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3D 硅光芯片
这一篇笔记主要分享一篇硅光的文献进展，个人觉得很有意思，High-Density Wafer-Scale 3-D Silicon-Photonic Integrated Circuits。 集成光路(以下简称PIC)与集成电路(以下简称EIC)类似，都是在二维平面内做文章。为了进一步提高器件的集成度，人们提出了3D EIC的概念。 加州Davis分校研究组所提出的基于硅光的3D PIC，整体结构如下， ? （图片来自文献1） 右图中的小方格是一个结构单元，每个cell由两层硅光PIC芯片和一层EIC芯片构成。 几点看法： 目前2D 硅光芯片的集成度其实还没有那么高，对器件密度提高的需求不是主要矛盾。虽然3D PIC的想法很好，有很好的前瞻性，但从应用需求和加工难度来看，还是实用性不够强。 LIDAR系统所需的光器件较多，是一个比较好的应用领域。 3D PIC的加工比较复杂，良率是一个很大的问题。 3D PIC的性能如何，还有待进一步的报道。
1.9K30发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
大规模硅光集成光路在量子光学的应用
这两篇工作分别发表在2018年3月份的Science与2018年8月份的Nature Photonics, 由此可见其意义重大。 整个光路含551个功能元件，可以称得上大规模集成光路。作为对比，光模块中硅光芯片一般用到的器件数目是10多个。 任意两比特操作 第二篇工作发表于Nature Photonics, 采用大规模可编程的硅光集成光路，实现了任意的两比特逻辑操作。整个芯片的示意图如下， ? 由于硅光芯片采用CMOS工艺，可以保障每个器件的性能，并且器件尺寸较小，可以单片集成较多的元件。只有每个元件的性能都比较优异，才能保证整个系统可以较好地工作。 这两篇工作表明了基于硅光芯片的大规模集成光路的可行性，其可以应用到其他相关方向（例如基于硅光的Lidar，光开关等）。
1.4K20发布于 2020-08-13 - 来自专栏光芯前沿
NTT：硅光单片集成实现光-电-光(OEO)转换的高速高增益方案实现
本文首次报道了无需TIA的单片集成硅光子OEO转换器——高速负载电阻型与高增益电流注入型，实现了可重构非线性传输和可量化的片上RF增益，为规模化光电子计算奠定了关键基础。 论文链接：https://arxiv.org/html/2601.04472v1 ◆ 器件架构与实验设计 两种OEO转换器均基于AMF的硅光平台流片，核心结构均由锗光电探测器（PD）与微环调制器 两种器件的MRM均具有约4000的Q值，端面耦合器的光损耗约为3 dB，波导传输损耗为0.1 dB/mm。 ◆ 结论 本文首次实验演示了无需跨阻放大器、单片集成的硅光子负载电阻型OEO转换器，同时实现了高增益特性的电流注入型转换器，两种架构形成完美互补：负载电阻型以RC限制为代价，实现了4 Gb/ 两种转换器均兼容硅光子制造工艺和CMOS技术，通过进一步优化器件电容、调制效率和载流子寿命，有望实现亚飞焦/比特的能耗水平。
26910编辑于 2026-01-13 - 来自专栏硅光技术分享
光学FPGA——可编程的硅基集成光路
这篇笔记主要分享硅光芯片的一篇最新进展。 基于锗离子注入的硅波导工艺和激光退火工艺，他们实现了可擦除的定向耦合器，进而实现了可编程的硅基集成光路，也就是所谓的光学FPGA。 典型的做法是以两个3dB的DC构成一个Mach-Zehnder干涉仪，在干涉仪的一条臂上通过热效应调节相位，进而达到分光比的动态调节，如下图所示。 研究人员进一步提出了一个较复杂的集成光路结构，通过DC分光比的改变，该光路可分别实现PSM4, WDM4和QAM的发送光路，如下图所示， ? 总体说来，该进展的设计非常巧妙，借助于可擦除DC，实现了可编程的集成光路。这也许是未来集成光路的一个重点发展方向。
2K10发布于 2020-08-13 - 来自专栏先进封装
硅光芯片封装
