CompoundTek的低损耗高带宽硅光工艺平台

新加坡硅光流片厂CompoundTek最近发表了一篇文章"Wafer-Scale Demonstration of Low-Loss (~0.43 dB/cm), High-Bandwidth (> 38 GHz), Silicon Photonics Platform Operating at the C-Band", 小豆芽这里对此做一个简单的介绍。

下图是CompoundTek硅光平台的截面图，其采用8寸的SOI晶圆。硅的厚度为220nm, Box层厚度为3um。硅衬底的电阻率为750 Ohm*cm。拥有两层金属用于布线，第一层Cu的厚度为600nm, 第二层Cu的厚度为1200nm。采用TiN作为金属热电极。

（图片来自文献1）

硅波导三步刻蚀的深度分别为70/130/220nm。为了降低硅波导的传输损耗，在波导刻蚀完成后，CompoundTek采用了两步工艺用于降低硅波导侧壁的粗糙度。首先，采用氢退火工艺(hydrogen annealing)。在退火过程中，波导表面的硅原子迁移率增加，为了降低表面能，硅原子会重新排列，从而降低了侧壁的粗糙度，如下图所示(非CompoundTek结果)。左边一列为退火前波导的SEM, 右边一列为退火后的SEM。

（图片来自文献2）

氢退火完成以后，再采用热氧化(thermal oxidation)的方式，进一步降低波导侧壁的粗糙度。侧壁凸起的部分更容易被氧化掉。侧壁peak与dip部位的热氧化程度不一样，从而可以使得侧壁更加平滑。

CompoundTek对三种形状的硅波导损耗进行了表征，分别为450nm/500nm宽的条形波导和450nm宽的脊形波导，其光场分布如下图所示，

（图片来自文献1）

波导损耗的wafer级测试结果如下图所示，450nm宽脊形波导的传输损耗为0.43dB/cm， 450nm宽条形波导的传输损耗为0.78dB/cm, 500nm宽条形波导的传输损耗为0.65dB/cm。该数值是一般的2-3dB/cm的三分之一，对于大规模集成光路是非常有帮助的。

（图片来自文献1）

CompoundTek的高速MZM调制器结构如下图所示，采用非对称的MZI结构，两臂的波导长度相差45um，对应5.69nm的FSR。Phase shifter的长度为2mm。

（图片来自文献1）

采用lateral PIN型的相移器，本征区的宽度为30nm, P掺杂的offset值为35nm。采用行波电极的设计，用于匹配RF信号与光信号的群速度。该MZM调制器晶圆级的测试结果如下图所示，3dB带宽为38.5GHz, VpiL值为1.6V*cm。

（图片来自文献1）

微环调制器(micro-ring modulator)的结构如下图所示，微环的半径为10um，对应9.69nm的FSR。PN结采用lateral结构，与MZM采用的结构略有差别。MRM的设计里还没有引入热调控，不是很完善。

（图片来自文献1）

MRM的晶圆级测试结果如下图所示，3dB带宽为43GHz, VpiL为1.85V*cm。

（图片来自文献1）

CompoundTek采用vertical型的Ge探测器设计，如下图所示。Ge的高度为500nm，宽度为10um。

（图片来自文献1）

Ge探测器的3dB带宽为43GHz, 响应率为0.835A/W, 暗电流为2.58nA，性能非常优异。其3dB带宽的晶圆级测试结果如下图所示，

（图片来自文献1）

以上是对CompoundTek硅光工艺平台的简单介绍，性能还是非常不错的，尤其波导的传输损耗。CompoundTek给出了每个器件的wafer级测试结果，数据详实，且一致性较高。需要注意的是，这里展示的器件都是针对C波段的。一些重要的无源器件，并没有进行表征，包括grating coupler、MMI等。CompoundTek似乎在为Lidar储备相关的技术，他们与Voyant Photonics展开了深度合作，最近他们发布了O+L+C波段的可调谐激光器模块，波长覆盖175nm，输出光功率为40mW, 边摸抑制比为50dB。

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参考文献：

1. J. Sia, et.al., "Wafer-Scale Demonstration of Low-Loss (~0.43 dB/cm), High-Bandwidth (> 38 GHz), Silicon Photonics Platform Operating at the C-Band", IEEE Photonics Jounral (2022)

2. Q. Wilmart, et.al., "Ultra-low loss silicon waveguides in a mature photonics platform", Journ. Light. Tech. 39,532(2020)