ICC訊 9月7-8日，第19屆訊石光纖通訊市場暨技術專題研討會（IFOC 2020）在深圳大中華喜來登圓滿舉辦。9月7日，光庫科技代表在專題三「通信半導體晶片發展」上發表主題為《薄膜鈮酸鋰混合集成器件應用與挑戰》的演講，分享半導體電子集成與光子集成，InP和SiPh光子集成，傳統鈮酸鋰調製器和薄膜鈮酸鋰光子集成，以及薄膜鈮酸鋰光子集成面臨的挑戰。
首先介紹了半導體集成與光子集成，對於半導體電子集成與光子集成的相似點，集成技術上，晶片級BB集成，光子集成線路（PIC）vs電子集成線路（EIC）；在標準製程上，多項目晶圓（MPW），設計與製程（Fab）分離；在標準設計軟體上，基於EME, FDTD, FDE, FEM, BPM方法的設計軟體，與Foundry對接的PDK(Process Design Kits)。從裡程碑的時間線上看，光子集成（2010年）比電子集成（1987年）晚了很多年。
對於半導體電子集成與光子集成的不同點。在集成度上，PIC元件尺寸遠大於EIC，104 /chip for PIC vs. 1012 /chip for digital EIC, 與RFIC相近。在功耗上，雷射器、調製器、放大器等有源器件的功耗大，相關的電子器件功耗比光器件本身的功耗又大很多，熱管理非常困難。在集成方式上，光子集成目前只能做混合集成，電子集成可以做到異質集成。在封裝方式上，電引腳（pin）和 光「引腳」（fiber）的區別。
InP和SiPh光子集成
以InP調製器為例，基於QCSE(Quantum Confined Stark Effect)的MQW(Multiple Quantum Well)結構，有源及無源器件集成，30+年發展起來的成熟的光子集成平臺，通用Foundry和PDK，成本較高。
以矽光子SiPh調製器為例，三種機制——carrier-accumulation、carrier-injection、carrier-depletion，常用的Push-Pull Carrier-depletion，集成度高、可擴展性好、CMOS兼容工藝，短距傳輸性價比好，自由載流子吸收導致高插損和調製效率低、驅動迴路阻抗受摻雜濃度和施加電壓影響、插損/帶寬彼此制約、雷射器集成仍未解決。
鈮酸鋰產品線介紹——產品線始於義大利米蘭Pirelli研究實驗室
通過多次併購，強大的技術和生產團隊一直致力於開發和發展用於通信、設備和傳感的最先進的光學調製器產品。2019年，Lumentum義大利與光庫科技籤訂資產購買協議，2020年1月完成交割。晶片Fab在義大利米蘭，封裝在泰國曼谷Fabrinet。
傳統鈮酸鋰調製器
鈮酸鋰材料
·優良的光學性能：350nm-5200nm範圍內幾乎無損耗
·高折射率：no = 2.21 and ne = 2.14 at 1550nm
·高電光係數：r33 = 27 pm/V at 1550nm
·高非線性係數： d33 = 31.5pm/V, d31 = 4.5pm/V @1550nm
·極好的物理和化學穩定性
·最成熟的光學材料之一
傳統鈮酸鋰調製器
·低插損
·高消光比
·線性響應
·高可靠性
·Pirelli(Cisco)/Corning/Avanex/Oclaro/Lumentum/AFR, Fujitsu, Sumitomo
·為光通訊行業立下汗馬功勞40多年
介紹了現有鈮酸鋰調製器系列產品
用於400G/600G相干的調製器
·400G/600Gbps超高速超遠距離骨幹線光通信網
·400G/600Gbps超高速超遠距離洲際通信網/海底通信網
·5G/6G無線通信網
·超高速城域核心網
用於100G/200G相干的調製器
·100G/200Gbps超高速超遠距離骨幹線光通信網
·100G/200Gbps超高速超遠距離洲際通信網/海底通信網
·5G/6G無線通信網
·超高速城域核心網
10G/40G 調製器家族
·10G/40Gbps多調製格式光通信網
·FTTH光纖到戶
·保密光通信網
·園區網
20G/40G模擬調製器
·CATV有線電視網
·RF over Fiber射頻信號光纖傳輸
·導航設備
·測試及科研
傳統鈮酸鋰調製器
以AFR-792001500 鈮酸鋰相干調製器為例
·14隻嵌套MZI
·Dual-Carrier
·Dual-Polarization QPSK相干調製Data Rate：400Gbps
·Bandwidth：35GHz半波電壓Vπ：3.4V插損IL：5dB消光比ER：25dB
·Low chirp
傳統鈮酸鋰調製器的問題
·折射率差小：< 0.1光波導約束過於寬鬆：5-10μm
·難於集成：長度 > 40mm, 彎曲半徑 ~ cm
·驅動電壓高（功耗大）： Vπ > 3.5V
·帶寬接近極限：35GHz （過長導致RF/光信號匹配困難）
解決途徑 – Ridge 結構
光波導尺寸縮小，電極距離降低，電場強度增強Vπ L 縮小5-10倍，驅動電壓降低（或長度變短）長度略有減小，帶寬略有提高折射率差無改進，彎曲半徑無縮小仍然難以集成
薄膜鈮酸鋰光子集成
在鈮酸鋰材料上實現光子集成。繼續發揮鈮酸鋰材料光學和電光性能優勢，製作束縛更緊湊的光波導線路，挑戰在於如何製作納米級單晶薄膜，以及在薄膜上製作光子線路，1980s起就嘗試在幾種不同的承載基底上生長鈮酸鋰薄膜，但難度大、價格高，AFR鈮酸鋰事業部的前身Avanex是最早的微納結構鈮酸鋰調製器的探索者之一。
介紹了SmartCut技術。1992年法國CEA-Leti電子技術研究所的Michel Bruel發明SmartCut技術，用SmartCut技術可以將納米級厚度的單晶矽薄膜轉移到承載基底上，SmartCut成為Silicon-on-Insulator（SOI）的技術基礎之一，Soitec從CEA-Leti獨立出來專門研發SOI和SmartCut技術並生產設備。也介紹了鈮酸鋰薄膜材料(LNOI)製作。
關於薄膜鈮酸鋰光波導(TFLN WG)製作半，導體工藝在LNOI上製作TFLN WG (RIE, ICP-RIE, CMP)，光子層器件保持鈮酸鋰材料的優點：低插損、高折射率、高電光係數。
薄膜鈮酸鋰光子集成與其他光集成平臺的比較
在功能上：除LD和SOA外，TFLN平臺可以集成所有其它器件，與SiPh相當。在性能上：以調製器為例，半波電壓、調製區長度等有不同。在成本上，介於InP和SiPh之間。
最後，也指出了薄膜鈮酸鋰光子集成面臨的挑戰。
波導製程
·鈮酸鋰材料超級穩定，刻蝕困難
·垂直波導壁困難：< 70o
·波導表面光潔度要求高：< 0.2nm
可以做混合集成(Hybrid Integration)
·可擴展性（scalability）：限於6吋晶圓
·亞微米級對準(sub-micron alignment)
難以做異質集成(Heterogenous Integration)
信號完整性(SI)
·布線複雜，via困難，限於二維，導致線路集度增高
通用Foundry 和 PDK尚不完善
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