硅基光电子技术中V形槽光纤耦合技术

逍遥设计自动化

引言
# e8 D3 P0 M* x4 B/ W数据中心对高速互连的需求持续增长，推动了硅基光电子技术的广泛应用。这项技术能够以低成本提供高带宽密度和低功耗的优势。然而，在实现硅基光电子技术潜力的过程中，开发经济高效的光纤到芯片光学互连解决方案面临着挑战，特别是随着每个芯片的光纤端口数量不断增加[1]。

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基本挑战：模式尺寸不匹配
2 @7 J/ b8 v* j5 l( V( ?( ?光纤与光电子集成芯片耦合的主要挑战源于光学组件之间的尺寸差异。
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图1：光学组件尺寸比较，展示了单模光纤芯（约125微米直径）、光栅耦合器（12微米×20微米）和SOI波导（0.45微米×0.22微米）之间的显著尺寸差异。这种尺寸不匹配是光纤到芯片耦合的根本挑战。

" d$ d# T! t: i( Z' X标准单模光纤(SMF)的芯径为8.2微米，在C波段1.55微米波长处对应的模场直径为10.4微米。相比之下，常用的220纳米硅绝缘体(SOI)技术的芯尺寸约为0.5微米×0.2微米。这种数量级的模式尺寸差异导致横截面积相差近800倍，造成显著的插入损耗。如果不实施额外的结构来改善模式匹配，单模光纤和光电子集成芯片波导之间的直接对接耦合将难以实现。

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边缘耦合解决方案
边缘耦合是解决光纤到芯片耦合挑战的主要方法之一。这种方法通过芯片侧面的蚀刻或抛光波导端面实现单模光纤和硅基光电子集成芯片波导之间的平面耦合。

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图2：SOI光电子集成芯片波导边缘耦合器示意图，显示了带有倒置锥形SSC的硅波导在埋氧层上的结构，以及安装在子载体上的光纤。

+ ?! A/ R# E( S# {' L+ D边缘耦合具有宽带性能和偏振不敏感等优点。为实现低插入损耗，需要对波导、光纤或两者进行工程设计以改善模式匹配。光电子集成芯片侧的解决方案包括使用点尺寸转换器(SSC)结构，如倒置锥形结构、3D锥形结构或亚波长光栅超材料结构，以扩展芯片边缘的光学模式。光纤端可以采用透镜化处理，或者接入一段高数值孔径光纤来改善耦合。

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垂直耦合方法
作为边缘耦合的替代方案，垂直耦合在设计中得到广泛采用。这种方法利用面外耦合实现单模光纤和硅基光电子集成芯片波导之间的连接。

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图3：光电子集成芯片波导与单模光纤之间的近垂直光学耦合，展示了光栅耦合器结构的横截面视图和3D表示。

' Y2 A  e4 a! G" D, M垂直耦合采用在硅基光电子集成芯片波导中制作的光栅耦合器，将水平传播模式与近垂直光纤模式进行相位匹配。虽然光栅耦合器在波长和偏振敏感性方面面临挑战，但提供了在光电子集成芯片表面任意位置放置光学I/O点的优势，而不仅限于管芯边缘。

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图4：用于硅基光电子集成芯片边缘耦合的V形槽阵列，展示了多个在V形槽中以三点接触方式固定的单模光纤，以及与硅光电子集成芯片的结构集成。
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在Atomica（前身为Innovative Micro Technology），通过使用步进光刻和定制设计的各向异性湿法刻蚀工具，关键尺寸可以保持亚微米精度。这种精度使边缘耦合的被动对准成为可能，显著降低了制造成本和复杂性。

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图5：示意图显示了用于光纤阵列子载体对准的指定回路通道，展示了V形槽技术的实际应用。

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高密度应用的先进实现
9 h8 \0 k% s1 j6 s. w) D/ R, d+ v7 x随着业界向太比特以太网发展，对更高光纤连接密度的需求持续增长。为满足这一需求，开发了先进的制造技术。
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. N3 ~: S  ~1 a图6：上图 - 晶圆级2D光纤块实现；下图 - DRIE光纤块孔，显示精确的126微米直径和89.7度角，展示了高密度应用的先进制造能力。
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, i+ l2 W9 d" \; t) QAtomica开发了深反应离子刻蚀(DRIE)通道刻蚀技术，能够生产具有亚微米级通道间距和直径控制的垂直通孔。这项技术可以与各向异性V形槽刻蚀相结合，创建光纤装载结构，实现2D光纤阵列的封装，满足下一代硅光电子集成芯片中高密度光学互连的需求。

! U7 Z( A6 s$ G! z. u  b" _硅基光电子技术，特别是在数据中心应用中，对光纤到芯片耦合提出了越来越高的要求。无论是通过单片集成还是混合方法实现的V形槽技术，都为这一关键挑战提供了可靠和可扩展的解决方案。随着行业向更高带宽要求和更高集成密度发展，这些技术进步将在下一代光电子器件中发挥重要作用。

7 E" ~9 n8 a' D3 Z/ ^参考文献
+ W9 F5 K( I' r2 i5 {4 s, j( Y- d0 G[1] Atomica Corp., "V-grooves: solving the fiber coupling problem," Santa Barbara, CA, USA, Tech. Rep., 2021.
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