這一篇筆記聊一聊矽光晶片的光源問題。公衆号裡寫了很多矽光相關的專題，但是一直沒有提及光源問題。在矽光晶片上可以單片內建調制器、探測器等，并且性能優良，但是不能發光是矽材料的短闆，沒有較好的解決方案。由于矽材料是間接帶隙半導體，它的發光效率非常低，天生的缺陷。下圖是Si和InP的能帶圖比較，
（圖檔來自文獻1）
在矽中，由于波矢不比對，電子需借助于聲子的作用，才能與空穴複合，産生光子，其複合幾率非常低。而對于InP這類III-V族材料，則不存在這一問題，不需要借助于聲子，電子和空穴的複合幾率非常大。
既然矽材料發光效率低，而III-V族材料可以自發光，很自然的想法是将兩者結合起來，這也是目前主流的方案，也就是所謂的矽基混合內建雷射器。具體來說，可以細分為三種：第一種是flip-chip方案，直接将封裝好的III-V雷射器貼到矽光晶片上；第二種是wafer/die bonding方案，将III-V的裸die貼合到矽光晶片上，後續再對裸die進行加工，形成雷射器；第三種是矽材料上直接外延生長III-V材料。以下分别對這三種方案做詳細介紹。
1. Flip-chip方案
該方案将雷射器LD直接倒裝焊到矽光晶片上，思路比較簡單，工藝也比較成熟。但是該方案對貼裝的精度要求比較高，時間成本較大，并且內建度不夠高。Luxtera公司采用的正是該方案（左圖），後續又改進為micro package方案（右圖），将LD、透鏡、隔離器等元件都放置在一個矽盒子中，器件的位置相對固定，節省了對光調節的時間，并且提高了可靠性，利于大規模生産。
（圖檔來自文獻2）
愛爾蘭的Tyndall國家研究院也提出了一個類似的方案——micro optical bench, 也是将LD和透鏡、棱鏡等放置在一個矽闆上，主要差別是沒有将這些器件封裝在一個盒子裡，如下圖所示，
（圖檔來自文獻3）
Macom公司也是采用flip-chip的方案，由于他們可以自己生産LD, 他們利用微加工的方法對雷射器的端面進行刻蝕，而不是傳統的裂片方法。該方案的優勢是可以通過無源對準的方法放置雷射器，節省了對準所需的時間。Macom的資料比較少，細節不是特别清楚，下圖是官網上給出的矽光晶片示意圖，
（圖檔來自https://www.macom.com/products/photonic-solutions/l-pic）
2. Wafer/Die bonding方案
該方案将沒有結構的III-V族材料鍵合到SOI基片上，進一步再對III-V族材料進行加工，形成雷射器，示意圖如下。根據bonding材料的不同，還可以進一步細分，這裡就不贅述了。
（圖檔來自文獻6）
該方案不需要對準調節，其位置準确性由光刻精度保證，省去了對準調節的時間。此外，如果是将一整個InP晶圓貼合到SOI晶片上，可以同時加工多個雷射器，利于大規模生産，成本進一步降低。典型的器件結構如下圖所示，分别為FP型雷射器和微盤型雷射器。微盤型雷射器的體積小，門檻值電流小。
(圖檔來自文獻4）
該方案的另一個優勢，可以通過設計波導結構，采用消逝波耦合的方式，使得InP産生的雷射以非常高的效率耦合到矽波導中去，回避了flip-chip方案中耦合效率不夠高的問題。另外，可以通過設計光栅結構，形成DFB、DBR等不同種類的雷射器。
Intel采用的是該方案，他們與加州聖巴巴拉分校合作多年。是以該方案需要多年的投入與技術積累，困難系數比flip-chip方案大得多。
3. 外延生長III-V族材料
該方案的想法比較直接，在Si材料上外延生長III-V族材料，進而再對材料結構進行加工，形成雷射器。但是Si材料和III-V族材料晶格常數不比對（InP: 8.1%, GaAs: 4.1%），好比一個胖寶寶和一個瘦寶寶，彼此看不順眼，不能做好朋友。為了讓這一對寶寶和諧相處，研究人員在工藝上做了很多努力。下圖是一個該方案的一個示意圖，
（圖檔來自文獻5）
目前該方案不夠成熟，還限于研究階段，沒有公司采用此方案。該方案是真正意義上的單片內建方案，潛力巨大。
以上是對矽基混合內建雷射器的總結，當然還有一些其他方案，例如在矽中摻雜稀土元素，鍺矽雷射器等，這些方案大多不太成熟，處于研究階段。從産品的可靠性和投入成本上看，flip-chip方案是首選。由于其他器件（調制器、探測器等）已經相對成熟，所能達到的性能名額差别不大，而光源作為矽光晶片重要的組成部分，其方案的優劣直接決定了産品的競争力。
文章中如果有任何錯誤和不嚴謹之處，還望大家不吝指出，歡迎大家留言讨論。
最後，提前預祝大家新春愉快，阖家幸福!
參考文獻：
- D. Liang, J.E. Bowers, "Recent progress in lasers on silicon", Nature Photonics 4, 511(2010)
- Light source approach for silicon photonics transceivers
- L. Carroll, et.al., "Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices", Applied Sciences 6, 426(2016)
- G. Roelkens, et.al., "Hybrid Silicon Lasers"
- Z. Zhou, et.al., "On-chip light source for silicon photonics", Light: Science & Applications 4, 358(2015)
- G. Duan, et.al., "Hybrid III-V on Silicon lasers for photonic integrated circuits on Silicon", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 20, 158(2014)