在IC芯片领域中为了追求更快的指令周期,因此不断地缩小组件尺寸,相对在系统电路方面的复杂度不断的提升,一来一往之下使得金属线链接在传输时因为电阻与电容产生之延迟效应(RC delay)更加显著,使其操作速度因链接方式而有所限制,同时传输时失真及损耗方面的问题也因此日益严重。相较于电子,光子没有电荷与质量,不容易受到外界因素的干扰,在传输上也有较低的传输损耗及功率消耗。因此为了在速度上有所突破,近年来许多研究团队利用光链接(Optical interconnect)系统来取代电链接(Electrical interconnect)系统,而将光学组件整合入集成电路中形成OEIC(opto-electronic integrated circuits)成为积体光学(Integrated Optics)研究的主流。其中硅光子(silicon photonic)与光链接(Optical interconnects)提供了较低成本的解决方法,也因此逐渐成为许多团队积极研究的一个主题。
在硅光子学中可分成几个大部分光讯号调变器、光讯号切换器、雷射二极管及光讯号接收器、光源耦合技术,而本实验室主要致力于光讯号调变器的研究与设计。在调变器中,调变原理可分成电跟热两种不同机制,分别为电光效应(Electro-optic effect)及热光效应(Thermo-optic effect)。在电光效应又可分为两种不同的形式:一是利用外加电场改变材料之折射率称为Electro-refraction effect,另一则是利用外加电场改变材料之吸收系数称为Electro-absorption effect。在Electro-refraction中有Kerr effect、Pockels effect及free carrier plasma dispersion effect几种不同的效应,由于硅原子的排列为中心对称,所以Pockels effect在硅基板中不存在。在Electro-absorption中则有Franz-Keldysh Effect及Quantum Confirmed Stark Effect两种效应。在热光效应中因材料温度改变同样可造成折射系数或吸收系数改变两种不同的形式,此处将重点放在因温度改变造成吸收系数变化之热光吸收调变器上。
《图一 (a) 11μm-锗,加热后吸收曲线向长波长方向移动之量测图、(b)锗与其他主要半导体材料的吸收光谱[1]》
![](/art/2009/09/250922261241/p1.gif) |
热光吸收调变原理
光讯号在材料中传递时,吸收与否取决于光子能量(photon energy)与材料之能隙能量(Energy gap)间之关系,若光子能量大于材料能隙能量,则可激发材料中之电子,使其吸收光子能量而造成能阶越迁,反之则光可不被吸收而在材料中传输。由光子能量与光波长之关系式(E(eV)=1.24/ λ(μm))与材料之直接能隙能量与温度之关系式(Eg(T)=Eg(0)-aT2/(T+b)),可推得随着温度T上升,直接能隙能量Eg(T)便会下降。故在同一波长下,材料之吸收系数因为温度上升而变大,导致在光频谱图上由于温度上升而吸收系数曲线往长波长方向偏移的现象,图一(a)为厚度11μm锗加热后吸收曲线往长波长方面偏移之量测图。
《图二 垂直吸收型热光调变器组件(a)侧视结构图、(b)上视图-以SEM(电子扫描式显微镜)拍摄》
![](/art/2009/09/250922261241/p2.gif) |
利用上述之现象,借着在组件主动区上施加一偏压,由于电功率之输入对组件加热温度,使其吸收系数曲线发生偏移,输出之光强度因而产生变化,藉以达到调变之效果,即为热光吸收调变之原理。图一(b)为硅、锗以及多种III-V族材料之吸收系数对应不同波长
与光子能量之光谱图。由图可知,锗相较于硅之吸收系数曲线具有较陡峭之变化,且其变化最剧烈之波段为长途商用光通讯所使用之1550nm波段。因此若将操作波长设计在1550nm附近,则锗之温度只需小幅度改变,使其光吸收曲线偏移数个nm,即可使吸收系数有显著之变化,输出之光强度也可有明显的改变,接着从光强度之变化中定义出1准位(high)与0准位(low),藉由输入不同之偏压则可控制光讯号在1准位与0准位间变换。因此我们选用锗做为吸收型热光调变器(Absorption-type thermo-optic modulator )之调变组件。
《图三 光学调变量测系统架设》 ![](/art/2009/09/250922261241/p3.gif) |
锗接合技术
我们利用类似BESOI之技术来制作以锗做为吸收型热光调变器之GOI(Germanium on Insulator)结构。利用单面抛光的锗晶圆,在其抛光面上分别使用PECVD及蒸镀机沉积绝缘层二氧化硅(Silicon Oxide)与金属反射层,再将金属层与硅晶圆间利用环氧黏胶经过150℃烘烤黏合,最后在锗晶圆另一面未抛光处利用研磨及湿蚀刻方面将厚度控制到数个微米,即完成主结构之制作,其方法亦可黏合于各式基板材料。此结构也可使用其他方式如SmartCut[2]及直接成长方式[3]于硅基板上达成。
