短波中红外硅基光子学进展(特邀)

短波中红外光学(2~2.5μm)在通信测距、卫星遥感、疾病诊断、军事国防等领域具有广泛的应用。作为短波中红外光学系统的关键核心部件,集成光电器件的开发一直都是重点的研究领域。得益于硅基材料超宽的光谱透明窗口,其在开发短波中红外集成光电子器件方面极具发展前景,近年来获得了广泛的关注。文中简要讨论了短波中红外硅基光子学的应用前景,从无源波导器件(包括波导、光栅耦合器、微型谐振腔、复用/解复用器等)、非线性光学波导器件和光电波导器件(包括调制器和探测器等)三方面综述了短波中红外硅基光子学的发展历史和前沿进展。

硅基集成光开关阵列的高速驱动控制电路设计

通过分析光开关单元的物理结构,提出等效电学模型,用于模拟光开关单元的瞬态响应.基于该模型,针对光开关阵列设计高速驱动控制电路,结合仿真探究电压尖峰对光开关单元瞬态响应的影响.系统测试结果表明,驱动电路施加的电压信号的上升/下降时间为1.7/1.6 ns,能够满足高速光开关纳秒级切换速度的需求.在该驱动电路的配合下,光开关阵列的切换时间为2.1~5.9 ns,实现了较先进的高速光交换系统.

硅基亚波长光栅波导在微波光子学中的应用

为了满足集成微波光子学的发展需要,随着硅基光子学的发展,硅基亚波长光栅波导被提出并受到关注.硅基亚波长光栅具备灵活度高、折射率可调等特性,主要用于实现光学滤波器、调制器、延迟线等集成微波光子学组件.本文对这类器件进行举例与讨论,并且在结尾提出对硅基亚波长光栅波导在集成微波光子学中应用的展望.

面向硅基光互连应用的无源光子集成器件研究进展

光互连是突破传统微电子IC性能瓶颈的重要技术手段,对推进"后摩尔时代"微电子技术的发展和高性能计算技术的实现具有关键性意义。本文在归纳总结不同层次光互连结构特点的基础上,对片上光互连(on-chip or intra-chip optical interconnects)所涉及的若干种无源光子集成器件的设计制备及性能特点进行了分析介绍,这些器件包括SOI亚波长光子线波导、SOI光子晶体波导、MMI分束/合束器、微环/微盘谐振腔滤波器、光子晶体微腔耦合滤波器、光子晶体反射镜等,是硅基片上光互连的基本构成单元。本文对这些关键性光子集成器件的国内最新研究进展进行了报道。

硅基光子芯片研究进展与挑战

硅基光子芯片以光子为信息传输媒介,具有高带宽、高速率、高集成度,及与CMOS工艺兼容等优点,在多个领域具有应用价值。文章首先介绍了几种硅基光子芯片的加工平台,包括绝缘体上硅(SOI),SiN,Ⅲ-Ⅴ族材料(如GaAs和InP)和硅衬底上铌酸锂薄膜,然后回顾了硅基光子芯片在光通信与光互连、光计算、生物传感、激光雷达(LiDAR)和光量子领域的发展现状和挑战,最后进行了总结。

与硅基激光器单片集成的多层氮化硅端面耦合器的设计方法

针对边发射Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅波导之间光耦合存在的问题,提出了一种可以在多层硅上氮化硅(SiN-on-Si)波导平台制备的双层五尖端端面耦合器。该耦合器用于1550 nm激光器和SiN单模波导之间的单片集成。仿真得到结构的总耦合效率为74%,1 dB效率恶化对应的垂直对准容差高达0.41μm,1 dB光学工作带宽>800 nm,器件耦合长度为26μm。设计了一个宽带宽SiN-Si层间绝热耦合器以连接到端面耦合器,激光功率耦合到单模Si波导中的总耦合效率达70.7%。此方法为单片集成激光器在硅基光子学平台上的应用提供了可能性。

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.

