光学整合是一种将雷射器、光电检测器、分光器或滤波器等多种光学元件微型化,并整合于一个光子晶片(IC)中的技术。

 

以成熟度来看,尽管光学整合技术大约较电子整合落后 30 年,但它仍是一种快速进展的技术。光学整合在 2000 年的网路泡沫化时代历经最佳的发展,当时约有数百万种用于光纤网路的被动光学元件开始被整合于以矽制造的平面光波电路(PLC)中。

 

如今,有多种成熟的材料平台可用于无晶圆厂(Fabless)的晶片开发,每一种都具有不同的卓越特性:PLC 的优点是低损耗和低成本被动电路;矽(Si)的优点在于高密度和 CMOS 相容性;磷化铟(InP)能够在晶片上产生以及放大光路;而氮化矽(Si3N4)则具有低损耗和高密度的特性。

 

图 1:以氮化矽(Si3N4)制造的光子晶片,适合带有金属微型加热器的感测应用

 

虽然磷化铟和矽平台通常针对作业于 C 波段(约 1550nm)和 O 波段(约 1310nm)的光纤通讯波长范围进行了最佳化,但 PLC 和氮化矽则能作业于低至 400nm 的可见光波长范围,目前有许多感测和生物医学应用都作业于这一范围。

 

在选择了能够满足目标应用要求的材料平台后,设计人员接着还必须选择一家特定的代工厂,或是让有经验的 IC 设计公司(如 VLC Photonics)协助选择。光子晶片设计的第一步是根据波导几何形状确定沿着电路传导的光学模式。

 

图 2:整合于矽光子微晶片上的精巧型量子光学干扰仪

 

在这个阶段通常会执行全面的频域分析,计算色散、群速、群指数、传播损耗、有效折射率等光学参数,并考虑某些边界条件(如周期性、对称、非对称与金属特性等)。常用方法是有限差分(FD)、薄膜模式匹配(FMM)、有限元素法(FEM)、关联法或高斯模式光纤解算器等,目前已有多种建置这些方法的商用软体工具,如 PhoeniX Software 或 Photon Design 等。

 

下一步是这些光模型沿着组成电路的元件进行传播。虽然可采用多种方法(BEP、特征模式扩张、传递矩阵、分离 - 阶跃),但最常用的方法是光束传播方法(BPM)和时域中的有限差分(FDTD)方法。

 

第一种方法用于缓慢变化的非均匀波导结构(如锥体、弯管、耦合器)中的光线传播,可以在近轴途径下实现纯量(scalar)或向量(vector)总场(而非模场)的单向或双向传播。

 

图 3:磷化铟平台复杂的微波光子晶片布局

 

第二种 FDTD 方法是与时间相关的 Maxwell 等式在网格上的一种离散表现,透过将系统的时间变化响应进行傅利叶转换为输入,并在单次模拟中撷取到较宽频宽的响应。这是一种真正全向性的方法,但具有运算密集的特性,通常要求高度最佳化。

 

一旦这两个步骤完成后,就可以在时域或频域上进行完整的电路模拟。不仅能实现光子电路的功能性设计验证,还能最佳化元件及其连线能力,以及评估容差与虚拟实验。

 

同样地,市场上有好几种这方面的商用工具,如 Filarete 的 ASPIC 或 VPIcomponentMaker,设计公司也能协助为模拟每个阶段选择最合适的工具,或是检查所需要的建模和模拟工作。

 

图 4:不同的光波导几何形状

 

最后一步是在光子的电脑辅助设计(CAD)工具中布局电路,输出具有分层资讯的标准 GDSII 档案。在此使用参数化晶片和光罩布局非常重要,因为这能避免任何可能影响连续性的人工绘制或布局错误,以简化布线作业。大多数光学代工厂提供的制程设计套件(PDK)可用于其平台上实现最常用的建构模组,如连接光纤埠的直线波导(带和条)、弯管、多模干扰耦合器、光栅耦合器和边缘耦合器,以及光电二极体、半导体光学放大器、调变器、加热器和 DBR 或 DFB 雷射器等主动元件。

 

这种 PDK 使用标准语言以及透过 PDA 标准流程的统一架构,支持多家 EDA 供应商工具之间的互通性,其中的构建模组通常包括参数化元件布局,也称之为 pCell。

 

由于制造光子晶片需要大量的时间与资成本,设计公司也提供自家的设计库,?补强其代工厂 PDK,并协助设计验证和规则检查,这对于降低整个开发风险至关重要。

 

图 5:在光子磷化铟晶片上制造的完整的微型光束控制系统

 

总之,在整个设计过程结束时,不仅要将布局设计交给代工厂,随后还必须在制造的晶粒上进行光学表征,并将设计模型反馈至模拟工具中,以验证系统功能和制造容差。

 

在开发最终需要投产的任何复杂系统时,这对于反覆最佳化光子电路可说是关键的一步。当制造的晶片数量超过一定值时,建议利用测试公司提供的自动化表征装置和量测设备,以便加快进程,并获得可靠和一致的资讯。

 

最后,在设计光子晶片时还有许多其它因素要考虑,如测试要求、封装标准或最佳实践,以及特殊的设计要求、捷径和以及每家具体代工厂有关的最佳化等。

 

设计公司通常不仅提供设计,还提供测试服务,例如 VLC Photonics 可支援在所有主要的材料平台上开发任何的光子晶片,过去十年来在整个无晶圆厂生态系统中也收获甚丰。

 

图 6:以矽光子开发的中阶光栅波分多工器,瞄准光资料通讯应用