面向中红外应用的硅基光电子学最近研究进展

随着信息传递、处理以及存储能力要求的不断提升,传统的近红外通信波段已呈"容量紧缩"之势。而工艺与CMOS兼容、结构简单、成本低廉的硅基光电子技术在中红外信号传输和处理方面已经显示出独特优势,有望在中红外波段实现大规模集成,在非线性光学等领域实现新的飞跃。首先介绍了硅基光电子技术在中红外应用中的优势以及目前研究过程中所遇到的困难和挑战;其次结合材料属性和结构特性对一些基本元件(如波导、分束/合束器、二极管)等在中红外领域的最新研究成果进行了介绍;最后对近5年来在中红外波段所实现传感应用的非线性光学硅基器件(基于FWM的非线性光学器件、频率梳)和面向中红外通信应用的激光器、调制器、光电探测器进行了成果介绍,并对研究进展进行了总结。

基于压电效应的光电子集成技术研究

压电效应是一种重要的物理现象,可以实现电能和机械能的转换。随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟,压电效应在光电子集成芯片领域引起了广泛的研究。在压电效应下,外部电场可以操纵薄膜材料的变形,从而改变折射率,实现光电调谐和声学调制。本文首先介绍了普通压电薄膜材料及其研究进展,然后考察了光电子集成器件在压电效应方面的研究进展。最后,介绍了压电调谐器和声学调制器的应用,并分析了这些广泛应用的挑战和问题。

基于压电效应的光电子集成技术研究进展(特邀)

压电效应是一种实现电能与机械能之间相互转换的重要物理现象。随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟,压电效应在光电子集成芯片领域引起广泛的研究。在压电效应的作用下,外部电场可以操控薄膜材料的形变,从而改变折射率,实现光电调谐和声光调制。本文首先介绍常见压电薄膜材料及其研究进展,随后回顾和探讨基于压电效应的光电子集成器件的研究进展。最后,对压电调谐器件和声光调制器的应用进行介绍和展望,分析其大规模应用面临的挑战和问题。

硅基光电子在通信中的应用和挑战

硅基光电子技术拥有光的宽带、高速和抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势。最近十年,硅基光电子技术开始进入通信产业领域,在800 Gbit/s以上的高速短距应用场景中发挥优势,对传统磷化铟(InP)的通信光模块形成挑战。浅谈硅基光电子技术在通信中的应用和发展,同时简要介绍硅基光电子技术在应用中的一些挑战。解决器件性能、封装技术、自动化软件等方面的不足,才能实现硅基光电子技术长足发展。

硅基光电子学的最新进展

随着人们对信息容量、速度以及成本的迫切要求,低成本、高度集成的硅基光电子学蓬勃发展,成为光通信、高速计算机等领域的研究热点和非常有前景的关键技术.硅基光电子学是一种可以用硅基集成电路上的投资、设施、经验以及技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路,在集成度、可制造性和扩展性方面达到集成电路的水平,从而在成本、功耗、尺寸上取得突破的一种技术.最近几年,硅基光电子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段,各个关键的硅基光电子器件都已经达到商用化的标准,部分性能甚至超过目前的商用器件,引起了产业界的广泛关注.本文从硅基光电子学的几个关键器件入手,包括波导、光栅、偏振分束器、混频器、滤波器、调制器、探测器和激光器,详细介绍了该方向的研究进展,特别是最近5年的重大突破;随后介绍了硅基光电子学在光互连、光通信、光传感、太阳能电池等几方面的重大应用;最后提出硅基光电子学未来发展方向和目前面临的主要挑战.

硅基光电集成用铒硅酸盐化合物光源材料和器件的研究进展

针对一种新型的硅基发光材料—铒镱/钇硅酸盐化合物开展了一系列基础研究。研究了铒硅酸盐,铒镱硅酸盐、铒钇硅酸盐高铒化合物材料的结构、光学和电学特性,通过优化铒镱/钇硅酸盐化合物材料的成分和结构,获得2个数量级的光致发光增强;制备出基于铒镱/钇硅酸盐薄膜材料的光波导放大器,观察到5 dB/cm以上的光放大;研制出金属-绝缘体-半导体结构电致发光器件,获得了铒镱/钇硅酸盐化合物的电致发光,并在理论上证明这种材料可以获得电泵浦激光的可能性。

硅基片上光电传感及相关器件

针对硅基光电子学在片上光电传感中的应用,分析了硅基片上光电传感的工作原理,指出该领域的主要研究方向包括:提升传感灵敏度,增加传感选择性,减小温度相关性,降低系统成本。结合本课题组的研究成果,总结了其研究现状和各研究方向在光电传感器结构设计方面获得的诸多进展。

硅基光电子学：神话还是现实

硅基光电子学：神话还是现实１９９３年４月１２～１６日，美国材料研究协会在旧金山举行了共有２９个专题讨论会的春季会议。全世界共有２５００多位研究人员出席，会上强调了各材料研究学科的合作，内容包括从岩石、陶瓷的碎裂力学到有机材料的非线性光学性质等。硅基光...

