这篇笔记介绍下惠普实验室的硅光平台，方便大家参考。
惠普实验室(Hewlett Packard Labs, 以下简称HPL)的硅光平台，主要特色是异质集成了InAs/GaAs材料，既实现了片上的量子点频率梳激光器，也实现了MOSCAP型调制器，其主要工艺步骤如下图所示，
（图片来自文献1）
首先(a)在SOI晶圆上部分区域进行重掺杂，用于后续调制器和探测器的金属接触。接着(b)外延生长本征Si和Ge，用于形成SiGe-APD。进而进行硅波导的刻蚀，形成所需的无源光器件(c)。接着将III-V材料通过晶圆键合(wafer-bonding)的方式贴到SOI晶圆上(d)，并对III-V层的台面进行刻蚀(e和f)，形成所需的量子点结构和MOSCAP结构，最后进行金属层的加工(g)。
该硅光平台主要涉及以下几个核心光器件，
1) 多波长量子点激光器
相较于传统异质集成的III-V量子阱(QW)激光器，量子点激光器具有较好的高温稳定性、低阈值电流密度、较小的表面复合速度和较高的增益带宽积，非常适合作为光频梳的光源。HPL采用了外腔激光器的方式，在Si上刻蚀光栅结构用于形成FP腔的反射镜，增益材料为GaAs，器件结构如下图所示，
（图片来自文献2）
量子点激光器由两段微腔构成，第一个微腔由基于MMI的反射镜和SOA构成，第二个微腔由光栅耦合器、MMI反射镜构成。饱和吸收体SA的长度为180um，在此处发生四波混频。该量子点激光器的光谱如下图所示，
（图片来自文献1）
该激光器可输出22个通道，每个波长的功率在-9~-6dBm，波长间隔为62GHz。阈值电流为24.7mA, 阈值电流密度为165A/cm^2, wall-plug效率在7.5%左右。
2）MOSCAP型微环调制器
MOSCAP结构类似一个三明治结构，最底层为p掺杂的Si，中间为一层较薄的Al2O3, 最上层为n掺杂的GaAs, 如下图所示，
（图片来自文献1）
施加正偏电压后，电子空穴汇聚在GaAs/Al2O3/Si的界面处，引起硅波导中载流子浓度的变化，进而引起其折射率的变化。由于III-V材料中电子的有效质量较小、迁移率较大，因此该MOSCAP调制器的调制效率比传统的poly-Si/Ox/Si的效率高得多。HPL实际加工的MOSCAP微环调制器，Al2O3的厚度为20nm，导致调制效率不是特别高，VpiL为1V*cm，EO的3dB带宽为13-15GHz。实验结果如下图所示，半径为10um时，其带宽略高。
（图片来自文献1）
3) 无热调的DeMux
HPL采用MOSCAP相移器，对级联MZI构成的DeMux进行相位调节，MOSCAP相移器的主要优势是没有静态功耗，没有热串扰，解决了传统热调方案的功耗与热串扰的难题。具体的测试结果如下图所示，对比MOSCAP相移器工作前后的光谱，可以看出ER和相邻通道的串扰得到明显改善。唯一的缺点是插损从0.4dB增大到1dB。
（图片来自文献1）
4）GaAs量子点雪崩探测器
采用与量子点激光器类似的结构与加工流程，HPL研制了GaAs的量子点雪崩探测器，其结构如下图所示，
（图片来自文献3）
由于量子点是三维受限结构，其暗电流非常小，其-1V时的暗电流为12pA, 比传统Ge探测器的暗电流小了三个数量级，增益带宽积达到585GHz, 3dB带宽为20GHz。
5) GeSi雪崩探测器
除了量子点雪崩探测器，HPL也开发了基于GeSi的雪崩探测器。其结构如下图所示，采用vertical型的pin结构， 在n 掺杂的Si上首先生长100nm厚的本征硅，接着生长50nm厚的p- Si, 最后生长400nm的p掺杂Ge。
（图片来自文献4）
通过使用反射型的loop结构，未被完全吸收的光可以重新进入吸收区，进而提高探测器的响应率。C波段的响应率提高了1.5倍，达到1.12A/W，3dB带宽可以达到25GHz, 增益带宽积为296GHz。HPL还对这两种类型的APD在高温下的鲁棒性进行了表征。
以上述光器件为基础，HPL进一步演示了DWDM的光学link。实验是通过分立的光器件相连，而不是单颗光芯片，链路如下图所示，
（图片来自文献1）
链路中主要涉及量子点频率梳光源、MOSCAP调制器。采用253mA的注入电流，光源共产生10个DWDM波长，不同波长的功率变化为4dB, 边模抑制比为40dB。每个波长都可以得到25Gbps的眼图，典型的BER值为1e-10。光源的功率为317.2mW(只考虑一半的波长), 对应的能耗比为2.1pJ/bit。
HPL还进一步评估了整个链路的link budget与能耗比，如下表所示
从表中可以看出，采用片内的集成光源，整个链路的损耗为12.1dB，能耗比为109 fJ/bit。基于传统微环的link，其能耗比一般在5pJ/bit左右(包含电路)。
以上是对惠普实验室异质集成硅光平台的简单介绍，其主要特色是异质集成了GaAs材料，并基于此研发了量子点频率梳光源、量子点雪崩探测器和MOSCAP型调制器。MOSCAP相移器无静态功耗，可以在Mux/DeMux等器件中调节相位，取代传统的热调方式，也可以用于对光功率的监控(基于载流子浓度变化)。目前行业内并没有成熟的O波段DWDM光源，量子点频率梳光源非常适合作为DWDM系统的光源，但是还存在很多工程问题有待解决，工艺还需要进一步优化。HPL的硅光平台代表了硅光与III-V集成未来的发展方向，由于硅光链路存在较大的插损，如果可以片上集成光源与SOA, 集成光路的规模可以大幅提高。
参考文献：
- D. Liang, et.al., "An Energy-Efficient and Bandwidth-Scalable DWDM Heterogeneous Silicon Photonics Integration Platform", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 28, 6100819(2022)
- G. Kurczveil, et.al., "On-chip Hybrid Silicon Quantum Dot Comb Laser With 14 Error-Free Channels", in Proc. ISLC, Santa Fe, NM, USA, 2018
- B. Tossoun, et.al., "1310 nm quantum dot waveguide avalanche photodiode heterogeneously integrated on silicon"
- Y. Yuan, et.al, "High Responsivity Si-Ge Waveguide Avalanche Photodiodes Enhanced by Loop Reflector", IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. 28, 3800508(2022)
