InP光子学与硅电子学的集成

摘要

光子学与电子学的紧密结合被认为是进一步提高信息传输系统的带宽、速度和能量效率的关键。在这里，我们回顾了一种基于晶圆级聚合物键合的方法，该方法与铸造源高性能磷化铟光子学和BiCMOS电子器件兼容。我们应对电路架构、联合仿真框架和互连技术方面的挑战，并介绍我们的方法，该方法可以实现光子学和电子学之间的宽带高密度互连。总结了最近利用调制器的DC耦合驱动器连接的概念验证工作，该工作显著降低了互连的复杂性。此外，还讨论了基于等效电路模型的联合仿真概念，强调了驱动器和调制器之间阻抗匹配的重要性。最后，重点介绍了晶圆键合后宽带互连和功能光子构建模块的实现，以展示这种晶圆级共集成方法的潜力。

索引术语—光子集成电路、晶圆级集成、BiCMOS集成电路、光收发器、电子光子集成

介绍

将光子功能与电子电路集成在一起的动机由来已久。电子集成电路(EIC)遵循摩尔定律扩展到今天的最先进的十亿晶体管芯片，能够万亿次数据处理[2]。在信息传输系统容量需求的指数级增长的推动下，光子集成电路(PIC)正在经历类似的发展，达到数千个组件和万亿位/秒的片上速度。在这两种情况下，集成水平和缩放法则的持续进步是满足通信和处理的基础当今应用的需求。

然而，随着信息系统迫切要求更高的性能，并要求进一步降低成本和功耗，EIC和PIC彼此独立的持续扩展无法满足需求。这可以归因于用于互连电子和光子学的当前技术的缺点，该技术不能以相同的速度扩展，并且缺乏以Tb/s为单位的所需带宽密度每单位面积。它对组合电子-光子系统的性能构成了严重的瓶颈，尤其是在数据传输应用中，从数据中心的中距离链路到光互连、板载光学器件和芯片间通信。例如，据预测，如果当前的扩展速率继续下去，高速收发器接口扩展将无法跟上未来ASICS中数据生成和处理的增长。为了克服这种差异，收发器的光子部分必须使用共集成方法尽可能靠近电子器件。此外，相干系统现在越来越频繁地用于短距离光链路和长距离系统，这些系统依赖于复杂、快速的电子器件与光调制器和检测器紧密连接，这再次需要更高程度的协同集成。

图1:EIC和PIC之间的连接使用(a)偏置电路和交流耦合，(b)单端DC耦合和(c)差分DC耦合。使用交流耦合组装EIC和石化公司。

A. DC耦合概念证明

实验

单端DC耦合方案已用于连接驱动器和电吸收调制器(EAM) [36]我们在商用0.25 m SiGe:C BiCMOS铸造技术中设计并制造了一个具有DC耦合的驱动器，在56gb/s PAM-4(9.98 dB的VEC)下显示出31.5 GHz带宽、3V p-p输出摆幅和开电眼图，导致6.5 pJ/bit功耗[37]。驱动器的运行速度和每比特能量受到商业过程中可用的传输频率的限制，但足以证明DC耦合到光子学的概念。为了证明与调制器简化互连的可行性，我们将其与带宽为32千兆赫的EAM器件配对[38]，这些器件是在普通的磷化铟光子铸造厂制造的[39]。用引线键合芯片到芯片互连来演示DC耦合方案，以验证该方案的操作，如所示Figure 2a.请注意，EIC和PIC之间的连接非常复杂与相比，a减少到了几个直接键Figure1d.原则上，当向晶圆级集成发展时，EAM右侧的终端负载可以集成到EIC。该组件在传输实验中得到了表征，结果和进一步的细节在中给出。它展示了在36 Gb/s NRZ下消光比为3.38 dB的裸眼光学图，验证了DC耦合操作。引线键合是这个实验的限制因素，因为驱动器和EAM都被分别表征为以更高的调制速度工作。

图2 (a)通过DC耦合实现的电吸收调制器-驱动器组合的直接芯片间连接，以及(b)20千兆比特/秒和(c)36千兆比特/秒NRZ调制下的眼图。

单端DC耦合仅利用一半可用的驱动器输出摆幅电压。相比之下，差分DC耦合可以利用完整的输出摆幅，同时降低共模失真，这在[41]中已有建议。我们之前报道了一种新颖的驱动程序设计，如所示Figure 3,其基于差分DC耦合，利用不对称负载配置为EAMs提供高达-2V的偏置[24]。它也可以在单端驱动下工作，并允许两个EAM通过单独的偏置调整连接。它采用相同的商用0.25 m铸造技术制造，显示出51.5 GHz带宽、2V峰峰值输出摆幅和56gb/s (10db的VEC)下的开电眼图，导致3.9 pJ/位功耗。最近，我们使用第四节中介绍的共集成技术将驱动器与EAM调制器组装在一起。验证实验目前正在进行中。

图3:具有差分输出和不对称负载的驱动器。

类似地，对于连接到马赫-曾德尔调制器(MZM)，DC耦合可以降低互连的复杂性，这种连接方案如所示 这里，数据信号可以从差分驱动器直接馈送到MZM的电极，并传递到输出侧的终端电路。相对于光子芯片的n接触点，调制器偏置电压通过驱动器输出提供。如果MZM制作在半绝缘衬底上，并以串联推挽方式工作，这是可能的使驱动器和调制器之间实现短直接连接。

调制器的电学模型

用于联合仿真目的的MZM的成功模型一方面需要在诸如ADS或Cadence Spectre之类的电子电路仿真环境中易于实现，而另一方面还需要捕获控制调制器操作的物理机制，例如传输线效应、电压引起的折射率变化和光学干涉仪传递函数。

图6:行波MZM调制器的等效电路模型。

我们使用等效电路模型和解析第一原理计算的组合来表示电信号沿光相位调制器的传播，捕捉传输线和光波之间的相互作用。Figure 6 说明了共面MZM电极的横截面以及如何将等效电路映射到电极几何形状。每个元素都是通过依赖于设计几何的解析表达式从第一性原理计算出来的。通过沿构建分布式等效电路，进一步在空间上解决了这个问题传播方向，包括行波行为和电信号对光群速度失配的影响。通过在光波导中引入普克尔斯效应、克尔效应和等离子体色散效应，计算了沿调制器电极的电压相关折射率变化。

总结

本文提出了一种晶片级的光子学与电子学的集成方法，它有望克服目前引线或柱形凸点键合技术的互连瓶颈，并在光子学和EIC之间建立宽带、高密度的连接。讨论了与互连方案、联合仿真框架和技术实现有关的一些挑战，并回顾了最近在这些方面的工作。DC耦合驱动器-调制器连接降低了互连的复杂性，并且对于晶圆级的协同集成至关重要。讨论了一种基于电路的建模框架，该框架能够对PIC和EIC进行联合仿真，从而可以优化阻抗和均衡。提议的共集成技术基于聚合物晶片键合和随后的TPV创造，允许高性能铸造光子学与铸造电子学的结合。