金属-氧化物-半导体硅发光器件在集成电路中的应用前景

集成硅光电子学的目的之一就是为大众市场创造应用广泛、成本低廉的光子互连工具.随着摩尔定律逼近理论极限,集成芯片的金属互连越来越跟不上芯片体积微型化、频率高速化和功耗分配精益化的需求.本文基于硅基发光器件的发展历程,详细论证了金属-氧化物-半导体结构硅发光器件在未来集成电路中的合理应用,提出了全硅光电集成电路在理论和工艺上的可行性.这种电路突破了传统芯片电互连码之间串扰的瓶颈,改善之后的互连速度理论可达光速,有望成为新一代集成芯片的主流.

硅基微波光子滤波器的研究进展

微波滤波器是无线通信、电子雷达等射频系统中的关键组件之一。硅基微波光子滤波器具有集成化、带宽大、可调谐性强、抗电磁干扰等显著优势,近年来得到了广泛的关注与研究。文章从微波光子滤波器的工作原理出发,分别综述了非相干型与相干型两类硅基微波光子滤波器的最新研究进展,并分析了当前面临的问题与挑战。最后,对硅基微波光子滤波器的发展现状进行总结,并对下一步的研究方向进行了展望。

基于介电常数近零态和铟锡氧化物集成硅基波导的电光半加器

为了解决传统电光混合运算逻辑单元速率低、功耗高、尺寸大等问题,以实现电光混合高速运算,本文设计了一种基于介电常数近零态(Epsilon-Near-Zero)和铟锡氧化物(ITO)薄膜电调控的集成硅基波导电光混合半加器。利用ITO激活材料薄膜的电调控特性实现了光路通断和交叉,从而实现了两位二进制数的半加法功能,通过3D-FDTD模拟仿真对器件模型结构参数进行了优化设计。仿真实验结果表明,当施加电压为0 V和2.35 V时,器件能够完成光信号逻辑控制。电光混合半加器工作在1550 nm波长时,其插入损耗为0.63 dB,消光比为31.73 dB,数据传输速率为61.62 GHz,每字节消耗能量为13.44 fJ,整个半加器尺寸小于21.3μm×1.5μm×1.2μm。该器件具有结构紧凑、插入损耗低等特点,为高速电光混合光学逻辑器件及半加器设计提供了理论依据。

硅基微波光子波束形成器研究进展

微波波束形成器是相控阵雷达、5G通信基站等射频发射系统中的核心器件。近年来硅基微波光子波束形成器以其带宽大、尺寸紧凑、重量轻、损耗低、抗电磁干扰等优势成为微波光子学中的研究热点之一。文章从微波光子波束形成的基本原理和性能指标出发,总结了近年来应用于微波光子波束形成器的多种集成可调光学真延迟线结构和波束形成网络架构,并介绍了微波光子波束形成系统集成芯片和自动化控制的最新进展,最后对硅基微波光子波束形成器的未来发展进行了展望。

硅材料外加直流电场诱导的线性电光效应

在直流电场作用下,硅单晶的反演对称性被破坏,从而诱导产生二阶非线性光学效应。主要研究了硅材料在外加直流电场作用下诱导产生的场致线性电光效应。以沿(111)面切割的近本征硅材料为样品,采用平行板电容器结构,通过横向电光调制实验,观测到在不同直流偏压下,电光信号随调制电压而线性增加,且直流偏压越大,电光信号增加的斜率越大。进一步的研究表明:硅材料场致线性电光信号的大小随直流偏压的增加而线性增加。这种场致线性电光效应可被用于制作新型的硅基高速电光调制器。

中红外波段高速硅基电光调制器设计与优化(特邀)

