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項目名稱： 超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術基礎研究首席科學家： 陳建平 上海交通大學起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部門： 上海市科委 教育部二、預期目標項目的總體目標 針對下一代信息網(wǎng)絡的重大需求，通過各參與單位在光電子、半導體材料與器件、信息網(wǎng)絡等領域所具有的基礎和優(yōu)勢的交叉融合，在超高速、低功耗、集成化光子信息處理器件的理論、設計、制 備等核心技 術方面取得重大進展和突破，研制出具有原創(chuàng)性的 100Gb/s、低功耗和集成化光子信息 處理芯片原型；同時帶動高水平研究基地的建設，促 進光子信息學科的發(fā)展；培養(yǎng)出具備創(chuàng)新能力和多學科綜合素質的集成光子信息處理器件相關領域高水平研究隊伍和優(yōu)秀人才；提高我國信息網(wǎng)絡技術的內涵和國際競爭力。五年預期目標 通過五年的深入研究，本項目預期取得以下重要進展和成果：（1）在若干重要基礎理論研究方面取得突破：半導體材料中光子－載流子相互作用增強機理；集成條件下折射率變化效應的選擇性增強和調控理論等。（2）提出具有自主知識產權的超高速、低功耗光子信息處理集成芯片完整的設計方法；提出光子器件建庫規(guī)范和標準，建立開放式 InP 基和 Si 基光電子集成芯片研發(fā)平臺；能在國內 CMOS 工藝線上批量制備硅基光子信息處理集成芯片。（3）研制出能滿足下一代網(wǎng)絡核心節(jié)點應用需求、具有創(chuàng)新性和實用化前景的超高速、低功耗、集成化光子信息處理原型器件（包括波長選擇光交換芯片、光緩存芯片、可調諧波長轉換 芯片、 時鐘恢復芯片、 碼 型轉換芯片和全光再生芯片），整體水平達到當時國際先進水平：工作速率?100 Gb/s，功耗與相關功能的 O-E-O器件相比，下降 2-3 個數(shù)量級。在此基 礎上，實現(xiàn)系 統(tǒng)功能的示范性演示。（4）在 IEEE(JLT、PTL、JQE 等)、OSA（OL、 OE、JOSA 等）、AIP（PRL、APL、PR）等國 際光通信和光子信息領域重要刊物上發(fā)表論文 300 篇以上；每年在 OFC、ECOC 發(fā)表數(shù)篇論文，爭取有邀請報告或 Post deadline 論文；在國內舉辦 2-3 次有較大國際影響的光子信息處理學術會議；力爭在 Nature Photonics 等刊物上發(fā)表論文。授 權或受理發(fā)明專利 20 項以上。（5）形成高水平光子信息處理集成器件和技術研究的協(xié)作平臺；在光子信息處理領域培養(yǎng)出優(yōu)秀青年教師和研究骨干，新增國家自然科學基金委杰出青年基金獲得者、教育部長江特聘教授、中科院百人計劃 2-4 人；培養(yǎng)碩士生 100 名，博士生 50 名以上。三、研究方案總體學術思路 本項目的總體學術思路是根據(jù)新一代信息網(wǎng)絡的重大需求，緊扣超高速、低功耗、集成化的核心思想， 發(fā)揮承擔單位國家和省部 級科研基地在設備、研究條件和人才方面的優(yōu)勢， 圍繞 關鍵科學問題，開展原 創(chuàng) 性的理論和實驗研究，提出并實現(xiàn)新型集成光子信息處理器件及其制備的創(chuàng)新方案。在承擔單位長期合作所形成的默契基礎上，根據(jù)各自特點實行分工協(xié)作，確保項目總體目標的完成。技術途徑：數(shù)字式波長選擇光交換芯片：光交換矩陣由光開關基本單元通過一定的級聯(lián)方式構成。以 16?16 矩陣為 例，若要 實現(xiàn)完全無阻塞 則需要 15 級級聯(lián)，最少 240個開關單元，每個開關單元包含分束、相移、合束、波導、諧振腔等多種基本功能元件，總計 光學元件數(shù)超過 1500 個，要 實現(xiàn)如此規(guī) 模的光電子集成是有非常大難度的。本項目擬采用可重構無阻塞的 Benes 結構，其 優(yōu)點是光開關單元數(shù)量可大幅度減少，不足是不同路由會導致各信道的插入損耗不均勻，這個問題可在2R/3R 中解決。 這樣，只需要 56 個基本開關單元，7 級級聯(lián)即可。盡管如此，這對芯片設計和工藝制作而言仍然是巨大挑戰(zhàn)。本項目將以微環(huán)諧振器構成 2?2 數(shù)字式波長選擇光開關單元。具有波長選擇功能的光開關在構成交換矩陣時不需要合波/分波器，極大簡化了系 統(tǒng)結構、增加了靈活性。數(shù)字式調諧方式則可避免繁瑣的波長鎖定技術，擬采用折射率微調方法來實現(xiàn)：將具有選擇性諧振耦合的開關單元設計在 ITU-T 規(guī) 定的 DWDM 波長上，然后通過改變折射率，使 諧振腔對該波長失諧，從而達到開或關的目的，避免了光波 長的大范圍快速調諧和鎖定的難題。電光效應響應速度快，是提高光交換速度的重要途經，但硅材料本身缺乏線性電光效應(Pockels effect)，本項目擬采用兩種途徑來解決這一問題。第一種方案是通過載流子色散效應來調節(jié)折射率。