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矽光子與光連結應用優勢探討
台大系統晶片中心專欄(29)

【作者: 黃俊翰】   2009年09月25日 星期五

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在IC晶片領域中為了追求更快的運算速度,因此不斷地縮小元件尺寸,相對在系統電路方面的複雜度不斷的提升,一來一往之下使得金屬線連結在傳輸時因為電阻與電容產生之延遲效應(RC delay)更加顯著,使其操作速度因連結方式而有所限制,同時傳輸時失真及損耗方面的問題也因此日益嚴重。相較於電子,光子沒有電荷與質量,不容易受到外界因素的干擾,在傳輸上也有較低的傳輸損耗及功率消耗。因此為了在速度上有所突破,近年來許多研究團隊利用光連結(Optical interconnect)系統來取代電連結(Electrical interconnect)系統,而將光學元件整合入積體電路中形成OEIC(opto-electronic integrated circuits)成為積體光學(Integrated Optics)研究的主流。其中矽光子(silicon photonic)與光連結(Optical interconnects)提供了較低成本的解決方法,也因此逐漸成為許多團隊積極研究的一個主題。



在矽光子學中可分成幾個大部分光訊號調變器、光訊號切換器、雷射二極體及光訊號接收器、光源耦合技術,而本實驗室主要致力於光訊號調變器的研究與設計。在調變器中,調變原理可分成電跟熱兩種不同機制,分別為電光效應(Electro-optic effect)及熱光效應(Thermo-optic effect)。在電光效應又可分為兩種不同的形式:一是利用外加電場改變材料之折射率稱為Electro-refraction effect,另一則是利用外加電場改變材料之吸收係數稱為Electro-absorption effect。在Electro-refraction中有Kerr effect、Pockels effect及free carrier plasma dispersion effect幾種不同的效應,由於矽原子的排列為中心對稱,所以Pockels effect在矽基板中不存在。在Electro-absorption中則有Franz-Keldysh Effect及Quantum Confirmed Stark Effect兩種效應。在熱光效應中因材料溫度改變同樣可造成折射係數或吸收係數改變兩種不同的形式,此處將重點放在因溫度改變造成吸收係數變化之熱光吸收調變器上。




《圖一 (a) 11μm-鍺,加熱後吸收曲線向長波長方向移動之量測圖、(b)鍺與其他主要半導體材料的吸收光譜[1]》




熱光吸收調變原理


光訊號在材料中傳遞時,吸收與否取決於光子能量(photon energy)與材料之能隙能量(Energy gap)間之關係,若光子能量大於材料能隙能量,則可激發材料中之電子,使其吸收光子能量而造成能階越遷,反之則光可不被吸收而在材料中傳輸。由光子能量與光波長之關係式(E(eV)=1.24/ λ(μm))與材料之直接能隙能量與溫度之關係式(Eg(T)=Eg(0)-aT2/(T+b)),可推得隨著溫度T上升,直接能隙能量Eg(T)便會下降。故在同一波長下,材料之吸收係數因為溫度上升而變大,導致在光頻譜圖上由於溫度上升而吸收係數曲線往長波長方向偏移的現象,圖一(a)為厚度11μm鍺加熱後吸收曲線往長波長方面偏移之量測圖。




《圖二 垂直吸收型熱光調變器元件(a)側視結構圖、(b)上視圖-以SEM(電子掃描式顯微鏡)拍攝》




利用上述之現象,藉著在元件主動區上施加一偏壓,由於電功率之輸入對元件加熱溫度,使其吸收係數曲線發生偏移,輸出之光強度因而產生變化,藉以達到調變之效果,即為熱光吸收調變之原理。圖一(b)為矽、鍺以及多種III-V族材料之吸收係數對應不同波長



