，硅基光电子芯片对自动化软件的需
            要求。硅基集成的温度不敏感波分复用器件仍有待突破。                            求会越来越迫切。
                                                                     国外EDA软件公司在传统EDA软件的基础上融合光学仿真与
                四、硅基光电子芯片封装技术                                    光器件工艺设计包（PDK）实现对硅基光电子芯片设计的支持，
                对硅基光电子芯片的封装主要分为高频电学封装和光学封                        这一方向发展迅速。而国内目前基本没有专业从事EDA软件开发
            装两部分。硅基光电子芯片的高频电学封装技术和微电子芯片                          的商业机构，尚处于起步阶段。
            的封装技术重合度较高，目前技术相对成熟。但随着通道数量
            的增多和复杂信号调制格式的引入，引线电极越来越多，对外                              六、工艺平台
            围封装板的I/O密度要求将会大幅度增加，封装难度也相应提                             硅基光电子工艺流程基于标准CMOS工艺开发，国外的
            升。                                                   Intel、IMEC、IME、ePIXfab等已在硅基光电子芯片加工制造方
                与硅基光电子芯片的电学封装相比，硅基光电子芯片的                         面具有多年技术积累，而国内硅基光电子工艺平台处于起步阶
            光学封装技术难度高、良品率低，是硅基光电子芯片封装技术                          段。重庆联合微电子、中科院微电子所、上海微技术工业研究
            的核心所在。由于硅基光波导芯层和包层之间的折射率差异较                          院等单位正在致力于8英寸硅基光电子工艺线的建设。
            大，单模硅基光波导尺寸较小，这一方面使得硅基光电子芯片                              硅基光电子芯片对工艺的要求和微电子有所不同，虽然目
            的集成度比InP芯片集成度要高，同时也带来了硅基光波导和                         前硅基光电子芯片的工艺节点一般为0.13μm，但是由于硅基
            单模光纤模斑尺寸不匹配的问题，如图6（a）所示。增大了硅                         光电子器件尺寸小、硅基光电子波导对侧壁光滑度要求高等原
            基光波导和普通单模光纤耦合时的模斑失配损耗和位置误差损                          因，硅基光电子器件对工艺误差非常敏感，几纳米的误差都有
            耗。为了满足光模块的出光功率要求，硅基光模块需要更高功                          可能完全改变器件的性能。不同代工厂对硅基光电子芯片的工
            率的激光器光源，衍生出能耗和散热控制方面的问题。为了应                          艺误差控制能力不同，同一设计在不同的工艺平台加工可能会
            对这一挑战，学术界和产业界开发出多种片上波导模斑转换                           具有完全不同的测试结果，硅基光电子芯片设计的跨平台迁移
            器，将硅基光波导的模斑尺寸扩大到5~8μm，获得相对较好的                        能力弱。使得代工厂的PDK器件库建设显得更加重要。
            效果。
                另外，硅基光电子芯片通常将发射和接收多种功能集成在
            同一块芯片，使得硅基光电子芯片的光学I/O端口数量较多，通
            常使用光纤阵列实现硅基光电子芯片上光信号的耦合，如图6                           图 6 硅基光电子芯片封装上的挑战
            （b）所示。封装使用的光纤阵列精确度也对光学耦合封装效果
            有较大影响。在使用光纤阵列封装时，光纤阵列中光纤之间的
            间距一般为127μm或者250μm。封装使用的光纤阵列精确度也
            对光学耦合封装效果有较大影响。目前夹持光纤的V形槽的加工
            精度不够高，位置误差很有可能超过模斑范围，导致光纤阵列
            中的某一路甚至某几路无法精确对准。一般需要加工后通过测
            试挑选出精度较高的光纤阵列，良品率较低。
                目前硅基光电子模块中针对硅基光电子芯片的封装成本大
            约要占到总成本的10%以上。需要开发新颖的高效率、低成本硅

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