這種調節(jié)方式的響應速度相對較慢，為此將通過增加復合中心減小載流子的壽命，消除載流子抽取過程中的“ 拖尾”現(xiàn)象，提高速度；并通過光學結構（光波導與器件）和電學結構（調制區(qū)）的優(yōu)化設計，增大光場與電場的有效交疊面積，來增強等離子色散效應, 降低功耗。由于在本項目中，折射率僅需微調，因此微環(huán)諧振腔的控制將采用反向偏置 p-i-n 二極管，這樣，充放 電時間能大大縮短，可將開關時間降至 100ps 之內，并大幅度降低驅動功率。第二種方案是采用復合波導結構。 電光聚合物具有很強的非線性系數(shù)，折射率可以通過電場直接調節(jié)，響應速度快。然而直接利用電光材料（如具有極高非線性效應的電光聚合物）制作波導，在 1550nm 波段 損耗很大。硅基波導的折射率高，有很強的光限制能力，工藝上與 CMOS 兼容，可實現(xiàn)微納尺寸的波導結構。本項目擬采用硅材料作為波導芯層，以電光聚合物作包層，形成復合波導結構，充分利用兩者各自的互補優(yōu)勢，制作高速、低功耗光開關矩陣。光子器件的高密度集成存在熱效應，會使諧振波長發(fā)生漂移。 擬通過在硅波導芯層開一個縫隙，在其中填充聚合物，以增加電光調諧效率，并利用聚合物具有和硅相反的熱光系數(shù)減小熱效應。通過優(yōu)化器件結構設計，使聚合物 負熱光效應能抵消硅材料正熱光效應，從而獲得無熱漂移的諧振， 實現(xiàn)非熱敏的波長選擇和調控。通過上述方法實現(xiàn)的光交換矩陣還存在一個很大的優(yōu)勢，就是其信道交換規(guī)模要比物理端口數(shù)量大 N 倍（N 為交換矩陣所能支持的波長數(shù)量）！如果N=16，則輸入、輸出端口數(shù) 為 16 的芯片實際上具有 256?256 的信道交換規(guī)模。當然，這 種交換模式是有阻塞的，這一問題可通過快速可調諧波長變換芯片來解決。連續(xù)可調的硅基光緩存芯片：延時帶寬積是反應器件緩存能力的主要性能指標，它與器件的結構、控制及工作方式有關。本 項目所研究的光子信息 處理器件工作速率高達 100Gb/s，因此必須大幅度提高器件的延時帶寬積。擬采用以下方法來提高延時帶寬積：（1）多級復合微環(huán)陣列超諧振腔結構。通過合理設計諧振腔之間的耦合強度，控制微 環(huán)結構的模式分裂， 獲得所需的帶寬；另外，多 環(huán)諧振增加了有效光程，也增加光延時。 （2）調節(jié)群速度色散。由于微環(huán)諧振器的串聯(lián)結構與并聯(lián)結構具有符號相反的三階色散，通過結構上的合理設計，可使兩者的三階色散相互抵消，從而增加 帶寬。在 調諧方面，擬采用向 諧振腔注入載流子的方法，改變諧 振腔的諧振頻率或者諧振腔之間的耦合強度，重組超諧振模式， 實現(xiàn)延遲量的大范圍連續(xù)可調。在多級復合微環(huán)陣列超諧振腔結構中，超諧振模有很多重組方式，需要進行深入研究，選擇最佳方式。在此基礎上，對波導結構進行優(yōu)化設計，使需要注入的載 流子數(shù)量最少，從而降低器件功耗、增加集成度。高速可調諧波長變換芯片：本項目擬采用 SOA 中的超快非 線性效應與可調諧激光器配合來實現(xiàn)可調諧波長變換。相關課題負責人在以往工作中曾提出瞬態(tài)啁啾躍變機理，并采用 SOA 結合其他分立器件，實現(xiàn)了 100Gb/s 以上的全光波長轉換。本項目將在這一研究基 礎上， 針對以往面 臨的信噪比弱、功率代價高等不足，提出改進方案。由于涉及多種不同材料和能 帶結構實現(xiàn)的不同功能單元，集成化一直是個國際性難題。目前國 際上波長變換集成芯片多采用 SOA-MZI 結構，因其非線性效應涉及帶間躍 遷過程、 載流子恢復 較慢，因而只能 實現(xiàn) 40Gb/s工作速率（理論上限約為 80Gb/s 左右）。為克服載流子恢復較慢引起的速率限制，擬利用瞬態(tài)啁啾躍變等超快非線性效應來配合增益調制和相位調制過程，以獲得 100Gb/s 以上的工作速率。項目將重點研究 SOA 中載流子、增益和折射率變化的超快非線性過程，如雙光子吸收、光譜燒孔、載流子加熱效應等。利用基于 SOA 的干涉儀結構，通過深入研究交叉增益/相位調制過程中伴隨的超快折射率變化過程以及所對應的啁啾動態(tài)變化過程，完善 SOA 的超快理論模型，優(yōu)化得到最適合干涉結構的 SOA器件。在此基礎上，研究實現(xiàn)瞬態(tài)啁啾躍變提取的具體方案，通過藍移光濾波技術或者紅移光濾波技術實現(xiàn)超高速波長變換，對藍移或紅移光濾波器的參數(shù)進行優(yōu)化，提高器件性能并降低功耗。在可調諧激光器方面，擬采用帶定向耦合器的半導體環(huán)形激光器和布拉格光柵的調諧結構。將半導體環(huán)形激光器中定向耦合器的一端制作成布拉格光柵，用于鎖定環(huán)形激光器特定波長的輸出。通過注入載流子調節(jié)光柵的周期，改 變環(huán)形激光器的激射波長，實現(xiàn)波長調諧。與常 規(guī)的多段分布反饋反射（DBR） 結構相比，該方案具有結構簡單、集成工藝難度低和調諧電流低等特點，容易實現(xiàn) 器件的低功耗。在器件制作方面，改進半導體器件制備關鍵工藝，研究最佳的器件結構，通過優(yōu)化量子阱的個數(shù)和引入合適的應變，在有源區(qū)外引入限制層，改善載流子變化動態(tài)特性，加大帶內躍遷 過程，增 強 SOA 中包括瞬態(tài)啁啾躍變在內的超快非線性效應。 