與光子能量之光譜圖。由圖可知,鍺相較於矽之吸收係數曲線具有較陡峭之變化,且其變化最劇烈之波段為長途商用光通訊所使用之1550nm波段。因此若將操作波長設計在1550nm附近,則鍺之溫度只需小幅度改變,使其光吸收曲線偏移數個nm,即可使吸收係數有顯著之變化,輸出之光強度也可有明顯的改變,接著從光強度之變化中定義出1準位(high)與0準位(low),藉由輸入不同之偏壓則可控制光訊號在1準位與0準位間變換。因此我們選用鍺做為吸收型熱光調變器(Absorption-type thermo-optic modulator )之調變元件。



《圖三 光學調變量測系統架設》


鍺接合技術


我們利用類似BESOI之技術來製作以鍺做為吸收型熱光調變器之GOI(Germanium on Insulator)結構。利用單面拋光的鍺晶圓,在其拋光面上分別使用PECVD及蒸鍍機沉積絕緣層二氧化矽(Silicon Oxide)與金屬反射層,再將金屬層與矽晶圓間利用環氧黏膠經過150℃烘烤黏合,最後在鍺晶圓另一面未拋光處利用研磨及濕蝕刻方面將厚度控制到數個微米,即完成主結構之製作,其方法亦可黏合於各式基板材料。此結構也可使用其他方式如SmartCut[2]及直接成長方式[3]於矽基板上達成。




《圖四 Lensed fiber之聚焦示意圖》




元件製作流程及原理


我們提出垂直型熱光吸收調變器以側向電-熱加熱(lateral electro-thermal heater)之結構,如圖二(a)所示,圖二(b)為以SEM拍攝之元件上視圖。以類似BESOI的方法製作出GOI結構。在GOI上沉積一層厚度260nm的二氧化矽薄膜作為抗反射層(ARC),緊接著利用旋轉塗佈光阻並按圖案(patterning)設計曝光及顯影,以反應式離子蝕刻機配合高等向性之蝕刻配方完成孤島狀調變器元件 (isolated modulator device),其邊緣之輪廓呈現曲線變化,以利金屬電極之貼附。然後進行第二層圖案設計曝光及顯影,再沉積上厚度300nm且歐姆接觸之接點金屬,並利用Lift off技術完成金屬電極。



垂直型熱光吸收調變器之操作原理是以空氣-鍺-金屬形成AFP(Asymmetric Fabry-Perot cavity;非對稱型共振腔),在鍺區經過金屬層反射回來的光會與表面反射光互相干涉形成共振,在光譜圖上可觀察到週期性震盪。利用側向電-熱結構加熱,使得鍺元件之溫度上升進而改變其吸收係數,光譜圖因吸收係數變化而產生偏移。而我們利用在鍺表面覆蓋上一層抗反射膜後,使其光譜圖在鍺之吸收係數變化最劇烈之波段1550nm附近達到低點,當光譜圖因溫度變化產生偏移時便可在此波段可得到很高的對比度(contrast ratio),達到良好的調變效果。




《圖五 (a)光耦合量測系統損耗量測架設示意圖、(b)光耦合量測系統之損耗量測結》




量測系統架設


圖三為測量其不同偏壓下之光強度調變量測系統架設之示意圖。此系統之輸入光源由可調式雷射(Tunable laser)提供,調整其光源以最低功率輸出至元件上,避免元件經由雷射光而產生加熱效果。入射及反射光使用同一條光纖經由光循環器(Optical circulator) 進行耦合,此做法可大幅度降低耦合以及校準方面的困難度,最後由光偵測器(Photo detector)接收經調變之光訊號。由於熱光調變器之主動調變區鍺為邊長為數個微米至數十微米之矩形,為了能將光源準確地耦合進元件,因此此處選用Lensed fiber進行耦合,其結構為普通之SMF(Single mode fiber)並在其端面處熔合上透鏡。SMF端面輸出光之光斑約為9μm,其形式為一高斯光束(Gaussian beam)且以一發散角快速發散,加上透鏡後使其光束在經過一段距離後聚焦,聚焦後之光斑可縮減至5μm以下,如圖四所示。所以選用Lensed fiber不僅可降低光斑大小,也可避免因使用直接耦合(End-butt coupling)而產生之表面干擾問題。