点击蓝字 关注我们硅光芯片封装 硅光芯片公司简介COMPANY PROFILE泰丰瑞电子有限公司致力于计算光互连芯片与封装，利用光互连实现片间超高速互联，构建模块化、可扩展的“超级芯片”，大幅扩展算力节点规模 同时，利用2.5D和3D先进封装工艺，有效缩短链路距离，提升能效。公司拥有领先的光电子芯片设计能力和封测技术，提供面向算力中心的硅基光电子芯片和互连系统。 No.3高频电路设计、仿真与测试提供高密度集成、高带宽光电子芯片封装PCB定制开发，PCB实测带宽>50GHz。No.4高密度电学封装提供亚μm高精度贴装服务。 No.5机械结构设计和加工提供机械外壳、BOX封装等机械结构设计及外壳加工服务，可选择光固化树脂3D打印、CNC金属机加工，加工精度均为20mmNo.6光电模块混合集成封装基于光电子芯片混合集成封装工艺 No.9光电子芯片控制电路设计面向光电芯片多通道大规模控制需求，提供配套控制电路设计、算法编写及上位机软件开发全流程设计服务产品介绍PRODUCT INTRODUCTION硅基光调制器芯片硅基光调制器芯片通过调制光信号的强度
31700编辑于 2025-10-04 - 来自专栏硅光技术分享
硅光耦合封装新方案：熔接光纤与硅光芯片
这篇笔记介绍一篇最近的硅光封装进展。美国罗切斯特大学研究小组最近报道了一种新型的硅光芯片耦合封装方案 Optica 6, 549(2019)，即使用熔接的方法将光纤与端面耦合器连接，耦合损耗为1dB。 耦合封装是硅光产品大批量生产中的重要环节之一。能否实现快速、低成本、高耦合效率的硅光芯片封装，直接决定了产品的竞争力。Rochester大学的新方案，其结构示意图如下， ? SiO2强烈吸收10.6um波长的光。实验中CO2激光器的功率为9W, 照射时间为0.5s。 实验中他们采用的SiN taper作为耦合器，光场从SiN波导中转换成SiO2悬臂的波导模式，进而再耦合到单模光纤中，其结构示意图如下图所示。 （图片来自文献1） 相比于现有的耦合封装方案（可参看硅光芯片的耦合封装），光纤熔接的方法显得特别简单，既不需要额外的结构设计(V-groove, 聚合物，interposer等)，也不需要特殊的光纤（斜切光纤
3.8K31发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
硅光芯片的光源
这一篇笔记聊一聊硅光芯片的光源问题。公众号里写了很多硅光相关的专题，但是一直没有提及光源问题。在硅光芯片上可以单片集成调制器、探测器等，并且性能优良，但是不能发光是硅材料的短板，没有较好的解决方案。 既然硅材料发光效率低，而III-V族材料可以自发光，很自然的想法是将两者结合起来，这也是目前主流的方案，也就是所谓的硅基混合集成激光器。 具体来说，可以细分为三种：第一种是flip-chip方案，直接将封装好的III-V激光器贴到硅光芯片上；第二种是wafer/die bonding方案，将III-V的裸die贴合到硅光芯片上，后续再对裸 Flip-chip方案 该方案将激光器LD直接倒装焊到硅光芯片上，思路比较简单，工艺也比较成熟。但是该方案对贴装的精度要求比较高，时间成本较大，并且集成度不够高。 该方案是真正意义上的单片集成方案，潜力巨大。 以上是对硅基混合集成激光器的总结，当然还有一些其他方案，例如在硅中掺杂稀土元素，锗硅激光器等，这些方案大多不太成熟，处于研究阶段。
4.3K20发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
硅光公司收购记
最近一年来，多家硅光公司被收购，这里小豆芽简单整理下，便于大家参考。 下表是被收购的硅光光模块公司的清单， ? 总结一下，有三点： 1) 硅光transceiver公司大都被通信设备商收购，例如Cisco, Huawei, Nokia等 2) 创业不易, 从创业到被收购，最短的也将近5年时间，最长的有近20年。 3）Cisco对硅光是真爱 下表是仿真软件和layout工具的收购清单, ? Lumerical软件可以算是硅光设计的行业标准工具，之前看它和Cadence合作较多，没想到最后还是嫁给了Ansys。 除了transceiver和软件这两方面，硅光相关的创业公司还有很多，包括Lidar，光计算，生物传感等领域。 transceiver/interconnect Ayar labs, Rockley Photonics 2）Lidar Voyant Photonics, SiLC, Analog Photonics 3)
