国家自然科学基金重点国际(地区)合作研究项目成果展示

  • A. 热稳定硅基波分复用/解复用器(工作波长不随温度变化而发生漂移)

    硅材料本身的强热光效应(~1.86×10-4 K-1)使得普通硅基波分复用/解复用器件工作波长随温度变化而显著漂移(~80pm/K )。这种漂移现象会给片上光互连系统带来显著的额外能量消耗。针对这一问题,本项目对热稳定(即工作波长不随温度变化而发生漂移)硅基波分复用/解复用器进行了系统研究。具体分析了微环型(Ring)、马赫-曾德干涉型(MZI)、阵列波导光栅型(AWG)波分复用器这三种常用的波分复用解决方案,为这三种方案都实现了热稳定设计,并选用MZI型热稳定波分复用/解复用器进行了加工验证。         

  • 科学意义与应用前景:通过这部分的研究,项目组设计并加工测试得到了热稳定的波分(解)复用器。其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(~80pm/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。同时该成果也是领域内首次报道兼具热稳定特性和平顶滤波特性的波分复用器实验结果。

    具体研究进展及关键数据如下:
    a) 微环型波分复用器
    两个微环谐振腔相互耦合时会发生谐振谱分裂,且谐振谱分裂程度会随微环之间的耦合系数而变化。本项目组利用这一效应提出了微环的热稳定“蓝移”理论,相应的微环基本结构单元如下图所示。           图1. 双环耦合型热稳定微环滤波器结构示意图                   

       图1. 双环耦合型热稳定微环滤波器结构示意图

  •   设计使得双环耦合系统中的环间耦合系数随温度变化而变化,从而在谐振谱分裂的2个谐振峰中会有一个表现出“蓝移”特性,可以用于补偿热光效应引起的“红移效应”。基于这一理论的双环谐振腔可以在30℃的温度变化范围内将谐振波长的漂移量从80pm/℃降低至5pm/℃,有望在片上集成滤波器中取得重要应用。     图2 图2b    

       图2. a)传统微环结构及(b)双环耦合结构工作波长随温度的漂移情况

      成果发表:Q. Deng, X. Li, Z. Zhou, and H. Yi, "Athermal scheme based on resonance splitting for silicon-on-insulator microring resonators," Photonics Research 2, 71-74 (2014).Web of Science统计被引频次:5

    b) 马赫-曾德干涉型波分复用器
      项目组采用沟道波导与条形波导相结合来构建马赫-曾德干涉型波分复用器的波导臂,通过适当的参数匹配可以实现温度不敏感特性。同时针对波分复用系统中对平顶滤波特性的需求,本项目组采用2级级联马赫-曾德干涉来提升平顶滤波特性。滤波器整体结构如下图所示。       图3                     图3.热稳定马赫-曾德干涉型波分复用器结构示意图及光学显微图。

      实验测量结果与理论预期十分吻合,所加工的波分复用器工作波长的温度相关性已大幅降低,仅为-5pm/K。同时,该波分复用器还具有平顶滤波特性。 

  •           图4               

  •           图4.实验测得的滤波器工作波长随温度的变化关系 

  •   成果发表:Q. Deng, L. Liu, R. Zhang, X. Li, J. Michel, and Z. Zhou, "Athermal and flat-topped silicon Mach-Zehnder filters," Optics Express 24, 29577-29582 (2016).