為確認Lensed fiber有無達到預期之效果,故利用簡單之量測系統作反射光耦合量測如圖五(a)。首先在單面拋光之矽晶圓上蒸鍍一層鋁薄膜,作為良好的反射層,進行反射光量測。圖五(b)為工作距離(working distance)對應光損耗之量測結果,其中將Lensed fiber距離待測物最佳位置處定義為零,由圖可知,最佳工作距離的誤差忍受度相當好,且成功的接收反射光,是一套可用之光耦合量測系統。



《圖六 不定偏壓下之正規化光頻譜圖,內嵌圖為固定波長1553nm下不同偏壓之響應圖》


結果與討論


圖六為量測不同偏壓下反射光強度之光頻譜圖之變化。由圖中得知輸入1-V偏壓(0.7mW之功率)相對~5℃之溫度變化下,在波長1553nm處可得到最大之對比度5.4dB,其3-dB頻寬為15nm(1542~1557nm)。圖六之內嵌圖為固定波長1553nm下,不同偏壓之響應圖。由圖可知隨著偏壓加大,光強度改變更加明顯,同時也提高了對比度。相對較於傳統的熱光調變器利用折射率的改變造成相位及光強度週期性的震盪,吸收型之熱光調變器藉著輸入功率與溫度之相依性來調變光訊號之機制較為單純。因此吸收型熱光元件在熱穩定控制上有較低的需求及較高的熱容忍度。



在速度方面的表現此元件已是目前最快之熱光調變器,且有低功率消耗,隨著體積之微縮化其操作速度還可以再繼續提升。此元件之光學路徑決定於鍺區域之垂直厚度,已經縮短至數個微米,截面積大小由於受限於光纖出來之光斑大小勢必大於1 μm2,之後將以波導之結構做為繼續微縮化之目標。除此調變器外,以矽基電光效應調變器於近年亦有驚人之發展,包含本文所提出之Ge/SiGe QCSE光調變器[5]以及Intel所研發之MOS型態調變器[6],可使矽光電與光連結之效能與應用大幅提升,讓OEIC在未來IC晶片領域的發展中佔有不可取代之地位。



---本文由台灣大學系統晶片中心提供---



參考資料



  • [1] G. E. Stillman, V. M. Robbins, and N. Tabatabaie, “Ill-V Compound semiconductor devices: optical detectors,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-31, no. 11, pp. 1643-1655, Nov. 1984.



  • [2] A. J. Pitera, G. Taraschi, M. L. Lee, C. W. Leitz, Z.-Y. Cheng, and E. A. Fitzgerald, “Coplanar integration of lattice-mismatched semiconductors with silicon by wafer bonding Ge/Si Ge /Si virtual substrates,”J. Electrochem. Soc., vol. 151, no. 7, pp. G443–G447, May 2004.



  • [3] Y. Liu, M. D. Deal, and J. D. Plummer, “High-quality single-crystal Ge on insulator by liquid-phase epitaxy on Si substrates,” Appl. Phys. Lett., vol. 84, no. 14, pp. 2563–2565, Apr. 2004.



  • [4] Y.-H. Kuo, Y.-A. Huang, T.-L. Chen, “A vertical germanium thermooptic modulator for optical interconnects,” IEEE Photon. Technol. Lett. 21, vol. 21, no. 4, pp. 245- 247 Feb 15, 2009.



  • [5] Y.-H. Kuo, Y. K. Lee, Y. Ge, S. Ren, J. E. Roth, T. I. Kamins, D. A. B. Miller, and J. S. Harris, “Strong quantum-confined stark effect in germanium quantum-well structures on silicon,” Nature, vol. 437, pp. 1334–1336, Oct. 2005.



  • [6] A. Liu, L. Liao, D. Rubin, H. Nguyen, B. Ciftcioglu, Y. Chetrit, N. Izhaky, and M. Paniccia1, “High-speed optical modulation based on carrier depletion in a silicon waveguide, ” Opt. Express, vol. 15, no. 2, pp.660-668, Jan. 2007.



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