19、硅平台上的高速光子集成芯片与CMOS光子学技术解析

硅平台上的高速光子集成芯片与CMOS光子学技术解析

1. 引言

硅光子学是一门利用硅的光学和电学材料特性的学科。目前，已经有多种将硅光子器件集成到更高级系统的方案，涵盖了从混合到单片集成的各种实现方式。

Luxtera采用了以互补金属氧化物半导体（CMOS）为先的方法来发展硅光子学。这种方法是在一个经过充分表征和维护的CMOS工艺基础上，逐步添加工艺模块以实现光学功能。这样做的原因有两个方面：一方面是为了利用先进的制造工艺和持续改进的CMOS设计与制造能力；另一方面是考虑到建设和维护先进节点CMOS晶圆厂的巨大成本，无法仅依靠新兴的光电子应用来支撑。

在实际应用中，应用需求决定了所需的功能以及器件的性能。系统、器件和工艺之间的耦合非常紧密，就像在电子学中一样，光学器件的性能受到CMOS技术能力及其在特定工艺代中的限制。器件的改进路径与工艺改进密切相关，虽然在不同材料系统中可以实现更好的单个器件，但目前这些系统还无法支持高水平的系统集成。因此，集成的好处更可能在系统层面而不是器件层面实现。Luxtera选择光互连作为目标应用领域，是因为其在性能（速度、功率）和市场规模（成本）方面的扩展需求与CMOS技术的扩展特性相匹配。

2. 为光子集成启用CMOS工艺

2.1 前端集成的原理

Luxtera的理念是将通用的电子设计和制造工艺扩展到光学组件。他们希望光子学成为集成电路设计师创建具有附加功能的复杂电路和系统的工具包的一部分，使光学组件像晶体管、电阻器、电容器等一样成为基本元素。并且，这些光学组件要与基本电气设备在同一硅片中同时制造，以确保与CMOS完全兼容，并从硅处理的进步中受益。

前端集成的方法