針對 InP 基和 Si 基材料在有源和無源器件中各自優(yōu)勢，在優(yōu)化單元器件結構的基礎上，擬采用混合集成，用倒裝方式（ flip chip）把 InP 基有源器件嵌入到以無源器件為主的 Si 基母板上，并采用非對稱雙波 導技術制作模斑轉換器改善波導間的耦合效率。同時 探索整片鍵合方式，利用低溫氧等離子輔助晶片鍵合技術，將 InP 有源結構整片 鍵合到 Si 晶片上。全光時鐘恢復芯片：對于 100GHz 或更高速率的全光 時鐘恢復集成芯片，最關鍵的性能指標是時間抖動（100Gb/s 光傳輸系統(tǒng)要求其均方根 值小于 420fs），其次是幅度抖動。本項目提出的多段式自脈動激光器，其時間抖動取決于諸多因素，包括與激光器內腔膜的相位相關性，以及腔內載 流子和光子的弛豫震蕩等。國際上有關超高速時鐘恢復集成器件的研究尚處于實驗探索階段，目前還沒有比較完整的理論，因此首先要在理論上突破，研究激光器模式、光信號注入 鎖定、載流子與光子相互作用等動力學過程，并結合實驗結果完善相關理論，建立模型。要實現(xiàn) 100Gb/s 信號的時鐘恢復，首先要設計自脈動頻率為 100GHz 左右、具有注入鎖定功能的自脈動激光器。本項目根據(jù)自脈動產生機理，擬采用放大反饋激光器結構，該激光器具有 較寬的調諧范圍（對我們所研制的 40GHz 放大反饋激光器的測試結果表明，其本征自脈動頻率具有的調諧范圍可達 10GHz 左右），因此有較大的設計和制作容差，便于批量化生產。器件由 DFB 區(qū)、相區(qū)和半導體光放大器區(qū)構成，器件的自脈動頻率與各段的有效折射率和長度密切相關，通過合理設計各個區(qū)的長度，來實現(xiàn)所要的集成器件的自脈動頻率。在此基礎上確定集成器件的有源區(qū)材料結構以及單片集成采用的集成工藝；研究自脈動激光器的時鐘恢復性能（時間抖動、抵御惡化信號的能力、 連零碼的碼型效應等）與輸入信號光波長、偏振態(tài)、碼型的關系。特 別是針對時間抖 動，研究其與有源區(qū)材料結構、器件結構之間的關聯(lián)規(guī)律，以及與注入信號和外部工作條件之間的關系, 探明注入信號引起的腔內諧振的物理機制，由此來指導時鐘恢復集成器件的優(yōu)化設計。時鐘恢復的幅度抖動主要是由于注入信號通過交叉增益調制，導致載流子濃度的波動而引起。所以幅度抖動與注入信號的碼型以及功率密切相關。將通過提高多段激光器腔模相位相關性，降低拍頻線寬，來減小時鐘的幅度抖動。在器件制作中，擬采用選擇區(qū)域外延生長及具有自主專利技術的量子阱混雜，實現(xiàn)DFB 區(qū)以及相位調節(jié)區(qū)和放大器區(qū)的帶隙波長偏調。為了減小不同區(qū)域之間由于折射率的微小差別引起的界面反射對自脈動的擾動，擬采用傾斜界面結構，減小界面光的反射。采用折射率耦合光柵和增益耦合光柵相結合的復合耦合使DFB 區(qū)具有更穩(wěn)定的激射模式，以實現(xiàn)更好的自脈動性能。 為減小偏振依賴性，激光器的有源區(qū)材料擬采用漸變張應變結構，即以無應變的 1550nm 厚體材料為中心層，以張應變量逐漸增大而厚度逐層減?。ㄒ孕∮谥饘拥膹椥孕巫兣R界厚度為準）的方式向兩邊對稱擴展，或者采用壓應變的量子阱和張應變的準體材料相混和做有源區(qū)，從而實現(xiàn)對注入光信號的偏振不靈敏。通過改變量子阱的數(shù)量/應變以及光子限制層來研究時鐘恢復的時間抖動與材料之間的關系，并從理論上來加以分析驗證。以此來指導器件的優(yōu)化。為進一步改善時間抖動，將探索研究含可飽和吸收體的多段式激光器，確保器件的時間抖動滿足 100Gb/s 的要求。該器件用于時鐘恢復的基本原理是碰撞脈沖鎖模，在高速工作時可以 實現(xiàn)低抖動的時鐘恢復。要實現(xiàn) 100G 高速時鐘恢復，須對飽和吸收區(qū)進行精心設計，盡量減小吸收區(qū)的長度，降低電容來提高頻率；在可飽和吸收區(qū)的材料設計方面，可在有源區(qū)量子阱材料中加入應變或者摻入雜質來減小載流子掃出時間，從而獲得窄脈沖， 實現(xiàn) 高速率。探索采用低 維量子點結構做有源區(qū)材料，量子點中由于較強的四波混頻效應，增強了激射模式的相關性，使量子點模式鎖定激光器具有窄的拍頻線寬，從而實現(xiàn)更低時間抖動的時鐘。這種方案具有實現(xiàn)起來相 對簡單、 時延抖動小的特點，它的不足是拍頻頻率調諧困難，工藝容差相對較 小，需要從原理和工 藝上深入研究，探索括展調諧范圍的方法。通過以上技術方案的實施， 實現(xiàn)時鐘頻率?100GHz 、時間抖動?200fs的全光時鐘恢復器件。全光 2R/3R 再生芯片：基于 SOA 的 XGM/XPM 效應實現(xiàn) 100Gb/s 信號 3R再生存在較嚴重的碼型效應， 為此，本 項目將從機理上深入研究半導體功能材料、器件中傳輸光波與載流子非線性相互作用的一般規(guī)律，特別是器件中光生載流子動態(tài)變化導致的折射率變化及其對光波特性的影響；為解決碼型效應問題，本項目采用 XGC（交叉增益壓縮）改善信號質量。將輸入信號分成兩路，其中一路與恢復的高質量時鐘信號通過 SOA 的 XGM 效應獲得反碼（一般含有較嚴重的碼型效應）。然后將這路信號與另一路輸入信號同時注入至第二個 SOA，這樣進入 SOA 的信號光功率幾乎是恒定的，利用兩束光信號之間的超快 XPM 等非線性作用，輔以 SOA 中的 XGC 克服載流子壽命（有限恢復時間）引起的碼型效應，改善光判決門的平坦度、邊帶 陡降程度。