作为中红外波段中最接近O波段和C波段的波段,2μm波段区域逐渐引起人们的广泛关注。主要对2μm波段的马赫-增德尔型调制器进行优化设计和仿真,根据2μm波长下光模场分布的特点,选用具有340 nm厚度顶层硅的SOI衬底,结合实际工艺中240 nm硅刻蚀深度,得到宽度为600 nm以及平板层厚度为100 nm的最优脊波导结构。通过优化掺杂浓度和掺杂区位置获得综合性能最优的调制器器件,在4 V反向偏压下器件光损耗为5.17 dB/cm,调制效率为2.86 V·cm,静态消光比为23.8 dB,3dB EO带宽为27.1 GHz。同时,与220 nm厚度顶层硅器件相比较,器件的综合性能更为优越。研究内容为后续器件实际制作提供了依据,也为后续2μm波段光收发集成模块所需调制器设计提供了新的方向。

自组装Ge/Si量子点的研究进展

回顾与总结了该实验室对自组装Ge/Si(001)量子点的近期研究进展.着重介绍了生长在Si(001)衬底上的Ge量子点的形貌演变过程;多层Ge量子点的结构分析;Ge量子点结构的光学电学性质的表征;以及提高Ge量子点尺寸和分布均匀性的各种方法.

成步文:放眼未来 不懈探索

专家档案：成步文,研究员,博士生导师,中国科学院半导体研究所光电子研发中心副主任。目前主要从事Si基半导体异质结构材料的外延生长及相关光电子器件和光电集成技术的研究。在硅基异质结构材料外延设备、材料生长动力学、硅基光电子学器件等方面取得了重要研究成果。

基于伴随法逆向设计的硅基分模器

基于伴随优化设计算法逆向设计了一种高集成度硅基分模器。通过优化设计得到横电模TE_(0)和TE_(1)双模分模器的尺寸仅为5.5μm×4μm,其可在不改变模阶数的情况下实现模式高效分离。理论结果显示:当输入TE_(0)模式时,中心波长处的插入损耗和串扰分别为0.14 dB和-23.8 dB;当输入TE_(1)模式时,插入损耗和串扰分别为0.48 dB和-22.45 dB;工作带宽覆盖150 nm时,TE_(0)和TE_(1)模式的插入损耗分别低于0.44 dB和1.16 dB。基于全矢量三维有限时域差分法分析了±15 nm制备容差,两种模式的插入损耗低于0.79 dB,串扰低于-18.37 dB。所提出的紧凑型硅基分模器可应用于片上模分复用系统,为大容量片上光通信和光互联提供可行器件。

硅基雪崩探测器加速未来计算和通信

数据的超速传输对未来的多核计算机至关重要,光学传输将替代传统铜线的方式实现更高速的互联方式。目前的光子器件大部分采用稀有材料制造。

硅基集成光波导放大器的最新研究进展

在信息化进程中,随着摩尔定律越来越接近极限,将微电子和光电子结合起来,开发硅基大规模光电子集成技术已经成为技术发展的必然和业界的普遍共识.在硅基光电子集成器件中,硅基光源是重中之重.虽然硅是间接带隙半导体材料,发光效率很低,但人们一直没有放弃制备硅基光源.硅基光源包括硅基光波导放大器、发光二极管、激光器等,其中硅基光波导放大器又是激光器的基础,是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件,如果光波导放大器有足够高的净增益,在光波导放大器的两端设计合适的谐振腔就可以获得光泵的激光.本文着眼于硅基光波导放大器,介绍了目前硅基光波导放大器最主要的两个研究方向,即硅基混合集成Ⅲ- Ⅴ族半导体光波导放大器和硅基掺稀土离子光波导放大器.并分别讨论了这两个研究方向的原理、制备方法、发展过程等,列举了相关的典型研究成果,最后简单介绍了其他光放大技术,并做了相应的分析、总结和展望.

硅基场致GHz电光调制器的研制

硅基电光调制器是发展硅基集成光学和硅基光电}昆合集成技术中的关键部件，它不仅是未来光交叉互连和光分插复用系统的核心器件，而且在未来的芯片光互联和光计算技术中也具有重要的应用前景，因此开展硅基电光调制器的研究具有重大意义。然而硅材料是具有反演对称中心的晶体，在偶极近似下，不具有线性电光效应，因而，普通的硅材料无法像GaAs、LiNbO，等电光材料一样，研制出以线性电光效应为机理的电光调制器，虽然硅材料具有克尔效应，但是由于克尔效应是三阶非线性光学效应，是很弱的一种电光效应，因此也无法用于研制高性能的调制器，这极大地限制了硅基光电子学和硅光子学的发展。目前研制成功的硅基电光调制器主要是基于等离子色散效应、量子限制斯塔克效应等物理机制，属于间接电光效应，