  • c) 阵列波导光栅型波分复用器
      阵列波导光栅与马赫-曾德干涉型波分复用器都是干涉型波分复用器,因此本项目在前述温度不敏感赫-曾德干涉型波分复用器的基础上设计出了温度不敏感的阵列波导光栅。通过阵列波导中两种波导参数的热稳定匹配,可以实现工作波长不随温度变化。而且阵列波导光栅型波分复用器的信道数目具有良好的可扩展性,可以有效扩展应用到多信道波分复用系统中。该项成果目前已申请国家发明专利(CN 105093402 A:周治平,邓清中. 对温度不敏感的阵列波导光栅.)。 

  •          Y:\COMSOLTemp\AthermalAWG_SiO2Clad\DataForPatent\Fig1\Fig1_页面_1.png

  •              图5.温度不敏感阵列波导光栅结构示意图

  • B.电光调制器插指PN结研究
      插指PN结是以最优化调制效率,缩短调制器长度并减小光学插入损耗的一类调制结构,既可以用于行波调制器,也可用于集总调制器。传统的插指结仅在传播方向这一个维度上形成插指,其调制效率优于侧向PN结,但较高的电容导致调制能耗高于侧向PN结调制器。本项目提出二维插指结概念,在横向上增加一个维度的设计自由度,在提高调制效率的同时降低了与光场重叠效率较低区域的电容,使得调制效率和调制能耗均优于侧向PN结。
      理论结果表明,二维插指结与传统侧向结在所用的相同掺杂浓度下,调制效率、调制能耗分别实现了约45%和10%的改进。在此基础上,本项目进而提出了含有倾斜角的二维插指结,倾斜方向平行于芯片,由版图图形决定。其最低能耗参数下的调制效率和调制能耗相比与传统侧向结实现了约23%和50%的改进。

  •   科学意义与应用前景:该研究开辟了插指结的第二个设计维度,在不改变任何加工工艺的条件下可改进及折中调制效率与调制能耗,为调制器电光结构设计提供了一种新思路。
      具体研究进展及关键数据如下:                                 图6

        图6.(a)传统一维插指结与(b)二维插指结结构示意图

  •           图7

            图7.二维插指结(含倾斜)结构示意图

  •   成果发表:X. Li, F. Yang, T. Li, Q. Deng, R. Chen, J. Michel, and Z. Zhou, "Additional Degree of Freedom in Interleaved Junction Silicon Modulators Against Efficiency-energy Conflict," in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (San Jose, California United States, 2016), paper JW2A.118
      X. Li, F. Yang, T. Li, Q. Deng, R. Chen and Z. Zhou, "New degrees of freedom for high performance silicon modulator design," 2016 IEEE 13th International Conference on Group IV Photonics (Shanghai, China, 2016), pp. 126-127.

    C.低功耗硅基电光调制器
      电光调制器是片上光互连系统中的另一主要能耗来源,本项目针对3种常见的硅及调制器的能耗问题都进行了设计分析,包括干涉型集总调制器、干涉型行波调制器、谐振腔调制器。
      科学意义与应用前景:这部分工作为电光调制器的低能耗研究探明了方向。在干涉型调制器方面建立了完整的电光响应理论,允许从结构参数预测性能参数,从而使结构参数的优化成为可能,揭示了其能耗的关键部分。本研究是首次报道通过引入单驱动电学结构改善阻抗失配的工作,对今后集总调制器的研究具有借鉴意义。在谐振腔调制器方面,通过新型光学谐振腔同时降低了调制能耗和调谐能耗,表明光学谐振腔设计仍然具备改进能耗的可能性,是低能耗谐振腔调制器研究中的新路径。
      具体研究进展及关键数据如下:
    a) 集总电光调制器
      集总调制器有限的带宽(通常不足10GHz)是过去集总调制器没有受到关注的主要原因,且其电光效应和能耗分析不具备完整的理论工具,应当如何设计各项结构参数以降低能耗仍然是未知的。针对这一问题,我们提出了完整的小信号/大信号电光响应、能耗分析解析理论,与已报道的实验结果吻合较好。在该理论的基础上,我们引入单驱动集总调制器,可将调制器带宽提高近一倍。完整的能耗随结构参数的变化关系展示了实现低能耗的方法和潜力。理论预测表明50Ω标准RF电缆驱动下,集总MIM调制器能耗可低至80.8fJ/bit,而10Ω集成IC driver驱动下的能耗可进一步降低至21.5 fJ/bit。