探索采用低維量子點結構來縮短 SOA載流子恢復時間、改善動態(tài) 特性， 實現(xiàn) 100Gb/s 的交叉增益壓縮。鑒于 EAM（電吸收調制器）較 SOA 具有所需的載流子濃度低、恢復時間快，碼型效應小特點，可采用 EAM-MZI 作為高速光判決 門，來實現(xiàn)全光 3R 再生。此方案的基本原理是利用 EAM 中交叉飽和吸收效應導 致傳輸光的非線性相位變化而實現(xiàn)，利用 MZI 結構將此相位轉化成強度變化，結合本項目研究的時鐘恢復功能，便可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)光信號的判決（相當于“與 ”的功能）。相比于 SOA，該器件的相移特性還可以在電信號的控制下改變，從而增加了這種結構的靈活性和可重構性。為了增強半導體材料中光子－載流子相互作用，將針對量子阱材料和結構對激子吸收的影響進行深入研究，揭示材料特性與非線性效應的內在關聯(lián)規(guī)律，實現(xiàn) 非線性效應選擇 性增強或控制，減少 對注入功率的要求，提高工作速率、降低功耗。通過優(yōu)化設計和帶隙偏調技術，增加激子吸收效應，降低光吸收飽和功率，減小載流子逃逸 時間，從而在低光功率條件下獲得高非線性效應。在上述研究基礎上，通過混合集成方式實現(xiàn)全光再生芯片。在多波長 2R 再生方面, 擬通過周期性光導結構中摻入功能材料（比如磁光材料），實現(xiàn)左、右旋偏振態(tài)之間的周期性轉換, 從而改變光子帶隙結構。上述結構通過引入適當?shù)钠?，可?強波導的可調性并提高非線性效應，從而降低輸入信號的閾值功率，有效減少系 統(tǒng)功耗。通 過分析、計 算和實驗對比，建立相應的理論模型，來確定最佳偏置方式。利用這種摻雜周期波 導帶隙結構的可調濾波特性，控制不同波長的色散，可抑制不同波長信道之間 的交叉相位調制，從而 實現(xiàn)高速、多波長全光 2R 再生。全光碼型變換芯片：在研究有源波導中載流子與光子相互作用、載流子與聲子相互作用過程與半導體能帶形狀關系的基礎上，探索量子阱/量子點材料、器件結構以及工作條件對有源波導中帶間過程和帶內過程引起非線性效應的影響，以此探明加快載流子恢復和增強超快非線性效應的途徑。借鑒電信號處理中的分析方法，分析有源波導中的各種非線性作用過程與信號光譜變換的精確對應關系，分析不同濾波過程對信號光譜變換的作用，通過優(yōu)化濾波過程， 實現(xiàn)高速的碼型變換。針對多信道碼型變換的要求， 對有源波導的增益和折射率變化譜進行優(yōu)化選擇，增強控制光對有源波導的影響，抑制多信道之間的相互調制， 實現(xiàn)高速的多信道碼型變換功能。在優(yōu)化單元器件結構（InP 基有源波導和 Si 基延時 干涉儀等）的基礎上，深入研究材料帶隙漂移的內在機理，探索量子阱混雜和選擇性外延生長實現(xiàn)不同帶隙半導體材料的單片集成。利用半導體有源波導和延時干涉儀形成的梳狀濾波器相結合，精確控制延時 干涉儀的延時差和相位差，使得梳狀傳輸譜的梳狀間隔與輸入的信道間隔相對應并有適當?shù)钠疲瑢崿F(xiàn) 100Gb/s 甚至更高速率的多信道全光碼型轉換。同時利用 對應的功能結構， 實現(xiàn)多信道高階調制信號的碼型轉換或者相位再生。創(chuàng)新點與特色： 面向下一代信息網(wǎng)絡應用的光子信息處理器件必須是高速、多波長、低功耗和集成化，本項目針對這一需求提出了相 應研究方案和實現(xiàn)方法，具有如下創(chuàng)新和特色：1） 在增強光子-載流子超快相互作用、加快載流子恢復方面提出新機理和新方法，把器件速度提高至 100G(b/s 或 Hz)以上，包括：? 通過優(yōu)化量子阱材料（阱和壘的個數(shù)、尺寸以及適當?shù)膽儯┖推骷Y構（引入載流子庫層等），增強載 流子和光子的相互作用，加快載流子的恢復。? 采用基于交叉增益壓縮的新方法，有效消除有源器件中載流子有限恢復時間造成增益波動而導致的碼型效應。? 在光開關器件中提出新型波導結構和調諧方式，并通過反向偏置 p-i-n 二極管減少載流子存儲和釋放時間，使開關速度達到 10 ps 量級。 2） 通過非線性效應的增強和選擇性調控，提高器件的靈活可控性，降低功耗，包括：? 提出采用能帶剪裁的方法，結合混合應變量子阱新結構，優(yōu)化能帶形狀，改變載流子與聲子以及載流子與光子相互作用時間，增強半導體材料中的帶內躍遷過程，從而達到增強非線性效應的目的，減小 輸入光或控制光的功率，降低器件功耗。? 采用選擇性諧振耦合增強提高硅基波導器件的等離子色散效應，實現(xiàn)光信道的高速、低功耗切換；提出采用硅 -電光聚合物復合波 導結構，優(yōu)化結構設計增強非線性效應，增加開關消光比，提高工作速度，降低開關器件功耗。? 針對全光緩存中延時帶寬乘積和延遲量大幅度連續(xù)可調的應用需求，采用多級復合微環(huán)陣列超諧振腔結構，通過控制微環(huán)結構的模式分裂，大幅度提高延時帶寬積；采用注入載流子方式調節(jié)諧振器 Q 值 和微 環(huán)間耦合，通 過超諧振模式的重組實現(xiàn)延遲量的大范圍連續(xù)可調。? 采用多段靈活可控的時鐘恢復集成器件新結構，提高雙模頻率差、雙模強度方面的調節(jié)靈活性，增加 調諧范圍。? 針對 DWDM 應用需求，采用半導體有源波導和梳狀濾波器實現(xiàn)多信道的碼型轉換；在周期性光導結構中摻入功能材料，改 變光子帶隙結構，通過控制不同波長的色散，抑制不同波 長信道之間的交叉相位調制，實現(xiàn)多波長全光 2R再生。