硅基片上光学器件实验设计

集成光学是光通信的重要发展方向,而硅是最有可能实现大规模集成的材料,所以硅基光学器件在集成光学中具有十分重要的地位。在通信、电子信息、光电信息等相关专业开设硅基集成光学课程是非常有必要的。本文以光学器件设计领域广泛应用的Lumeical软件为例,详细介绍了利用该软件设计片上布拉格光栅的教学环节和步骤。

硅光子芯片工艺与设计的发展与挑战

针对硅光子器件的特殊性提出了与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的硅光工艺开发的基本原则和关键问题。相比于工艺,硅光在芯片设计的方法和流程方面面临更多的挑战,例如硅光子技术与CMOS工艺兼容性,可重复IP制定及复杂芯片的快速设计等。故充分利用先进的半导体设备和工艺、个别工艺的特殊控制、多层次光电联合仿真是硅光子芯片从小规模设计走向大规模集成应用的关键。光子链路的仿真、器件行为级模型、版图的布局布线及验证等是硅光芯片走向成熟的关键。

可集成的硅基光互连技术研究

2013年,该研究针对光互连回路中的关键器件进行了深入的研究,并对新型互连器件和互连方式进行了探索性的研究,取得的主要工作进展包括：硅基片上集成光源方面,探索了有效提高硅基发光材料光辐射效率的技术途径：提出了基于CMOS工艺的硅光发射二极管（LED）等效电路模型,实现了在统一的集成电路环境中发光二极管和专用驱动电路的协同设计;研制了静态和动态集成光发射阵列芯片。进一步研究了金属微纳结构中Purcell效应与发光材料线宽的相互影响关系,表明表面等离子激元（SPP）模式的传播损耗和有源材料发光谱的展宽是获得极高Purcell系数的制约因素;进一步验证了金属纳米条波导（Nanostrip Metallic Waveguide）有助于降低模式体积,是非常适合用于增强硅材料这类宽线宽发光材料发光效率的波导结构。针对基于光子晶体微腔的高速直调光源,提出具有交错空气孔和slot结构的Nanobeam cavity,使微腔Q值的优化过程与模式体积解耦,大大的改善了微腔的调制带宽。在硅基集成调制器方面,对集成芯片中光波模式的调控机制和器件结构进行了研究：提出了新型垂直光接口电光调制器,节省了额外的光分束器插入损耗,并具有大的耦合对准容差。实现了一种微环阵列辅助的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）结构的热稳定电光调制器,既保留了MZI调制器温度稳定性高的特点,同时又可大幅减小器件尺寸。为实现硅基集成芯片上对多波长光波信号的传输调控,对多路硅基集成波分复用器、光开关和光衰减器等多种功能器件开展了研究。提出了一种基于Parent-Sub Ring结构的光分插复用器,利用热光效应制备出4路分插复用器。成功制备出高深宽比的光子晶体和多种调控单元,在此基础上制备出低功耗、高集成度的光开关和光衰减器。研制出SOI衬底上的高速Ge光探测器、波导型探测器和可集成的波导型锗光电探测器,实现了硅基锗光电探测器和硅基电光调制器单片集成的片上光互连。将新型垂直耦合光栅、电光调制器与锗探测器单片集成,从而构成硅基单片光电子集成回路,具有光耦合、光调制以及光探测功能,能够实现4Gb/s速率片上点到点的单通路光互连。对新型光互连方式进行了探索型的研究,提出了利用硅基光学微环构成高速轨道角动量（OAM）动态编码/解码器,在集成芯片上通过OAM编码实现高速无线光通信的解决方案。对全硅集成回路进行了初步的探索,提出了利用硅基Slot型波导在硅材料强吸收波长（800～1 100 nm）获得低传输损耗的方案,为利用硅基光源和硅基探测器构成全硅集成回路提供了可能。

基于硅基微环的光双二进制

基于硅基微环光调制器,利用Optisystem协同Matlab仿真,实现了10Gbit/s光双二进制信号的产生,并分析了光源的线宽和中心波长、光纤传输距离以及高斯窄带滤波器的带宽对10Gbit/s光双二进制系统性能的影响.仿真结果表明:该光双二进制系统对光源的线宽和中心波长敏感;在误码率为10-9量级时,实现无误码传输的最大距离为60km,且高斯窄带滤波器的最佳带宽为8GHz.