  •      集总调制器配图-01(1)

                  图8.集总电光调制器结构与理论模型示意图

  •   成果发表:X. Li, F. Yang, F. Zhong, Q. Deng, J. Michel, and Z. Zhou, “Single-drive high speed lumped modulators toward 10 fJ/bit energy consumption," Photonics Research. (Submitted)

    b) 行波调制器
    行波调制器是目前主流的高速调制器结构,具备超过50Gbps高速调制的能力。我们设计并实验测试两个行波MZM调制器在28Gbps通信标准下的能耗和眼图,器件结构和眼图测试结果如下:
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             图9

                   图9.行波调制器光学显微图像

  •      ER=1.5_VPP=7_namda=1556.78_bias=4 ER=1.82_VPP=7_namda=1556.78_bias=4.2
  •               图10.行波调制器眼图测试结果

  •   上图的两个被测器件具有相同的设计参数,静态工作点选取为Q点(使干涉透过率为50%的工作状态,为调制器线性度最高的工作点,损耗与消光比性能较为均衡),偏置电压约为-4V,在7Vpp(实验允许的最大驱动电压)下,左图的消光比为1.5 dB,右图的消光比为1.8 dB。通过Q点相位偏置为0.5π,可以计算出每一臂的动态差分相移是0.027π和0.033π,实际能耗均为8.75 pJ/bit。
      成熟的MZM行波调制器理论可以预测达到对应消光比所需的能耗,分别为7.45 pJ/bit和8.31 pJ/bit,数值与实测值近似吻合,表明行波调制器的性能完全可以通过现有的理论实现较好的预测。目前文献报道的实现每一臂的动态差分相移0.1π所需的最低能耗约为1pJ/bit,实测值与理论预测值匹配较好。
      利用现有的行波调制器理论进行分析会发现行波调制器的设计已经十分成熟,能耗改进空间很小(1pJ/bit量级),难以实现显著突破。

  • c) 谐振腔型电光调制器
      谐振腔调制器基于光的多光束干涉效应,其灵敏度远超基于双光束干涉的干涉仪型调制器。基于同样的原因,实际加工的谐振腔调制器的工作波长也几乎不可能处于预期的位置,因此有源闭环控制(调谐)是实际应用中必不可少的部分。谐振腔调制器的主要能耗来源是调谐能耗,在目前光通信25Gbps的标准下,热调谐能耗很难低于1pJ/bit。然而,已有一些可行的方案可以降低调谐能耗。第一类方案是深刻蚀空气槽,通过在调制器周围刻蚀空气槽来降低热耗散,可将调谐能耗降低到10%~50%(100~500 fJ/bit)。第二类方案是在链路中增加冗余调制器。由于微环调制器的光学带宽很窄,在波分复用系统中以级联形式搭建,增加冗余调制器既不会显著改变发射机架构,也不会对非工作波长处的光信号产生干扰。适当的冗余可以再将调谐能耗降低一半,代价是增加控制电路系统的复杂度。若能同时采用上述两种方案,按调谐能耗降低至10%计算(100fJ/bit),调制能耗和调谐能耗的数值相近,所以并非能耗完全高于干涉仪型调制器。
      基于以上考虑,我们提出了单模半微盘调制器(Half-disk resonator, HDR)结构,旨在克服微盘调制器的多模对波分复用系统的干扰、借助高效率垂直PN结降低调制能耗。利用回音壁模式的传输特性,HDR能在保持单横模工作状态的基础上允许大范围的脊型硅电学连接,不会造成额外的光损耗,且能够允许微环调制器不能支持的垂直PN结。大范围的电学连接降低了连接电阻,将垂直PN结调制器的电阻由之前工作的300-600Ω降低到50Ω,预期器件调制速率可完全可以满足28Gbps光通信标准。该单模半微盘调制器结构,其热调谐能耗约为传统微环调制器的68%。由于该谐振腔既能保持单模工作,又能允许微环调制器不能支持的低能耗垂直PN结,调制能耗可降低为普通微环调制器的20%。总能耗约为685 fJ/bit。