3） 針對不同材料和應用，靈活采用單片集成、混合集成工藝，實現(xiàn)高性能集成芯片，包括：? 根據(jù) CMOS 工藝特點設計 Si 基集成器件，充分利用 CMOS 成熟工藝，使器件具有借助國內生產線進行批量制備的潛力。? 采用選擇區(qū)域生長結合量子混雜技術在 InP 襯底上靈活得到高質量、大范圍的多種帶隙波長量子阱材料，制 備具有不同功能和結構的光子信息處理集成器件。? 采用 InP 和 Si 基的混合集成充分融合和利用不同材料的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)高速、低功耗光子信息處理集成芯片。課題設置：本項目根據(jù)研究內容和研究目標，以及不同功能的光子信息處理集成器件在材料和工藝方面的特點，各參與 單位的研究條件、優(yōu)勢和特色， 設置五個課題。課題 1、選擇性諧振耦合增強機理及光交換與光緩存集成芯片研究預期目標：? 建立微納尺寸硅基波導和復合波導結構中光的模式傳播、 選擇性諧振耦合與快速調控理論模型；建立 CMOS 工藝制作硅基光子信息 處理集成芯片的標準化光子器件庫和設計平臺，能在國內 CMOS 工藝線上批量制備硅基光子信息處理集成芯片；? 研制出具有數(shù)字式波長選擇功能的光交換芯片，切換時間在 10ps 量級，矩陣規(guī)模為 16?16（可重構無阻塞），信道串 擾? -20dB，功耗? 100 fJ/bit；研制出大延時帶寬積的級聯(lián)微環(huán)緩存原型器件，延 遲達 1ns 量級，連續(xù)可調。研究內容：? 研究微納尺寸 SOI 波導和新型硅－聚合物復合波導中光的傳播特性和模式耦合特征；研究采用選擇性諧振耦合增強機制實現(xiàn)數(shù)字式波長選擇交換的機理、 結構和關 鍵參數(shù)；研究高速、低功耗、可重構無阻塞光交換矩陣的設計方法；? 研究基于光子能帶理論的光延遲新機理和增大延遲帶寬積的新方法；研究多級復合微環(huán)陣列中超諧振模式重組以及通過注入載流子等方式實現(xiàn)延遲量大范圍連續(xù)可調的方法；? 研究通過波導尺寸和結構的優(yōu)化設計、高速光子學器件與高頻電學驅動的匹配和集成化設計，增強等離子色散和光學非線性效應，提高工作速率，降低驅動電壓 和功率，減少串擾和偏振相關性損 耗；研究采用硅－聚合物復合波導實現(xiàn)非熱敏的波長選擇和調控的方法；? 研究 CMOS 標準工藝制作光交換和光緩存芯片時，SOI 光子回路與結構間的光學耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處 理方法，光學波 導與電學工藝兼容等問題。經費比例：26.7%承擔單位：上海交通大學、中國科學院半導體研究所課題負責人：陳建平學術骨干：李智勇、周林杰、葉通、李運濤、余金中、李新碗課題 2、受迫諧振模式控制機理及時鐘恢復集成芯片研究預期目標：? 揭示半導體量子阱與量子點材料及半導體集成器件中光子－載流子超快相互作用的動力學規(guī)律；建立能實現(xiàn)靈活能帶剪裁的 InP 基單片集成技術平臺；? 研制出多段自脈動時鐘恢復芯片，恢復 時鐘的頻 率?100GHz，頻率調諧范圍>10GHz ，時間抖動 ?200 fs，功耗?200fJ/b。研究內容：? 研究多段自脈動激光器的材料、 結構等特征參數(shù)與器件本征 諧振頻率(自脈 動頻 率)之間的關系及其受控特性，研究 實現(xiàn)自脈動頻率大范圍調諧的機制，建立完整理論模型；? 研究多段自脈動激光器中光波模式之間的增益、折射率調制效應，以及外界光注入情況下器件中光波模式的受迫諧振、相位同步及 鎖定規(guī)律，研究輸入信號波長、偏振態(tài)、 碼型（特別是長零碼）對 注入鎖定過程的影響；? 研究恢復時鐘的時間抖動與激光器內腔膜的相位、腔內 載流子和光子的弛豫震蕩等之間的內在關系，研究注入 載流子濃度波動引起時鐘幅度抖動的機理以及通過提高多段激光器腔模相位相關性減小幅度抖動的方法；? 研究利用量子阱混雜和選擇區(qū)域外延、 對接生長 等方法，解決有源器件和無源器件的單片集成問題。經費比例：19.6%承擔單位：北京郵電大學、中國科學院半導體研究所課題負責人：趙玲娟學術骨干：王圩、洪小斌、林金桐、程遠兵、周代兵課題 3、超快非線性光控光機理及全光 2R/3R 再生集成芯片研究預期目標：? 建立 100Gb/s 光 2R/3R 再生理論體系和實驗平臺，驗證本項目研制的光再生器件性能，提出超高速、低功耗 2R/3R 集成器件設計和制作方案；? 實現(xiàn) 100Gb/s 惡化信號的 3R 再生， 惡化信號再生后誤碼率<10 -9，功耗 <1pJ/b；實現(xiàn)多波 長 2R 再生，工作速率 ?100Gb/s，信道數(shù)?8，惡化信號再生后誤碼率<10 -9，功耗 <500fJ/b。研究內容：? 研究半導體集成器件中載流子和光子相互作用的動力學規(guī)律和超快非線性效應的增強和控制；研究利用器件中光致超快非線性效應實現(xiàn)信號判決的新機理，研究利用交叉增益壓縮來改善再生信號質量的機制；研究利用上述光判決門以及本項目研制的時鐘恢復等器件實現(xiàn)全光 3R 再生；? 研究量子阱材料和結構對激子吸收的影響，揭示材料特性與非線性效應關聯(lián)的內在規(guī)律，通過優(yōu)化設計，增加激子吸收效應，降低光吸收 飽和功率，減小載流子逃逸時間，從而在低光功率條件下獲得高非線性效應；在此基礎上，研制出全光 3R 再生集成器件；? 