《图四 Lensed fiber之聚焦示意图》
![](/art/2009/09/250922261241/p4.gif) |
组件制作流程及原理
我们提出垂直型热光吸收调变器以侧向电-热加热(lateral electro-thermal heater)之结构,如图二(a)所示,图二(b)为以SEM拍摄之组件上视图。以类似BESOI的方法制作出GOI结构。在GOI上沉积一层厚度260nm的二氧化硅薄膜作为抗反射层(ARC),紧接着利用旋转涂布光阻并按图案(patterning)设计曝光及显影,以反应式离子蚀刻机配合高等向性之蚀刻配方完成孤岛状调变器组件 (isolated modulator device),其边缘之轮廓呈现曲线变化,以利金属电极之贴附。然后进行第二层图案设计曝光及显影,再沉积上厚度300nm且奥姆接触之接点金属,并利用Lift off技术完成金属电极。
垂直型热光吸收调变器之操作原理是以空气-锗-金属形成AFP(Asymmetric Fabry-Perot cavity;非对称型共振腔),在锗区经过金属层反射回来的光会与表面反射光互相干涉形成共振,在光谱图上可观察到周期性震荡。利用侧向电-热结构加热,使得锗组件之温度上升进而改变其吸收系数,光谱图因吸收系数变化而产生偏移。而我们利用在锗表面覆盖上一层抗反射膜后,使其光谱图在锗之吸收系数变化最剧烈之波段1550nm附近达到低点,当光谱图因温度变化产生偏移时便可在此波段可得到很高的对比度(contrast ratio),达到良好的调变效果。
《图五 (a)光耦合量测系统损耗量测架设示意图、(b)光耦合量测系统之损耗量测结》
![](/art/2009/09/250922261241/p5.gif) |
量测系统架设
图三为测量其不同偏压下之光强度调变量测系统架设之示意图。此系统之输入光源由可调式雷射(Tunable laser)提供,调整其光源以最低功率输出至组件上,避免组件经由雷射光而产生加热效果。入射及反射光使用同一条光纤经由光循环器(Optical circulator) 进行耦合,此做法可大幅度降低耦合以及校准方面的困难度,最后由光侦测器(Photo detector)接收经调变之光讯号。由于热光调变器之主动调变区锗为边长为数个微米至数十微米之矩形,为了能将光源准确地耦合进组件,因此此处选用Lensed fiber进行耦合,其结构为普通之SMF(Single mode fiber)并在其端面处熔合上透镜。SMF端面输出光之光斑约为9μm,其形式为一高斯光束(Gaussian beam)且以一发散角快速发散,加上透镜后使其光束在经过一段距离后聚焦,聚焦后之光斑可缩减至5μm以下,如图四所示。所以选用Lensed fiber不仅可降低光斑大小,也可避免因使用直接耦合(End-butt coupling)而产生之表面干扰问题。
为确认Lensed fiber有无达到预期之效果,故利用简单之量测系统作反射光耦合量测如图五(a)。首先在单面抛光之硅晶圆上蒸镀一层铝薄膜,作为良好的反射层,进行反射光量测。图五(b)为工作距离(working distance)对应光损耗之量测结果,其中将Lensed fiber距离待测物最佳位置处定义为零,由图可知,最佳工作距离的误差忍受度相当好,且成功的接收反射光,是一套可用之光耦合量测系统。
《图六 不定偏压下之正规化光频谱图,内嵌图为固定波长1553nm下不同偏压之响应图》 ![](/art/2009/09/250922261241/p6.gif) |
结果与讨论
图六为量测不同偏压下反射光强度之光频谱图之变化。由图中得知输入1-V偏压(0.7mW之功率)相对~5℃之温度变化下,在波长1553nm处可得到最大之对比度5.4dB,其3-dB带宽为15nm(1542~1557nm)。图六之内嵌图为固定波长1553nm下,不同偏压之响应图。由图可知随着偏压加大,光强度改变更加明显,同时也提高了对比度。相对较于传统的热光调变器利用折射率的改变造成相位及光强度周期性的震荡,吸收型之热光调变器借着输入功率与温度之相依性来调变光讯号之机制较为单纯。因此吸收型热光组件在热稳定控制上有较低的需求及较高的热容忍度。
在速度方面的表现此组件已是目前最快之热光调变器,且有低功率消耗,随着体积之微缩化其操作速度还可以再继续提升。此组件之光学路径决定于锗区域之垂直厚度,已经缩短至数个微米,截面积大小由于受限于光纤出来之光斑大小势必大于1 μm2,之后将以波导之结构做为继续微缩化之目标。除此调变器外,以硅基电光效应调变器于近年亦有惊人之发展,包含本文所提出之Ge/SiGe QCSE光调变器[5]以及Intel所研发之MOS型态调变器[6],可使硅光电与光链接之效能与应用大幅提升,让OEIC在未来IC芯片领域的发展中占有不可取代之地位。
---本文由台湾大学系统芯片中心提供---
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---本文由台湾大学系统芯片中心提供---
[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.