  •               fig5_RGB
  •                图11.微环调制器结构示意图

  •   成果发表:X. Li, Q. Deng, and Z. Zhou, "Low loss, high-speed single-mode half-disk resonator," Optics Letters 39, 3810-3810 (2014).Web of Science统计被引频次:3

  • D.低损耗硅基集成光电子器件
    集成光电子器件自身的插入损耗也是整个系统中能耗的重要部分,本项目针对片上光互连系统的需求建立了微环损耗提取模型,并研制出了多种低损耗功能器件,包括低损耗微环谐振腔、波导模式转换器、任意比例功率分束器、偏振旋转器、偏振分束器、宽带偏振无关耦合器等。
    a) 微环损耗提取模型

      如前所述,微环是硅基光电子系统中非常重要的基本结构单元,可用于构建滤波器、调制器等多种功能器件。微环损耗的准确提取一直是领域内关注的热点问题。但现有技术方案是通过对其传输谱进行近似,从而与可测量的参数关联。这些近似使得损耗提取的可靠性和可操作性都很低。我提出了一种不需要引入近似的方案,直接通过数学变换将微环传输谱变换为线性关系,然后通过线性拟合提取出损耗。            
  •   科学意义与应用前景:实验测量结果表明本模型可以有效提取出微环的损耗,且方案的可操作性和可靠性相对于原有方案都大为提升。若将待测其他器件嵌入微环中,则本模型可广泛用于准确提取待测器件的插入损耗。

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  •          图12.实验测到的微环传输谱与利用本模型变换后的线性关系

  •   成果发表:Q. Deng, L. Liu, X. Li, J. Michel, and Z. Zhou, "Linear-regression-based approach for loss extraction from ring resonators," Optics Letters 41, 4747-4750 (2016).
    b) 低损耗微环谐振腔
      对于应用于光梳等领域的长腔长微环谐振腔而言,硅基单模波导的损耗较大,会限制器件的性能,本项目组设计出了一种单模波导辅助型的低损耗微环谐振腔。
      科学意义与应用前景:该项设计有效利用了多模波导的低损耗特性,同时又保持了微环的单模谐振,有效解决了长腔长微环谐振腔损耗过大的问题。

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  •                 图13.损耗微环谐振腔场分布示意图
  • 成果发表:Q. Deng, H. Yi, Q. Long, X. Wang, and Z. Zhou, "Low loss silicon microring resonator as comb filter," Optics Communications 355, 285-289 (2015).Web of Science统计被引频次:1

  • c) 波导模式转换器
      沟道波导(Slot Waveguide)与条形波导(Strip Waveguide)都是集成光电子系统中常用的波导结构,在本项目中也有用到二者来设计温度不敏感的波分复用器。但二者传播的光场分布具有显著差异,这使得光场在两种波导之间耦合时损耗很大。目前国际上已报道了两类波导模式转换器用于两种波导之间的高效率耦合。但这些模式转换器都是基于尖锐的楔形结构来工作的,因此在标准的CMOS工艺中难以加工,且工艺容差小,不具有实用价值。本项目组充分利用了多模干涉结构二阶镜像点光场分布与沟道波导光场分布的相似性,引入多模干涉结构来实现沟道波导与条形波导之间的模式转换。
      科学意义与应用前景:这一设计将波导模式转换器的研究推进到了可大规模批量生产应用的水平,实现了多项领先于国际水平的性能指标:1)沟道波导与条形波导的模式转换效率高达97%(-0.13dB);2)器件尺寸仅1.24μm×6μm,相比于国际上已有报道的其他方案减小了30%以上;3)器件具有波长不敏感特性,文中展示了130nm范围内的测量结果,这是目前实测工作带宽最宽的波导模式转换器;4)器件在尺寸变化±60nm范围内,模式转换效率变化量不超过2%,这是目前已有报道的工艺容差范围最大的波导模式转换器;5)器件设计中没有尖锐的楔形结构,可以通过CMOS光刻工艺批量生产应用。

