硅基片上光互连电路设计

根据摩尔定律,芯片的集成度不断提高,传统的片上互连技术由于受到电互连物理特性的限制,其传输延迟、带宽密度和功耗等关键性能指标很难有质地提升,成为制约片上互连性能进一步提升的瓶颈。相比之下,光互连信号传输具有损耗低、速度快、延迟低、带宽密度高的优势。因此,光互连技术在片上系统的应用中具有潜在优势。文章采用MOS管发光器件实现硅基光互连系统单片集成。由于硅光源在光互连中扮演着重要角色,所以本文对硅基发光做了重点研究,并对过去几年硅光源研究成果进行回顾。基于前人的研究成果,我们设计了MOS管发光器件,并对该器件的电学特性和光学特性进行了仿真和分析,基于这些结果,然后对硅基片上光互连进行初步的设计,有望在未来光互连中发挥重要作用。

与标准集成电路工艺兼容的硅基光学器件研究

着重介绍了与标准集成电路工艺兼容的硅基光学器件的最新研究进展,包括硅基光发射器、硅基光波导和调制器件、硅基光电探测器和接收机以及硅基光电子集成回路的工作原理、制作工艺和集成技术.与标准集成电路工艺兼容的硅基光电子集成回路能有效地解决电互连芯片内部串扰、带宽和能耗等问题,并能够充分利用现有成熟的集成电路工艺,实现大规模生产,具有广阔的实用前景.

基于硅光MZ调制器的光电混合集成发射机设计

在高速硅光互连系统中,基于键合线的光电混合集成方式具有低成本、高灵活性特点而得到广泛应用。但是,键合线的寄生效应会带来高速信号的反射和阻抗匹配等问题,成为混合集成发射机中设的难点。基于多通道硅光Mach–Zehnder调制器结构,设计了一种基于金线键合的光电混合集成方案,并针对其中键合线寄生效应问题,在开发了键合线模型的基础上提出了寄生效应的补偿方法,并最终设计实现了一款4通道的光电混合集成发射机。仿真和实验证明,该方法能够改善由键合线引起的信号反射问题,使得键合金线的损耗从1.55dB降低至0.75dB,并能够实现每通道25Gb/s的速率的高速互联。

硅基片上刻蚀衍射光栅及其平坦化设计

刻蚀衍射光栅(EDG)作为实现波分复用功能的关键器件,对于片上光互连的实现至关重要。为了实现1310nm波段通道间隔为20nm的硅基EDG,采用了基尔霍夫标量衍射理论仿真方法进行理论设计和仿真验证,通过在闪耀光栅反射面引入布喇格反射光栅来提高反射效率、降低器件插入损耗,并在入射波导处引入多模干涉耦合器以实现通道频谱平坦化设计。结果表明,闪耀光栅反射面的反射效率由35%提高到了85%,1d B带宽达到12nm。这对于提高系统稳定性、增大传输距离和容量、降低系统成本具有显著作用,能够满足光互连系统的实际应用需求。

基于CMOS平台的硅光子关键器件与工艺研究

面向互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的硅基光互连体系,研制了包括光波导、光栅耦合器、刻蚀衍射光栅、偏振旋转分束器、光频梳以及3D互连新器件等的硅光子关键器件,并对相应器件的设计及工艺给出了最新的研究结果。基于以上关键硅光子器件进行了大规模光子集成,实现了片上集成的微波任意波形发生器,并集成了300多个光器件,包括高速调制、延迟线和热调等功能。面向数据通信研制了八通道偏振不敏感波分复用(WDM)接收器,解决了集成系统中的偏振敏感问题。

硅基IV族光电器件研究进展(二)——光电探测器

基于Ge、GeSn等IV族材料的硅基探测器与Si CMOS工艺兼容性好,成本低廉,并且易于与硅基波导器件集成,因而具有非常重要的应用价值。介绍了中国科学院半导体研究所在相关硅基IV族合金材料外延制备及相关器件方面的研究,重点介绍在硅基Ge面入射探测器、波导型探测器、吸收电荷倍增分离型(SACM)结构雪崩光电探测器以及GeSn光电探测器方面的一些研究进展。

用于喇曼放大的SOI脊形波导中自由载流子寿命的解析表达

研究了用于喇曼放大的绝缘硅(SOI)脊形波导中自由载流子寿命与非线性光学损耗的关系.通过理论推导结合二维数值模拟的方法,提出了带有零反偏pin结构的SOI脊形波导中自由载流子寿命的解析表达式,该解析表达式与他人的实验结果相符.结果表明,比起不带pin结构的波导,带有零反偏pin结构的波导中的自由载流子寿命最多可以缩短80%.同时,研究了pin结构外加反偏电压时,自由载流子寿命进一步缩短的原因,并从强场下自由载流子速度饱和的角度出发,得到了自由载流子寿命的理论极限值.最后,模拟了不同自由载流子寿命情况下SOI脊形波导的喇曼净增益随着输入泵浦光功率密度的变化曲线,为硅基喇曼放大器的进一步研究指明了方向.