未来科技的发展，关于硅基光发射链路的耦合封装的研究

引言

随着微加工工艺的飞速发展和各种新型技术对高速信息传输的需求越来越高，电互联系统在传输速率、延迟、散热和带宽等诸多问题上的瓶颈越来越突出，已很难适应越来越高的信息处理需求。

光学互联因其时延小、带宽大、传输速率高等优点，能够满足高速信息传输与处理的要求。

硅基光电子集成技术由于其与 CMOS工艺相匹配，能够在更短的时间内获得更多的高质量、大体积的光电子集成，因而也是目前光互联技术的主要发展方向。

一、硅基光发射链路的研究背景

伴随着5 G通信、云计算和人工智能等技术的发展，世界范围内的数据生成速度越来越快。

根据国际机构 Statista的统计，2016~2020年，全球每年数据量的平均年增长速率高达36%。有机构对2035年，全球数据量将达到2142 ZB。

除此之外，我们国家每年所生成的数据量也在迅速增加。据统计，与2019年相比，我们国家的移动网络访问流量增加了%，达1656亿 GB。

随着数据量的不断增加，对 CPU的性能需求也越来越大。但是，由于芯片工艺的进步，使得以电互联为基础的芯片内部存在串扰、延迟、散热和功耗等问题，使得芯片的性能难以进一步提升。

由于 CMOS集成电路（CMOS）芯片尺寸不断接近其实际应用的极限，基于电子互联的芯片设计已很难再适应高速发展的要求。

光学互联在并行传输、带宽、抗干扰和低能耗等领域有着与传统电气互联无法相比的优点。相对于传统的以电子互联为基础的微控制器，以光学互联为基础的微控制器有着更加优越的性能，可以更好地适应不断提高的对微控制器的要求。

硅基光电子集成技术由于其与当前的微电子加工技术相融合，在装备、技术等方面具有较高的优势，在芯片级、芯片级、芯片级等领域具有广阔的应用前景。

但是，由于受到其自身性质的限制， Si基材料很难同时获得较高的荧光效率和较好的光学调控。硅基光发射链路是硅基光电子综合系统中的核心部件，它牵扯到了光源的整合、信号的调控等多个方面。

因此，研制出一条高效的发射链路，对于推动我国半导体光电子综合技术的实际应用和工业化进程，有着重要的理论和实际应用价值。

二、硅基光源的光路设计

在现代社会中，人们对于信息的传递与处理提出了更高的要求。

然而，随着“摩尔定律”的不断深入，微电子学的发展，其特性尺度已被压缩至3纳米级，其内部的串扰、散热和时延等问题也越来越明显，成为制约微处理机性能提高的瓶颈，因此，开发新一代互联技术势在必行。

光波具有波长、偏振、强度等多维信息多路复用特性，可实现超快、超宽的信息传送，并可大幅提升芯片的整体效能，被认为是新一代芯片/芯片互联技术。

硅基光电集成技术由于其成本低、损耗低、可集成性强、制备技术相对成熟等优点，成为目前国际上最具有发展潜力的光互联技术。然而，硅基光电子器件的发展，因其本身的特殊性质，尚存在诸多问题与挑战。

Si是一种非直接能带结构的半导体，由于其光生电子与电子之间的相互作用，导致其荧光转换效率非常低下，传统方法很难获得高效荧光，给 Si基 LED的集成带来了巨大的挑战。

因此，研究者们将芯片上的光源分为三类：外光源、倒装焊外光源和杂化集成芯片上光源。目前，基于 Si基底的II-V族杂化器件被广泛采用。

然而 Si基杂化器件的晶体结构与II-V族杂化器件相比， Si基杂化器件的晶体结构与II-V族杂化器件相比存在很大差异，这给其实用化带来了很大的困难。

利用外接和倒装焊接的方式，可以很好地克服目前硅光源难以实现高精度、高可靠性的缺点。传统的外部照明方式是将半导体激光输出的光与纤维相结合，再将纤维与硅基光波导相结合，从而形成一个完整的光源。

然而，硅基波导和光纤在尺度上存在较大差异（通常为450 nm×250 nm，光纤直径9微米），二者之间的模式场差较大，如果采用直接耦合方式，将导致较大的耦合损失。