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  •            图14.沟道-条形波导模式转换器结构及模式转换示意图
  •   成果发表:Q. Deng, L. Liu, X. Li, and Z. Zhou, "Strip-slot waveguide mode converter based on symmetric multimode interference," Optics Letters 39, 5665-5668 (2014).Web of Science统计被引频次:13。                                    

  •  Q. Deng, Q. Yan, L. Liu, X. Li, J. Michel, and Z. Zhou,, "Robust polarization-insensitive strip-slot waveguide mode converter based on symmetric multimode interference," Optics Express 24, 7347-7355 (2016).Web of Science统计被引频次:4
  • d) 任意比例光功率分束器
      在集成光电子学领域,基于多模干涉的光功率分束器(MMI power splitter)具有尺寸小、工艺容差大、工作带宽宽、插入损耗低等优点而得到广泛的研究与应用。传统MMI分束器仅能实现几组特定的光功率分束比(100%:0%, 85%:15%, 72%:28%, 50%:50%), 而在诸多集成光电子系统中都需要任意比例的光功率分束器。为实现任意比例的MMI光功率分束器,国际上已经报道了多种解决方案。但这些方案都是在传统MMI的基础上,以特定方式组合多个MMI分束器来实现任意光功率分束比。从而所有已报的的方案都具有结构复杂、尺寸大的缺点。本项目组突破了传统MMI器件的设计准则,在MMI分束器的多模干涉区域移除一块区域来破坏其结构的对称性。非对称结构将导致非对称的多模干涉(asymmetric multimode interference),从而突破传统MMI自镜像原理对输出光功率分束比的限制,实现任意比例的光功率分束比。
      科学意义与应用前景:这一设计将任意分束比MMI光功率分束器的尺寸从目前已有报道的几百微米量级减小到3微米。器件尺寸减小了100倍,同时保持了MMI光功率分束器的工艺容差大、工作带宽宽、插入损耗低等所有优点。更重要的是此设计结构十分简单,且设计思想新颖,易于推广到MMI的其他应用领域。

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  •               图15.任意分束比光功率分束器结构示意图

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  •              图16.任意分束比光功率分束器结构SEM图及实验测得的任意分束比特性

  • 成果发表:Q. Deng, L. Liu, X. Li, and Z. Zhou, "Arbitrary-ratio 1 × 2 power splitter based on asymmetric multimode interference," Optics Letters 39, 5590-5593 (2014).Web of Science统计被引频次:8

  • e) 偏振旋转器
      表面等离子体因其自身特殊的偏振特性及亚波长尺寸光场限制能力,在集成偏振控制器件方面具有极大的研究潜力。目前国际上已有一些前沿研究,利用表面等离子体结构实现偏振旋转。然而这些工作大都基于模式演变原理,存在着难以突破的物理限制:一方面,模式演变要求器件结构足够长以获得较小的插入损耗,另一方面,SPP结构中金属引起的传播损耗也随器件长度增大而累加。因此难以同时达到小尺寸与高消光比的要求。本项目组首次提出基于模式相干理论的SPP 偏振旋转器。创新性的提出了非对称的混合表面等离子体波导结构,该结构可以支持光轴旋转45°的两个本征模式。
      科学意义与应用前景:工作波长为1.55μm时,器件的旋转区域长度仅为3.2μm,是世界上有报道的最小的尺寸之一。偏振转化率为99.5%,同时总的插入损耗为1.38dB,远小于一般SPP器件的损耗。此外,这一结构还有望实现可集成片上波片,广泛用于片上偏振态的调控。
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  •              图17.偏振旋转器结构示意图

