国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目成果展示

    重点国际(地区)合作研究项目
    低功耗微/纳光电子集成技术基础研究

    结题摘要

    片上光互连是解决未来高性能处理器电学带宽瓶颈的重要技术途径。本项目围绕片上光互连对低功耗的迫切需求,开展面向片上光互连应用的低功耗硅基光电子集成器件及系统的基础研究。以实现总功耗<1pJ/bit的光互连系统为目标,主要研究热稳定硅基波分复用/解复用器、低功耗硅基电光调制器及其它低损耗硅基光电子器件,并设计完成满足低功耗要求的片上光互连系统。

    在波分复用/解复用器方面,利用多模干涉结构实现了波导模式转换器的高效率(97% ± 2)、小尺寸(1.24 um × 6 um)、大带宽(> 130 nm)、大工艺容差(尺寸变化 ± 60nm范围内,转换效率变化量(< 2%)等多项领先于国际水平的性能指标,解决了沟道-条形波导的连接问题。在此基础上,利用沟道波导实现了CMOS工艺兼容的热稳定波分(解)复用器。实测工作波长随温度的漂移量仅为~ -5 pm/K,相对于传统硅基波分复用器(~80 pm/K)有显著进步,可有效降低片上光互连系统中的波分复用器工作波长稳定所需的能耗。是领域内首次报道的兼具热稳定特性和平顶滤波特性的波分复用器实验结果。

    在低功耗硅基高速电光调制器方面,提出二维插指结概念,增加了额外的横向设计自由度,允许调制效率和调制能耗性能的进一步提升。提出了集总调制器电光响应及能耗理论,允许从结构设计参数直接获得性能参数,补全了集总调制器不完整的理论体系,并设计出能耗比现有行波、集总调制器降低近一个数量级的新型集总调制器,对未来低能耗调制器领域的研究提供了新的方向。

    在低损耗硅基光电子集成器件方面,研制出了多种低损耗功能器件,包括低损耗微环谐振腔、任意比例功率分束器、偏振控制器、宽带偏振无关耦合器等。

    通过对以上关键器件在低功耗方面的理论及工艺突破,掌握了低功耗微纳光电集成的关键技术,设计出了总功耗 < 1pJ/bit的片上光互连系统,解决了片上光互连系统的能耗瓶颈问题,为我国在该领域占据国际领先地位提供了大量的创新知识和技术支撑。

     

 
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