研究無源非線性周期性光導結構中電磁耦合特性和光子能帶工程，研究摻雜和光學偏置提高非線性效應、降低閾值功率的機理；研究無源非線性介質中色散控制對多信道之間交叉相位調制的影響，無源非線性介質與梳狀濾波相結合實現(xiàn)高速、多波長全光 2R 再生的新機理。經費比例：17.8%承擔單位：清華大學、電子科技大學課題負責人：婁采云學術骨干：武保劍、許渤、邱昆、章恩耀課題 4、超快光譜變換與控制機制及多信道全光碼型變換集成芯片研究預期目標：? 揭示半導體有源波導和器件中光子與載流子之間的超快非線性相互作用規(guī)律，揭示各種光致非線性效應與信號光譜精確變換的對應關系， 建立完善的器件機理和優(yōu)化設計理論分析物理模型；? 研究出半導體有源波導和延時干涉儀的混合集成原型器件，實現(xiàn)不同調制格式（NRZ、RZ、DPSK 、DQPSK 等）之間的轉換 ；工作速率 100Gb/s，信道數(shù)?8， 誤碼率小于 10-9，功耗 500fJ/b。研究內容：? 研究混合應變量子阱、量子點 結構特性參數(shù)與載 流子變化動態(tài)特性及超快非線性效應之間的內在關聯(lián)規(guī)律，探索從材料、結 構和工作條件等方面改善高速動態(tài)特性、增 強超快非線性效應的方法；? 研究新型半導體材料及功能結構中非線性效應選擇性增強的機理，研究光致非線性效應實現(xiàn)信號光譜精確變換的機理和物理模型；? 研究高階調制碼型（DPSK 、DQPSK、QAM 等）和 NRZ/RZ 之間的變換；研究高階調制碼型轉換中的相位再生問題；研究半導體有源波導與梳狀濾波相結合實現(xiàn)超高速多波長常用碼型和高階調制碼型變換；? 研究 InP 基半導體有源波導和延時干涉儀的單片集成結構和制作工藝，研究延時干涉儀中延時量的精確控制和相位差的調節(jié)，實現(xiàn)多信道碼型轉換集成芯片。經費比例：17%承擔單位：華中科技大學、中國科學院微電子研究所課題負責人：張新亮學術骨干：余宇、董建績、黃德修、周靜濤、張軒雄課題 5、瞬態(tài)啁啾躍變機理及可調諧波長變換集成芯片研究預期目標：? 建立功能集成材料中瞬態(tài)啁啾躍變和載流子注入調諧非線性增強的理論模型；? 研制出快速可調諧全光波長轉換芯片，工作速率?100Gb/s ，調諧速度 ns量級， 調諧 范圍 40nm，功耗<500fJ/b 。研究內容：? 研究功能材料（量子阱/量子點/體材料）和結構對非線性啁啾躍變和折射率變化的影響，揭示材料結構與非線性效應的內在關聯(lián)規(guī)律及增強非線性的機理；? 研究采用瞬態(tài)啁啾躍變機理實現(xiàn)超高速波長轉換的關鍵技術和集成解決方案；? 研究采用載流子注入實現(xiàn)高速調諧新結構，研究實現(xiàn)大范圍調諧及波長穩(wěn)定的新方法；? 研究采用 InP 基和 Si 基混合集成方式實現(xiàn)可調諧 波長變換集成芯片制作工藝，研究混合集成中的有源和無源功能器件的集成、材料兼容問題、模式調諧與穩(wěn)定、波長精確控制、 熱擴散和能耗控制等問題， 實現(xiàn)可調諧波長變換集成器件原型。經費比例：18.9%承擔單位：上海交通大學、電子科技大學課題負責人：劉永學術骨干：鄒衛(wèi)文、林媛、張尚劍、吳龜靈各課題間相互關系：上述五個課題覆蓋了未來光子信息處理集成器件和技術領域需要解決的三個基本科學問題。各課題既有一定的相對獨立性，又有緊密的內在聯(lián)系，構成了如圖 5 所示的有機整體，共同解決下一代光網(wǎng)絡核心節(jié)點中的交換和再生問題。課題研究目標所設定的超高速、低功耗光子信息處理集成芯片和技術將為提升我國信息技術科技水平、在信息網(wǎng)絡和經濟結構發(fā)生轉變的關鍵時期占領戰(zhàn)略制高點提供技術支撐。圖 5. 項目目標、科學問題與課題設置之間的關系四、年度計劃年度 研究內容 預期目標第一年1) 項目啟動，開展深入 調查研究，分析國內外光通信骨干網(wǎng)及其關鍵支撐器件的發(fā)展趨勢， 進一步明確項目定位和目標；2) 圍繞超高速、低功耗，系統(tǒng)地開展集成化光子信息處理器件理論研究；3) 研究光電子器件設計方法和規(guī)范，初步建立 InP 基和硅基光子信息處理集成芯片設計平臺；4) 完成基本功能和單元器件的設計，開展相關工藝和制備研究； 5) 召開年度總結會議， 檢查各課題進展情況，落實下年度工作計劃。1) 在提高光子信息處理集成芯片工作速度、降低功耗的理論研究方面取得實質性進展，提出能夠有效指導器件設計和工藝實現(xiàn)的新機理和新方法；2) 建立 InP 基和硅基光子信息處理集成芯片設計平臺，設計 并制備基本功能和單元器件；3) 在理論工作取得突破的基礎上發(fā)表學術論文 50-60 篇。第二年1) 深入開展光子信息處理集成器件理論研究，通過 模擬仿真和實驗研究相結合的方法，驗證項目所提出的新機理和新方法的有效性，完善光子信息處理集成芯片設計平臺；2) 全面開展光子信息處理集成器件的設計工作，完成首批器件的制備工作（包括借助國內 CMOS 工藝線進行流片）；3) 進行器件性能測試， 對比項目目標，分析優(yōu)勢與不足；總結兩年來的工作，提出后三年工作規(guī)劃；4) 根據(jù)科技部安排，召開項目中期檢查會議，根據(jù)各課題進展情況以及專家和科技部意見，落 實后三年計劃和下年度工作。