  •   成果发表:L. Gao, Y. Huo, J. S. Harris, and Z. Zhou, "Ultra-Compact and Low-Loss Polarization Rotator Based on Asymmetric Hybrid Plasmonic Waveguide," IEEE Photonics Technology Letters 25, 2081-2084 (2013).Web of Science统计被引频次:27

  • f)偏振分束器
      偏振分束器的作用是将TE和TM分开,因此消光比是衡量其性能的一个重要依据。同时,为了与波分复用(WDM)更好的兼容,带宽也是一个需要考量的指标。我们提出了一种基于亚波长光栅的高消光比、大带宽偏振分束器。该器件一方面利用亚波长光栅对于折射率的调控作用使得TE的耦合长度是TM耦合长度的一半,从而使得两个偏振分别从不同的输出端口输出。另一方面利用亚波长光栅对于色散的调控作用,使得该器件对于波长的敏感性大大降低。最终实现了TE和TM的消光比分别为28.7 dB和24.8 dB的偏振分束器,并且消光比大于10 dB对应的带宽可分别达到175 nm(TE)和115 nm(TM),解决了传统偏振分束器高消光比和大带宽无法同时实现的问题。
      科学意义与应用前景:本项目提出的偏振分束器工作波长范围可以覆盖C-band的全部以及S-band、L-band的大部分,未来可以在WDM-PDM多维复用系统中发挥重要作用。
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  •              图18.偏振分束器场分布示意图

  •   成果发表:L. Liu, Q. Deng, and Z. Zhou, "Manipulation of beat length and wavelength dependence of a polarization beam splitter using a subwavelength grating," Optics Letters 41, 5126-5126 (2016).

  • g) 宽带偏振无关耦合器
      SOI纳米线波导因其较大的折射率差而可以实现非常紧凑的结构,但同时较高的折射率差也直接导致器件具有较大的偏振相关性。对于光纤通信系统来说,来自光纤的光具有不确定的偏振态,那么当这样随机偏振态的光进入偏振敏感的片上PIC时必然导致信噪比的严重恶化。因此实现不敏感的片上PIC是一个迫切的问题。方向耦合器是很多器件如微环滤波器、功分器、马赫曾德尔光开关等的基本组成部分。因此,实现方向耦合器的偏振不敏感对很多器件的设计都具有指导意义。我们提出了一种基于亚波长光栅的硅基集成偏振不敏感方向耦合器。利用亚波长光栅对于折射率的调控作用,使得TE和TM的耦合长度相同,从而达到偏振不敏感的效果。不同于其他偏振不敏感方向耦合器的设计方法,该器件不需要使用特殊材料或者特殊顶硅高度,可以与CMOS完全兼容,有利于大规模生产。实验结果显示该器件在整个C波段均实现两种偏振的耦合效率之差小于0.5 dB,这也是偏振不敏感耦合器的首次实验报道。
      科学意义与应用前景:该器件未来可以成为片上不敏感系统的组成部分,同时也为其他基于方向耦合器的器件提供偏振不敏感的实现思路。
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  •                图19.偏振无关耦合器场分布示意图