1.3K30发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
Acacia的硅光技术
Acacia公司在2009年成立，并于2016年上市，是硅光领域的明星企业。它的主要产品包括DSP芯片、硅光芯片，以及基于这两者的相干光收发模块。 ? Acacia相干光模块的集成光路结构如下图所示(OFC 2014)， ? (图片来自文献1） 发送端和接收端都集成在同一个硅光芯片上，芯片的尺寸为2.7 * 11.5mm^2, 主要的光器件有：端面耦合器，偏振分束旋转器(PBSR)，分束器，可变光衰减器(VOA)，载流子耗尽型调制器 调制器和探测器的3dB带宽都达到了30GHz。调制器的平均消光比达到30dB。 在2017年，Acacia实现了该相干光模块的BGA(ball grid array)封装，如下图所示， ? （图片来自文献3） 硅光芯片、TIA和driver通过flip-chip的方式键合在LTCC底板上。整个系统的尺寸为21.6*13.0mm^2, 共含有369个小球。
4.5K30发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
Rockley的硅光技术
最近Rockley在一篇IEEE的刊物上详细介绍了他们的硅光技术，小豆芽这里简单梳理一下。 与一般的硅光技术相比，Rockely采用的是3um厚的厚硅技术，而不是传统的220nm厚的硅波导。 4）可承受较大的光功率 由于硅材料存在双光子吸收效应，波导中的光功率不能太大。220nm厚的硅波导功率上限值为300mW (25dBm), 而3um厚的硅波导可承受10W的光功率。 5）可与III-V光芯片集成 由于InP光波导的模斑尺寸与3um厚硅波导尺寸接近，因而它们两者可以直接进行耦合，不需要设计额外的taper结构。 （图片来自文献1） 3um厚的硅光波导，无法通过设计硅的PN结结构，形成硅调制器。Rockley的方案是将III-V的电吸收调制器，通过flip-chip的方式，集成到硅光芯片上。 对于尺寸要求不严格的应用场景，并且光路中涉及到相位敏感的器件，可以采用3um厚的硅光工艺。目前提供3um硅光工艺的平台，只有两家，另外一家是芬兰的VTT, 可选的工艺平台较少。
3.2K20发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
硅光芯片与InP光芯片比较
从上表中可以看出： 1）两种材料体系的波导传输损耗相差不大，都在2-3dB/cm 2）硅光芯片的调制器性能和InP体系的调制器性能相当，LETI平台的调制器带宽较大 3）硅光芯片的Ge探测器带宽大于InP 总体说来，硅光芯片和InP光芯片各方面的性能相差不大，唯一的区别是InP可以单片集成激光器，而硅光芯片需要混合集成InP材料作为激光器。 我们经常听到硅光的优势之一是“成本低、与CMOS工艺兼容”。 InP晶圆的尺寸一般为2-3寸，而硅光可以使用8寸和12寸的SOI晶圆，成本可以大大降低。但是参考文献2中的数据，现阶段两者MPW流片的费用相当，硅光流片费用反而略高一些。 ? 关于CMOS工艺兼容，需要补充说明的是传统的CMOS工艺线并不能直接生产硅光芯片，而是需要做一些改动。 从长远角度看，硅光集成是必然趋势。 但是现阶段硅光相对于InP的优势并不明显，硅光芯片还有许多问题需要解决。混合集成InP激光器是最为可行的解决硅光激光器问题的方案。
8.5K22发布于 2020-08-13 - 来自专栏光芯前沿
.：5.3Tbsmm², 120fJbit的3D集成高密硅光互联
◆ 解决方案： 将高性能的电芯片和集成光芯片，通过倒装焊3D集成的方式，实现高密度的互联芯片实现。 ◆ 难点： 在之前报道的3D集成硅光互联的工作中，虽然也实现了＜200 fJ/bit的能耗，但EIC和PIC的bonding间距要么超过了器件本身的大小，没有实现高密度bonding，（嫌它稀疏 而且目前展示的3D集成硅光互联最大的通道数也只是8通道（嫌它通道少）。 GF的光电集成平台是45nm，Intel据说有32nm的硅光工艺。硅光互联的需求量要是能撑起12寸产线，用上先进工艺之后，谐振型器件也还是未来可期。 另外明年AIM Photonics会开放升级版的低损耗硅光的MPW流片，主要解决了高质量氮化硅的集成，波导损耗和器件损耗都好低，PSR官网写着是0.015dB的插损。
