综合报告

该文档为一篇发表在 IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics（2019年9月/10月刊）上的综述文章，标题为“Foundry Development of System-on-Chip InP-based Photonic Integrated Circuits”，属于类型b中的学术综述论文。本文作者包括 Gloria E. Hoefler（Infinera公司、IEEE高级会员）、Yuchun Zhou、Maria Anagnosti、Ashish Bhardwaj 等，主要作者来自于 Infinera 公司 和 Air Force Research Laboratory。文章回顾了以磷化铟（InP）为基础的基于系统级芯片（SoC）的光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs）技术在光通信领域的发展和制造工艺，重点阐述了其向代工服务平台的延伸，以及相关的关键设计、制造流程和可靠性分析。

文章背景与研究意义

光通信网络数据传输需求的指数级增长推动了光子集成技术的发展，光子集成电路（PICs）提供了在带宽扩展和成本优化之间的理想解决方案。自1990年代以来，PICs 的集成能力持续提升，从最初单一的功能器件（如分布反馈激光器和光电吸收调制器的组合）发展到多通道的系统级光子芯片。近年来，具备高密度集成功能的磷化铟光子集成电路被广泛用于密集波分复用（DWDM）网络，并成为高容量光通信所必不可少的技术手段。

Infinera公司在过去十余年中积累了多代商用SoC PICs的设计与制造经验。为了满足未来光通信及其他领域更大的技术扩展需求，本文探讨了如何通过搭建兼容商业化生产的代工平台，使得高性能、大规模的InP PICs制造得以复制和扩展，同时也覆盖光电设计、封装、测试等系统实现维度。

核心论点及详细阐述

1. 基于系统级芯片（SoC）的磷化铟光子集成电路

文章指出，SoC PICs 是以磷化铟为材料、通过单片集成实现激光器、调制器、放大器等功能的电路集成解决方案。该技术尤其适用于复杂的光通信系统，包括支持 极化复用相位移键控（PM-QPSK） 和 正交幅度调制（QAM） 的高容量相干光通信用具备广泛调谐能力的激光器和接收器。

以 2016 年研发的一种具备 1.2 Tb/s 容量的多通道SoC PIC为例，该光子电路包括6个独立通道，每个通道提供200 Gb/s的吞吐量，并支持广泛调谐的C波段全覆盖功能。而最新一代技术则进一步实现了 每波长1 Tb/s的容量，并采用更高阶调制格式如32 QAM。

2. 制造和可靠性分析：流程及技术能力

文章细致描述了Infinera公司在以磷化铟为核心材料的PIC制造领域的能力，其制造流程包括晶圆生长、芯片加工（DFAB）、组装及性能测试等多个步骤。文中展示了一些关键的制造成果与数据： - 在正常化晶圆掩膜层数的情况下，磷化铟光子集成电路的制造线性良品率（line yield）达到90%以上，与1990年代中期的硅CMOS制造技术表现相当。 - 为了保证高密度集成功能，制造流程中运用了 统计过程控制（SPC） 和 过程能力指数（CPK） 方法来监控多个工艺指标。2018年的数据显示，在1.2 Tb/s PIC产品线上，超过90%的工艺参数CPK值高于1.33，表明制程达到了非常可靠的良品率。

此外，作者详细分析了片上功能单元如分布反馈激光器（DFB）、马赫-曾德调制器（MZM）和光电探测器的性能，给出了功率、频谱、调制效率等参数的测量结果，保证系统性能满足商用要求。

3. 封装与集成优化

随着SoC PIC的集成功能复杂性增加，在封装和电气互连设计上也提出了更高的要求。文中介绍了一种新开发的 翻转芯片（flip-chip）互连技术，将PIC与驱动电路直接绑定到同一衬底上，有效提高了信号完整性并减少了高频互连的损耗。此外，文章还详述了SoC PIC的高温共烧陶瓷（HTCC）封装技术，其能够实现1.2 Tb/s设备模块的完整集成。

4. 光子电路代工平台（Foundry）的构建

文章探讨了如何通过共用商业化制造线的Foundry平台，为更多应用领域提供标准化的光子电路设计服务。在与美国制造光子学研究所（AIM Photonics）的合作下，Infinera开发了一套囊括设计规则检查（DRC）、工艺仿真、性能建模的 Process Design Kit（PDK），使外部用户能够通过电子/光子设计自动化工具（EPDA），高效地定义、验证和生产光子电路。

5. 实验结果和应用案例

作者提供了一系列实验结果以表明代工平台的能力，包括集成激光器的相对强度噪声（RIN）测试、带宽性能以及光链路设计的仿真与测量结果。例如： - 一体化DFB激光器的线宽为约 210 kHz，侧模抑制比（SMSR）超过53 dB。 - 10-Gbaud PAM4（脉冲幅度调制）调制下，光链路实现了清晰的眼图，展示了PIC在更高容量传输的应用潜力。

论文的意义和价值

1. 科学意义：文章全面回顾了基于磷化铟的SoC PIC关键技术的发展现状，总结了从设计到制造的多个核心维度，包括代工平台构建和高性能制造的技术要点。通过构建连接设计、制造及验证流程的Foundry服务，作者对Pic技术在通信领域的潜力和应用场景做出了系统化的展望。

2. 应用价值：文中的成果为未来光学通信网的商业部署奠定了基础，例如提供可靠、高效且可扩展的平台以支持更多调制格式和更高数据速率，同时也能延伸到数据中心、传感技术等广泛应用。

3. 实验亮点：作者通过设计和验证，展示了代工平台生产的SoC PIC的高集成功能及低损耗性能；尤其是其定制化的激光器、调制器和检测器性能均达到甚至超越传统独立器件的表现。

整体来看，文章综合了大量实验数据和分析方法，展示了SoC PIC在通信技术以及其他跨领域发展的巨大潜力，同时提供了代工化平台发展的路径指南。这对科学研究和工业生产都有重要指导意义。