  •   成果发表:L. Liu, Q. Deng, and Z. Zhou, "Subwavelength-grating-assisted broadband polarization-independent directional coupler," Optics Letters 41, 1648-1651 (2016).Web of Science统计被引频次:1
  • h)硅基片上集成光源研究
      作为电光转换器,硅基集成激光器是硅基光互连技术不可缺少的核心功能器件。然而,由于硅是间接带隙半导体,发光效率极低,导致硅基集成激光器的研究成为当前硅基光互连技术的重大挑战。本项目对当前实现硅基集成激光器的三种主流方案即铒硅基光源、锗硅激光器以及基于三五族材料的混合集成激光器的历年研究进展进行了系统梳理,从硅基光互连系统角度出发,对三种实现方案在工作波长、泵浦条件、能耗、加工工艺兼容性、热稳定性等五个方面进行了综合分析。
      分析结果表明,采用键合工艺的硅基混合集成激光器目前整体性能最佳,并且在不久的将来有望实现规模生产和具体的商业化应用。但是从长远角度来说,采用直接外延工艺生长的量子点硅基混合集成激光器在实现低成本、高良率上更有前景,并且其特有的温度不敏感特性将极大地促进其在大规模光电集成电路中的应用。另一方面,锗硅激光器也十分具有潜力,利用锗硅材料在材料和加工工艺上与传统的微电子工艺兼容的天然优势,有望通过单一工艺在芯片上实现光发射、传输、调制、接收等功能,最终实现硅基光互连的单片集成。
      科学意义与应用前景:该研究展现了当前硅基集成激光器的最新研究进展和发展特点,通过系统分析指明了硅基集成激光器下一步的可能发展方向,为其他研究者实现硅基集成激光器提供了一种新的思路。
  •   成果发表:Z. Zhou, B. Yin, J. Michel. “On-chip light sources for silicon photonics,” Light: Science & Applications, 2015, 4(11): e358.
  • E.低功耗片上光互连系统
    a)低能耗技术途径分析
    在上述研究的基础上,本项目针对如何降低硅基光电子器件和系统的功耗进行了分析总结,确定了降低光互连系统能耗的四个关键因素即降低器件热光效应影响、提高硅基激光器的能量转化效率、优化调制器的能耗以及增强探测器的灵敏度。
    主要研究结论如下:1、基于马赫-曾德调制器干涉技术的器件具有温度不敏感特性,能有效降低针对热光效应的额外调谐能耗。2、基于直接晶圆键合工艺的三五族硅基混合激光器目前能效最高,能有效降低光互连系统的整体能耗。但从长远来看,基于直接外延生长工艺的三五族硅基量子点激光器未来有望实现更高的能量转化效率。3、即便将调谐能耗考虑在内,谐振调制器,尤其是耦合调制器在实现低能耗工作上依然很有潜力。4、锗硅雪崩光电二极管具有低沉本和高灵敏度优势,是最有希望的光电探测器,可以有效地降低光链路功率预算。
    科学意义与应用前景:该研究系统分析了降低当前硅基光互连系统能耗的四大关键因素,并针对每个因素给出了相应的最佳解决方案,为进一步降低硅基光互连系统的能耗提供的新的思路和研究重点。
    成果发表:Z. Zhou, B. Yin, Q. Deng, X. Li, and J. Cui, "Lowering the energy consumption in silicon photonic devices and systems," Photonics Research 3, B28-B46 (2015).Web of Science统计被引频次:8
    b) 低功耗片上光互连系统实验
      在上述各个功能模块研究的基础上,我们根据项目任务需要设计出了“集成调制器和波分复用/解复用器的光互连系统,整个系统功耗<1pJ/bit”。下图为IMEC流片中所用的片上光互连系统加工版图,波分复用部分使用了阵列波导光栅复用/解复用器,上侧系统采用谐振腔调制器、下侧系统采用集总调制器。其中波分复用部分采用了前述完成的热稳定设计,工作波长不随环境温度变化而飘移,因而不需要能耗。微环调制器受限于IMEC的版图要求,只能加工传统侧向结微环调制器,不能通过隔热空气槽降低热耗散,仅作为对照,预期能耗高于1pJ/bit。集总调制器采用单驱动电学结构,并利用本项目提出的完整电光响应理论优化结构参数以实现低能耗,理论预期理想工艺条件下的能耗约为81fJ/bit。
      科学意义与应用前景:通过对以上关键光学集成器件的理论及工艺突破,掌握低功耗微纳光电集成的关键技术,解决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支撑。     C:\Users\qzdeng\AppData\Local\Temp\WeChat Files\436889643099338086.png