38200编辑于 2025-04-08 - 来自专栏硅光技术分享
硅光工艺平台比较(更新)
这篇笔记整理下现有的硅光工艺平台，并进行相关比较。 硅光流片平台主要有： 1)比利时的IMEC 2)新加坡的AMF(前身为IME) 3)法国的LETI 4)美国的AIM photonics 5)美国的GlobalFoudries 6)新加坡的CompoundTek 从上表中看出： 1）目前主流的硅光芯片采用220nm的SOI, 只有Leti采用310nm厚的Si, VTT采用3um的厚硅工艺。 由于硅光芯片目前的发展还处于初期阶段，不像集成电路，工程师只需在schematic层面上进行设计，不需要关心底层元器件的性能参数。随着硅光产业的发展，系统的复杂性增加，应该也会有相似的技术分工。 流片厂负责底层器件的优化，用户只需使用这些PDK去搭建集成光路即可。目前有硅光产品的公司，大都拥有自己独立的硅光工艺线。 文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。
5.8K40发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
硅光器件的ESD特性
（图片来自https://minotaurlabs.com/mm-dont-do-it/） 3）元件充电模式(charge device model，简称CDM) 上述两种模式都是外界对器件放电，而CDM 其等效电路如下图所示， （图片来自https://www.rfwireless-world.com/Articles/ESD-basics-and-ESD-tester.html） 硅光的有源器件本质上也是 但是似乎并没有文章系统讨论硅光器件的ESD性能。IMEC近期发表了一篇硅光器件自身ESD性能表征的文章，包括Ge探测器、EAM调制器以及微环调制器，如下图所示。 3) 器件的光学性能在ESD测试前后没有明显的变化 4) 金属heater会对器件的ESD性能产生影响 在实际硅光产品中，往往会在器件附近并联一个反向二极管或者三极管作为ESD保护电路。 对于大规模集成光路来说，可能会因为某几个有源器件ESD失效导致整个光路无法正常工作。 文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。
2.2K30编辑于 2022-03-29 - 来自专栏硅光技术分享
硅基热光相移器
这一篇笔记聊一聊硅光芯片上的热光相移器(thermal phase shifter)。 硅材料的热光系数为1.84e-4/K, 比二氧化硅、氮化硅等的热光系数高一个量级。 基于硅光的热光效应，可设计热光相移器、热光开关等。由于加热过程的特征时间是ms量级，其不可用于信号的高速调制。 典型的热光相移器结构有两种， 1. 采用TiN作为热源的热光相移器，由于TiN距离硅波导较远，其插损较小，通常需要20-30mW实现π的相位变化。 2. （图片来自文献3） 左侧为轻掺杂的Si, 其两端施加电压后，成为热源。热量传导给右侧的波导。两者之间通过slab波导连接（也可以不用slab波导）。 以上是对硅光中的热光相移器的简单介绍，比较粗浅。虽然热光相移器的调制速率不如电光效应快，但是其工艺简单、损耗小，可用于一些速率要求不高的应用场景。
4.5K10发布于 2020-08-13 - 来自专栏睐芯科技LightSense
关于硅光的几点想法
一、关于硅光未来1. Ai光通信需要更低功耗，更低时延。2. Ai光通信需要摩尔定律，每十八个月性能翻倍、成本减半。3. 很明显现有的光模块技术无法实现上面两点要求。只有半导体技术才能达成摩尔定律。 过去10几年做（半导体）硅光的，就算没有成先驱，也已半死。科学技术本身推动不了硅光产业化，只有巨量的市场需求才能。AI光通信使用场景单一（产品单一），用量巨大，现在才是半导体硅光的时机。 未来芯片互联是光互连吗？2. Ayarlabs的硅光芯片和测试3. 硅波导的损耗4.光子集成电路 Photonic Integrated Circuits (PICs)：平台和应用前景
29110编辑于 2024-07-24 - 来自专栏硅光技术分享
IBM的硅光封装方案