1) 完善光子信息處理集成芯片設計平臺；完成首批器件的設計和制備，工作速度達到 40G/s 以上，功耗接近項目目標所規(guī)定的量級，其他指標達到或接近項目目標；2) 發(fā)表學術論文 60-80 篇，申請國家發(fā)明專利 4-6項；3) 完成項目中期檢查。年度 研究內容 預期目 標第三年1) 根據(jù)器件測試數(shù)據(jù)，在總結前階段工作基礎上，進 一步完善光電子器件設計方法和規(guī)范，建成 InP 基和硅基光子信息 處理集成芯片設計平臺；2) 開展項目研究目標所規(guī)定的光子信息處理集成器件的設計工作，包括：光開關矩陣芯片，光緩存芯片、光 時鐘恢復芯片、光碼型轉換芯片、光波長轉換芯片和全光 2R/3R 再生系統(tǒng)，開展器件制備的前期制備工作，部分器件進行工藝制備；3) 搭建超高速光子信息處理測試平臺；研究光子信息處理集成芯片的封裝技術，解決常規(guī)光纖和微納光波導之間的高效耦合。1) 完成項目的主要理論工作，在國際高水平刊物上發(fā)表論文 40-60 篇，在本領域重要學術會議上發(fā)表論文，包括邀請報告；2) 完成項目器件的設計工作，通過模擬仿真，驗證器件性能能夠達到設計要求；3) 完成部分器件制備，給出光子信息處理集成芯片評價體系，搭建 100Gb/s測試平臺；4) 申請發(fā)明專利 4-6 項；部分骨干教師申請杰青、長江等人才計劃。第四年1) 進行項目各類器件的制備（包括基于國內標準 CMOS 工藝的流片）；2) 開展器件性能的測試與評價，根據(jù)測試結果，完善設計方法和工藝流程；對未到達設計要求的器件，在修改、完善設計方法和工藝流程的基礎上，完成項目器件的最終設計和制備；3) 初步建立光交換實驗平臺和光再生實驗平臺，驗證部分器件的性能。1) 完成項目主要器件的制備；2) 完成器件的性能測試，主要指標到達或接近本任務書要求：速度100Gb/s，功耗 ≤1pJ/b；3) 發(fā)表學術論文 60-80 篇，申請發(fā)明專利 4-6 項；部分骨干教師申請杰青、 長江等人才計劃。年度 研究內容 預期目 標第五年1) 全面完成項目各項任務，包括理論工作和器件制備、性能測試；2) 進行器件功能的實驗演示和驗證；3) 總結項目研究工作，對該領域的發(fā)展和進一步工作提出建議；4) 在科技部統(tǒng)一規(guī)劃下，完成項目驗收工作。1) 發(fā)表學術論文 60-80 篇，申請發(fā)明專利 3-5 項；部分骨干教師申請杰青、長江等人才計劃；2) 全面完成項目各項研究工作，指標達到本任務書要求；3) 完成項目總結和結題驗收工作；對下階段發(fā)展提出建設性意見。一、研究內容在下一代光通信骨干網(wǎng)絡中，光子信息處理主要是實現(xiàn)信息交換和信號再生兩大功能，前者需要光交換 矩陣、光 緩存和可調諧波 長轉換 等器件和技術，后者需要時鐘恢復、 碼型轉換和 2R/3R 再生等器件和技術，如 圖 4 所示。圖中，經過長距離傳輸?shù)?DWDM 光信號進入光網(wǎng)絡節(jié)點進行信號的再生和交 換。對時鐘分量很弱或不適合直接進行光信號處理的碼型，需要先 進 行碼型轉換。在碼型轉換和時鐘恢復的基礎上，實現(xiàn) 光信號的 2R/3R 再生，以便于 進一步交換和傳輸。光開關矩陣實現(xiàn)信號的路由和交換，緩存可以解決沖突競 爭的問題，可調諧波長轉換可以提高交換的靈活性， 進一步降低阻塞率。再生和交 換之后的光信號再轉換成適合傳輸?shù)拇a型，在光纖線 路中繼續(xù)傳輸?？紤]到骨干網(wǎng)普遍采用 DWDM 技術，以及今后將會采用高階調制方式提高傳輸性能和（在波特率不變的情況下）單信道傳輸容量，碼型轉換和 2R 再生等器件必須具備多信道以及高階碼型的轉換和再生能力。本項目將結合下一代網(wǎng)絡發(fā)展的重大需求和國內外發(fā)展趨勢，借鑒相關研究經驗積累，充分發(fā)揮參與 單位的優(yōu)勢和工作基礎，在突破關鍵科學問題的基礎上，圍繞 交換和再生兩大應 用目標， 實現(xiàn)超高速、低功耗、集成化的光子信息處理器件。具體的研究內容包括：（1）高速大容量光交換矩陣基礎技術及芯片研究高速、低功耗數(shù)字式波長選擇光交換矩陣：研究微納尺寸 SOI 波導和新型硅圖 4. 下一代網(wǎng)絡核心節(jié)點光子信息處理功能結構示意圖－聚合物復合波導中光的傳播特性和模式耦合特征；研究采用等離子色散效應、硅－聚合物復合波導電光效應，實現(xiàn)硅基波導折射率的高速調節(jié)；研究采用波長選擇性諧振耦合增強機制實現(xiàn)高速數(shù)字式波長選擇 2?2 光開關基本單元的機理和設計方法；研究 SOI 高速光子器件高密度集成的熱效應問題，以及采用硅－聚合物復合波導實現(xiàn)非熱敏的波長選擇和調控的途徑；研究通過材料和結構的優(yōu)化設計增強等離子色散效應和硅－聚合物復合波的非線性效應，降低驅動電壓和功率，減少串擾和偏振相關性損耗；研究大規(guī)模高速、低功耗、可重構無阻塞光交換矩陣的設計方法；研究采用 CMOS 標準工藝制作光交換芯片時 SOI 光子回路結構間的光學耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處理方法，光學波 導與集成電路工藝兼容，高速光子學器件與高頻電學驅動的匹配等問題，實現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)字式波長選擇光交換芯片。