  •           图20.IMEC流片版图示意图:片上光互连链路
  •   为了加工片上光互连系统,本项目组于2014年12月、2016年2月和2016年5月与合作方国内某微电子厂商进行了三次片上光互连系统的CMOS工艺流程开发和流片,希望在国内建立一条硅基光电子自主知识产权的工艺线。由于光电子工艺需要大量的经验积累和优化,目前已加工完成的器件由于波导形貌、硅化物损耗等问题而无法进行有效测试。因此这部分的加工测试有一定的时间延误。
      而后本项目转向IMEC进行有源流片,已于2016年3月投放到国际硅基光电子专业代工厂商IMEC流片加工上述低能耗片上光互连系统。通常IMEC有源流片需时8个月,但这次流片工艺代工厂商有一定的延误,至目前仍未完成。
      这些流片加工的带来的延误导致这部分设计尚未进行测试分析。

    F.工艺平台合作开发
      由于目前世界范围内的商业代工厂均不能加工垂直PN结,我们与国内某微电子厂商合作开发国内第一条具备垂直PN加工能力的硅基光电子器件集成工艺流程,希望能够加工本项目所涉及的垂直结调制器结构,但开发工艺周期较长,目前尚未获得成功的垂直结器件,但会在未来一至两年内继续进行。
      硅基光电子器件集成工艺研究以已有的CMOS IC工艺流程为基础,修改并添加光电子器件特殊制备工艺并进行工艺实验及验证。以下举例描述两类光电子器件特殊制备工艺和工艺要求:
    a) 刻蚀形貌的优化
      硅基光电子器件对刻蚀形貌的要求较高,而现有CMOS IC工艺线直接流片的形貌和粗糙度不能达到光学要求,造成较大的损耗。针对这一问题,本项目系统地进行工艺开发和优化,包括无源刻蚀侧边倾角的优化,热氧化制程对顶层硅膜厚度和形貌的优化,对准问题的优化,以及无源刻蚀后光滑化处理的优化。通过器件切片电镜分析为工艺参数的调整提供依据。
    b) 沉积薄膜对器件损耗的影响
      无源刻蚀后沉积的薄膜(硅化物,DARC)会强烈地吸收红外光,导致片上光互连系统的损耗急剧升高。本项目通过修改和优化工艺流程,通过使用替代氧化物材料或改变工艺顺序/直接沉积介质层的方法,可避免沉积介质对光的吸收。
    c) 耦合端面的制作
      端面耦合是输入光进入芯片的一种重要方法,该方案可实现更高的耦合效率和更平坦的波长相关性,但对端面质量要求较高,且需要配合深刻蚀暴露出耦合端面。针对这一问题,本项目采用硅刻蚀定义端面、深刻蚀暴露端面的技术方案,既保证端面的光滑度,又放松了对深刻蚀的形貌控制要求。本项目通过反复切片分析器件各层薄膜的厚度以及侧边刻蚀倾角,反馈改进端面的刻蚀窗口,并严格控制流片过程中线上的对准,使端面的刻蚀误差降到最低。
    d) 光栅的制作
      光栅耦合器是第二种光输入方式,其对准容差大,但耦合效率及平坦带宽略差。光栅作为周期性的多光束干涉光学器件,对线宽/间距的容差较小,需要。针对具体设计做特定的工艺优化和光学校正。如图所示,经过多次尝试,切片观察到的光栅形貌已经较为理想。

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  •                 图21.SMIC硅光栅刻蚀形貌
  • e) 介质的填充
  •   层间介质(Interlayer dielectric)沉积是CMOS工艺分割各层的必备工序。对于较小的间隙,例如微环谐振腔与直波导的耦合区(120~180nm间隙),标准的层间介质沉积填充性不足,间隙处遗留有孔洞或气泡,及造成工艺不稳定性/不一致性,又增大了光学散射损耗。本项目在工艺上调试高填充性沉积方法(例如:HDP TEOS),通过切片分析观察到间隙处的介质已经可以较密实地填充。
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