Intel与IBM在硅光领域深耕了多年，Intel已经推出了基于硅光的PSM4和CWDM4产品。目前IBM还没有硅光相关的产品问世，但是经常可以看到其技术进展报道。 总体说来，IBM的硅光封装方案主要分硅光芯片的耦合和芯片间的组装两类，其中硅光芯片的耦合封装方案又细分为两种：1）基于fiber array的组装方案，2）基于polymer波导的组装方案。 3. 多个芯片的flip-chip封装方案 对于多个芯片的组装，IBM采用的是flip-chip方案，利用他们特有的工艺条件，实现了自对准的芯片组装。其原理图如下， ? 另外需要将顶部的芯片与底部芯片端面接近（上图3的optical connection处），使得光场能够以较高的效率耦合。而两个芯片间的电互联可以通过焊接在一起的金属pad实现。 实验中，他们使用两颗硅光芯片验证这一方案，两个芯片贴装后的光耦合损耗为1.1dB。 IBM的这三个方案都利用了其工艺优势，在硅光芯片上刻蚀一些凹槽结构，用于实现高精度的对准。
2.9K31发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
ChatGPT眼中的硅光技术
最近ChatGPT非常火爆，小豆芽试着和它就硅光技术展开了一些问答。蹭下热点，看看它对硅光技术的认识深度。以下是一些对话内容，供大家参考。 ChatGPT认为硅光技术的主要优势有：集成度、成本、扩展性、带宽、功耗、可靠性和工作波长。这个回答非常到位，关于硅光成本的优势，可能得具体分析，目前看来封装成本占比比较高。 ChatGPT认为，硅光技术商业化落地的难点主要有5点：成本、复杂性、集成、可靠性和性能。 关于第三点，需要与电器件集成，这一点不太准确，虽然GlobalFoundries将硅光的monolithic工艺推进到45nm节点，但是长久来看，光芯片和电芯片分开制造是一个更好的选择，有利于发挥各自的性能优势 关于采用外置激光器还是集成激光器，ChatGPT的观点基本靠谱，集成光源方案体积小，但是光功率较低，当然它也是可以实现多波长的输出。而外置光源光功率大，需要精密的光学对准。
1.4K40编辑于 2023-02-28 - 来自专栏硅光技术分享
硅光芯片的耦合封装
这篇笔记整理下硅光芯片的耦合封装方案。硅光芯片的耦合器主要分端面耦合和光栅耦合两种，对应的封装方案可谓五花八门，这里选取一些典型的方案。 Intel选取了片上异质集成激光器的方案，因而不存在耦合封装这一问题。 1. 端面耦合 a) IBM方案 关于IBM的耦合封装方案，之前的笔记IBM的硅光封装方案介绍过。 另一种方案借助于聚合物波导，如下图所示，聚合物波导充当单模光纤与硅波导之间的桥梁，光从单模光纤耦合进聚合物波导，再由聚合物波导耦入硅波导中。 ? lensed fiber的MFD只有3um左右，可以与硅波导有效地耦合，如下图所示， ? （图片来自文献3） c) Micro-optical bench方案 该方案借助于微透镜、棱镜等光学元件，将DFB激光器中的光场耦合进芯片中，激光器、透镜等元件放置在一个bench上，如下图所示， ?
9.8K75发布于 2020-08-13 - 来自专栏硅光技术分享
TSMC的硅光封装路线
在这周的2021 HotChips会议上，台积电发布了最新的3D封装技术路线图，其中涉及到硅光相关的新型异质集成封装(heterogeneous integration)技术，台积称之为COUPE。 ，业界有一部分企业在推进EIC-PIC单片集成(monolithic integration)的路线(参看GlobalFoundry的300mm硅光子工艺平台), 如下图左图所示，在同一个芯片上同时加工电器件与光器件 台积没有报道其他的硅光器件参数，但是其与Luxtera长期合作，Luxtera之前报道过相关参数，器件性能也是非常优异的。 简单整理一下，TSMC揭开了其硅光封装的神秘面纱，采用了异质集成的硅光封装路线，电芯片和光芯片放置在同一个基板上，通过wire bonding的方式互联，能效比与带宽得到了提高。 另外，微信讨论3群还有一些空位，有需要的朋友可以加入进来讨论硅光技术。大家也可以添加我的个人微信photon_walker。 ---- 参考文献： 1. D.
2.7K30发布于 2021-09-18
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