为了获得高效的光纤和硅基光波导之间的耦合，往往要在其中加入一种附加的装置，即耦合装置。其中，耦合装置的功能是通过改变各传播模的形状，使得各传播模之间能够很好地匹配，提高其耦合效率。

就像在光纤和硅波导之间的耦合一样，该耦合器把光纤的传播方式转化为由硅提供的传播方式。当前的光纤耦合器有两类：一类是端表面耦合器，另一类是光栅耦合器。

通常情况下，端面耦合器是一种沿光学传播方向逐步改变的圆锥波导，这种圆锥形状的光束可以改变其传播的模态，因此，这种以端面耦合器为基础的耦合被称为平面中耦合。

而采用光栅耦合器的方法，则是在光栅耦合器之上放置一根光纤，将光波经光栅传输至硅波导，即平面外耦合。

三、联结器的研究

通常，评估该器件的工作特性时，会从器件的耦合效能（损耗）、器件的尺寸、带宽和对齐偏差的容忍程度等方面进行考量。

而在一个特定的波段，一个频率范围内，一个频率范围内的功率与一个频率范围内的功率之比就是一个频率范围内的功率比。

而元件的大小，又直接影响到元件的集成度、制造灵活性和系统的封装难度。另外，为了达到低的插损，该耦合装置也需要有很小的透射损失。

分析了两种光学元件的耦合特性，指出了两种光学元件的耦合特性。其中，模场匹配度取决于模场区域（模场大小）、模场形状和极化状态等参数的匹配度。

端表面耦合器由于其在耦合效率、带宽、极化依赖于低偏振损失等领域所展现出的独特优点而引起了学术界的高度重视。

端面耦合器的透射模与它所组成的波导横断面有关，如果波导横断面过小时，就无法支撑全部透射模，造成透射模泄露；如果波导横断面过大，很可能会激发出更多的高阶模，从而导致更多的损失。

所以，对其进行了系统的结构设计。近几年，国内外学者针对这一问题，设计了一系列新型的多节锥、抛物线形、二次锥形以及指数形等结构。

这种新型的二维圆锥耦合器，其截面尺寸沿光传播方向呈递增或递减趋势，但其在高度上基本不会发生变化，故称为二维圆锥耦合器。

结果表明，端面耦合器的传递损失与圆锥形状有关。通常情况下，当端面耦合器的宽度不变时，模式磁场的强度会随圆锥的长度而降低。

当圆锥结构具有大横断面时，大多数光在硅波导中传播，而当圆锥结构具有大横断面时，传播模的模场会受到挤压，从而使光从圆锥结构向硅波导中传播。

为探索锥形长度对端面耦合器性能的影响， Ren G等人对不同透射模式下端面耦合器的模场大小、耦合损耗与锥形长度之间的关系进行了系统地分析。

在耦合器圆锥长度<200微米时，随圆锥长度增大，耦合损失迅速降低。但是，在超过200微米的圆锥长度后，随圆锥长度的增大，其耦合损失基本保持不变。

尽管2 D圆锥结构的耦合效率很高，但这种结构通常体积较大（>200µ m)，很难形成小型化的光源。

为使耦合效果与体积达到最佳均衡，学者们建议采用三维圆锥结构。该耦合器的高、宽沿光传播方向呈递增变化，使耦合器的光学模态可塑性增强。

例如，Chun-Wei Liao等利用模挤出结合光刻工艺制备出一种以SU-8为基础的三维圆锥耦合器。

通过对三维圆锥结构的分析，得出当硅波导具有一定的厚度，且硅光波导的折射率为一定时，三维圆锥结构的耦合效率可达95%以上。试验证明，所设计的三维圆锥耦合器具有3 dB、3 dB、微米、3 dB的校正精度。

结语

目前，国内外学者已开发出多种新型端面耦合器，并对其主要特性进行了归纳和分析。

目前已有的基于端表面的耦合器件，仅从耦合效率而言，已能较好地解决光与电的耦合问题，然而，无论从集成度还是制备技术上，都还面临着器件体积大、成本高、集成度低等问题。

参考资料

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