基于侧边耦合一维光子晶体微腔的高分辨率光子温度计

针对线上耦合结构的高品质因数一维光子晶体微腔具有极低透射率的缺陷,提出研制一种具有高分辨率、高信噪比、高动态范围的侧边耦合一维光子晶体温度计。通过调制光子晶体单元结构的反射系数以及微腔和耦合波导之间的模场重叠,光子晶体器件的品质因数和透射率得到提高。制备得到的器件品质因数值、灵敏度、消光比和基模与二阶模之间的模式间隔分别为2.7×10^(4)、65.6 pm/℃、0.45和18.5 nm。采用扫频测量技术,该光子温度计具有mK量级分辨率和超过280℃的温度感应范围。

基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅设计与制备

刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件,有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅,该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示,相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅,光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗,同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明:该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB,串扰为5.87~8.72 dB,后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局,进一步提高器件的性能。

硅基波导用楔形模斑变换器的研究进展

楔形模斑变换器在利用硅基光子集成技术实现芯片间光互连中有着广泛的应用。文章概述了国内外楔形模斑变换器的最新研究进展。介绍了几种新型模斑变换器的结构及制作的工艺流程,并对其性能及影响楔形模斑变换器耦合效率的几个因素进行了分析比较,进而讨论了这几种模斑变换器存在的问题及进一步提高耦合效率的可能性。

基于硅基微环10Gbit/sNRZ系统设计及性能分析

硅基光子器件在光通信、光互连以及光计算领域均具有重要的作用。利用载流子色散效应,采用反向pn结构的硅基微环调制器,实现10 Gbit/s不归零码(Not Return to Zero,NRZ)信号的产生。同时,以此光调制器为核心器件,利用Optisystem和Matlab搭建10 Gbit/s NRZ传输系统并协同仿真分析在不同光纤传输长度和驱动信号下NRZ信号的系统性能。仿真结果表明:当加载幅度为5 V方波信号时,产生调幅信号的消光比为25.2 d B,最大传输距离为22.8 km,相应的系统功率损失为7.58 d B。

智能硅基多维复用与处理芯片

全面综述了硅基光子单一维度和多个维度的复用与处理,梳理了智能硅基光子集成器件的发展过程。智能硅基多维复用与处理芯片能充分开发和利用光子多维度资源,并能结合硅基光子集成芯片的优势,有望为解决光通信新容量危机和新能耗危机提供核心光电子支撑技术和芯片,从而为实现光通信可持续发展和其他相关应用提供潜在芯片级集成化解决方案。

硅基单片集成单边带调制器

基于CMOS兼容的硅基光子集成工艺,设计并实现了一种具有高边带抑制比的硅基单片集成单边带调制器。单边带调制器采用正交混合耦合器实现上下两臂等幅度、90°相位差的射频信号加载,基于硅基双驱动马赫曾德尔调制器的热移相器调控上下两臂光相位差为90°,实现了效果显著的单边带抑制。基于CUMEC公司CSiP180 Al工艺和工艺设计包(PDK)完成芯片制备,采用金丝引线实现了正交混合耦合器的空气桥结构。测试结果显示该硅基单片集成单边带调制器在18~32 GHz频率内边带抑制比均高于12 dB,在21 GHz工作频率时边带抑制比达到了32 dB。该单边带调制器有望应用在光通信和微波光子系统中。

基于3μm-SOI的波分复用/解复用器与电吸收型VOA的单片集成（英文）

波分复用/解复用器与可调光衰减器的是光通信系统中的重要元器件。为了得到制备工艺简单、响应速度快的二者的单片集成芯片,并且考虑到其与其他不同光器件的集成可能性,在绝缘体上硅材料制作了16通道、信道间隔200GHz的阵列波导光栅复用/解复用器与电吸收型可调光衰减器的单片集成。该器件的片上损耗小于7dB,串扰小于-22dB。电吸收型VOA在20dB的衰减量下的功耗为572mW(106mA,5.4V)。此外,该器件可以实现光功率的快速衰减,在0~5V的外加方波电压下,VOA上升及下降时间分别为50.5ns和48ns。

基于FDTD仿真算法的硅基光子集成分析

阐述硅基微结构材料在界面光学调控中的应用,包括多种平面光学结构设计在宽谱透反射的特性,目标是实现一种具有高抗反射性质以及便于微加工的硅基光学抗反射膜。

基于锥形渐变不对称耦合的模式复用/解复用器

设计了一种采用锥形渐变不对称耦合结构的模式复用/解复用器,并利用商用的0.18μm互补金属氧化物半导体兼容工艺进行制备.通过控制锥形波导的宽度,基于模式有效折射率匹配原则,实现锥形波导中的基模与多模波导中的高阶模式相互转化.测试结果表明:当器件用于TE0、TE1和TE2三个模式复用与解复用时,在1 530nm到1 570nm波长范围内,串扰低于-8.05dB;而当器件复用与解复用TE0和TE2时,串扰低于-16.43dB.