在AI场景，硅光芯片会越来越多，前两天还写了硅波导、氮化硅波导等等。
Y11T164 硅光芯片制作工艺流程，里边提到了常规工艺里边缘耦合使用氮化硅波导。
Y11T185 硅光集成平台氮化硅SiN工艺进展。Y11T186 光波导的加工工艺流程。
周六有AI与光模块的专题。
今天再展开聊一个很小的技术点。为什么大功率CW 激光器不能用硅波导层做边缘耦合。
换句话说，为什么硅不耐受大功率。
英伟达在提到CPO的路线图时，有几个关键词，其中一个词就是大功率。
英伟达使用的是ELSFP的外置CW光源，激光模块的大功率CW光，是通过光纤耦合进入CPO光引擎的硅光芯片的。
英伟达的CPO的硅光芯片是在台积电TSMC流片，TSMC的硅光芯片今年有一个演讲报告，重点表述了其硅光芯片的氮化硅层的工艺优化。
其中氮化硅SiN的一个作用是用于边缘耦合。
光纤与硅光芯片的耦合，有两大类，边缘耦合与垂直耦合。这个内容呢，可以看一下光通信女人的视频号，我做了很多个解读。
边缘耦合，对波长不敏感，耦合效率高，现在使用的比例越来越高。边缘耦合，可以支持氮化硅材料的边缘耦合，硅波导的边缘耦合，也可以用铌酸锂材料，氧化硅材料，聚合物材料等制作边缘耦合结构。
但“大功率”与“边缘耦合”二者结合时，硅不适合，聚合物也不适合，玻璃或氮化硅或氧化硅（也就是玻璃的主要成分）是适合大功率边缘耦合的。
产业更多选择氮化硅材料来做边缘耦合波导结构。
刚才提到TSMC的氮化硅，之前呢写过GlobFoundries的氮化硅耐受500mW功率的演讲报告。
北邮和54所联合发表的氮化硅SSC（模场转换设计结构），做了1W光功率的耦合试验，氮化硅的边缘耦合结构可耐受1000mW以上。
氮化硅层和硅波导层，不在同一层，这是常规工艺限制，在T186写了铌酸锂，磷化铟，硅，氮化硅，玻璃等不同波导材料的加工工艺。
一般InP材料使用对接工艺，如InP材料的ICR与探测器的波导对接，如Inp材料的EML很多都选择对接生长。
而锗波导与硅波导通常采用倏逝波耦合的分层设计，硅波导与氮化硅波导也是采用分层设计。
在进入耦合边缘时，将硅波导的光通过一个SiN材料的SSC模场转换结构，把光换层到氮化硅层，再和光纤做大功率的耦合。
氮化硅波导的边缘部分，形成一个较大的“光场”，SSC，叫做spot size converter，spot是斑点的意思，在咱们硅光芯片的特定场景，用来表述光斑，size就是尺寸，converter是转换器。通过一个锥形结构来抓换光场尺寸的。
采用倒锥形结构，是比较常见的，当然还有很多倒锥形结构的变形设计，钻石型，三叉戟型....等等。都是从这个结构演变而来的。
我们看到的边缘耦合的空间结构，SiN比硅波导更高，硅衬底-BOX-硅波导层就是SOI晶圆的三层结构。
接着我来聊硅不耐受大功率的原因，文献里都会提到一句，硅的TPA效应，TPA，Two Photon Absorption ，双光子吸收。
100mW是20dBm，由于TPA导致很大的吸收损耗，现在部分场景都开始研究400mW（=26dBm），硅的TPA损耗将会非常非常的大。
咱们用的探测器锗是吸收材料，我们默认的吸收是指单光子吸收，而硅则提到了双光子吸收。
解释两个问题，什么是双光子吸收？为什么氮化硅没有双光子吸收？
第一个问题，什么是双光子吸收？
看一个材料，硅、锗、氮化硅....， 都是由原子组成的，原子有原子核以及电子，电子是负电荷，原子核内部有质子和中子，中子的中就是既不是正电荷也不是负电荷，质子呈现正电荷。
正负电荷异性相吸，有引力，这是一种结合力。电子被原子核束缚，就叫价电子。如果电子脱离原子核束缚，就是自由电子。电流是一大群可自由移动的电子流。
光是电磁波，但光也是能量粒子，这叫波粒二象性。咱们的AI用的硅光模块说1310nm波长的光，这个光换算成粒子能量的话，就是一颗光子具有0.95eV的能量。
而硅的外层电子被原子核束缚，要想脱离这个束缚，需要1.12eV以上的能量。 这个能量值，咱们叫做“带隙”，就是价带与导带的能量间隙。价带，是电子们属于价电子的被束缚的能量带，导带就是可用于导电的自由电子的能量带，这俩能带的间隙，就是一个破坏阈值能量的表述。
正常状态下，锗的破坏能量阈值是0.66eV，所以一颗光子就能打破锗材料的原子核对电子的束缚。
但硅在光通信波段很难实现单光子吸收，但在激光雷达领域是可以的哈，因为硅光芯片用在光模块的话，1310nm波长，能量只有0.95eV，但是激光雷达的905nm波长的话，人家的光子能量很大的，足有1.37eV，是可以单光子就可以让硅吸收光的哈。
硅在光通信1260-1650nm的单模波段很难实现单光子吸收，至少两颗光子一起攻击才能破坏硅的外层电子的束缚力，产生吸收。
这就是双光子吸收。
再一次重复啊，在单模光纤通信波段1260-1650nm，才说硅的双光子吸收TPA的影响的，在短波长的850nm啊，905nm啊，是可以单光子吸收的啊。
氮化硅是绝缘体，所谓绝缘体，有一个描述是价带与导带间隙非常大的材料，属于绝缘体，就是SiN的带隙非常的大，5.1eV，俩光子合起来也破坏不了氮化硅材料的价电子们。硅原子与氮原子之间的共价键，键合力很强的。
共价键的价，就是共用的价电子。
硅由于存在双光子吸收TPA，把光的吸收了，这就是损耗。光功率越大，意味着光场的密度越高，也就是光子密集，产生的TPA损耗就更大了。
氮化硅不存在TPA损耗，所以，边缘耦合与大功率的组合，采用氮化硅。
好，这里引出另外一个，为啥垂直耦合很少提TPA损耗呢。且听下回分解吧，今天字数不少了。
周六的议题。