ns 量級連續(xù)可調硅基光緩存：研究光波在 SOI 微納波導結構中的傳播和耦合特征；研究基于光子能帶理論的光延遲新機理；研究具有超大延時帶寬積、延遲量大范圍（ns 量級）連續(xù)可調的多級復合微環(huán)陣列超諧振腔結構；研究多級復合微環(huán)陣列中的超諧振模式特征以及通過注入載流子等方式對超諧振模進行重組的方法，實現(xiàn)延遲量大范 圍連續(xù)調節(jié)；研究利用該可調光緩存芯片與高密度集成的 SOI 光延遲線級聯(lián)， 實現(xiàn)大容量緩存的方法；研究電子束光刻以及深紫外光刻、等離子體干法刻蝕等 CMOS 工藝制備硅基低損耗微納光波導和微環(huán)諧振器的工藝技術，設計和實現(xiàn)具有超大延 遲量的連續(xù)可調硅基微環(huán)諧振腔光緩存芯片。高速可調諧波長變換：研究 SOA 中載流子和增益的超快非 線性效應與折射率變化的對應關系，以及相 應的啁啾動態(tài)過程；研究功能材料和結構（量子阱/量子點/ 體材料）對非線性啁啾躍變和折射率變化的影響，揭示材料結構與非線性效應的內在關聯(lián)規(guī)律及增強非線性啁啾的機理，建立超快理論模型。研究通過材料和結構參數(shù)的優(yōu)化，增強超快非 線性效應；研究采用瞬態(tài)啁啾躍變機理實現(xiàn)超高速波長轉換的新方案及方案的優(yōu)化；并研究優(yōu)化后的方案在集成環(huán)境下的實現(xiàn)途徑；研究采用注入載流子實現(xiàn)高速、低功耗 調諧的新結構，研究實現(xiàn)大調諧范圍和波長穩(wěn)定的新方法；研究采用 InP 基和 Si 基混合集成方式實現(xiàn)可調諧波長變換集成芯片的實現(xiàn)方法和制作工藝，研究混合集成中有源和無源功能器件的集成、材料兼容問題、模式調諧與穩(wěn)定、波長精確控制、熱擴散和能耗控制等問題，實現(xiàn)可調諧波長變換集成芯片。（2）高速多信道光信號再生基礎技術和芯片研究高速全光時鐘恢復：研究集成器件材料、結構等特征參數(shù)與器件本征諧振頻率(自脈 動頻率) 之間的關系及其受控特性；研究多段自脈動激光器中光波模式之間的增益、折射率調制效應，外界光注入情況下光波模式的受迫諧振、相位同步及鎖定規(guī)律，以及產生注入鎖定的自脈動臨界條件；研究自脈動激光器對輸入信號的波長、偏振態(tài)、碼型的敏感度；研究增益耦合與折射率耦合光柵相結合所形成的復合光柵結構對激光器激射模式進而對其自脈動性能的影響；研究恢復出的時鐘的時間抖動與器件材料、結構的關聯(lián)規(guī)律；研究注入載流子濃度波動引起時鐘幅度抖動的機理，研究通過提高多段激光器腔模相位相關性、降低拍頻線寬，減小幅度抖動的方法；研究自脈動頻率調諧增強機制，擴大自脈動頻率的調諧范圍。在單片集成方面，研究靈活使用量子阱混 雜、選擇 區(qū)域外延生長以及對接生長等技術，解決器件的工藝設計和制作問題，并研究不同集成技術對時鐘恢復性能的影響，提出實用化器件生產制作的優(yōu)化方案。在以上研究的基礎上，重點突破新型多段自脈動激光器高速、集成化方面的技術難點，研制出高速、低 時間抖動、寬頻率調諧范圍的全光時鐘恢復器件。全光碼型轉換：研究有源波導中載流子與光子相互作用、載流子與聲子相互作用過程與半導體能帶形狀的關系，探索研究量子阱/ 量子點材料、器件結構以及工作條件對有源波導中帶間過程和帶內過程引起非線性效應的影響，尋求加快載流子恢復和增強超快非線性效應的途徑；研究器件中光致非線性效應實現(xiàn)信號光譜精確變換的機理、物理模型和理 論表征。在器件結構和材料參數(shù)優(yōu)化設計的基礎上，研究 InP 基有源波 導和延時干涉儀的單片集成工藝，深入研究材料帶隙漂移的內在機理，探索量子阱混雜和選擇性外延生長實現(xiàn)不同帶隙半導體材料的單片集成。研究利用半導 體有源波導和延時干涉儀形成的梳狀濾波器相結合，使梳狀濾波器的譜間隔與輸入信道的波長間隔相匹配，實現(xiàn)多信道 NRZ 碼的全光碼型轉換；在此基礎上，研究利用 對應的功能結構，實現(xiàn)多信道高階調制碼型（包括 DPSK、DQPSK、QAM 等）的轉換或者相位再生；研究降低半導體光放大器中交叉增益調制（XGM）效應、實現(xiàn)選擇性相位增強調制的途徑，改善多信道高速碼型轉換輸出性能。全光 2R/3R 再生：建立 SOA 用作信號再增強和判決時的載流子動態(tài)特性模型；研究注入有源區(qū)的載流子在量子阱中的俘獲及逃逸，載流子和光子的相互作用動力學規(guī)律；研究利用器件中光致超快非線性效應實現(xiàn)信號判決的新機理，揭示其內在規(guī)律特性;研究兩個反相信號在飽和 SOA 中傳輸過程的光子動力學以及交叉增益壓縮(XGC) 效應，探索利用 SOA 的 XGC 效應克服由于 SOA 載流子恢復時間限制造成的碼型效應，提高信號判決器件的開關效率和速率；研究基于電吸收調制器（EAM）實現(xiàn)高性能、低插入損耗光判決的新結構；揭示超高速光信號時鐘恢復和再生對惡化容限的規(guī)律，結合項目研究的時鐘恢復器件實現(xiàn)全光3R 再生。研究無源非線性周期性光 導結構中電磁耦合特性和光子能 帶工程，研究摻雜和光學偏置提高非線性效應、降低閾值功率的機理；研究介質中周期性色散控制對多信道之間交叉相位調制（XPM）的影響，無源非線性介質與梳狀濾波相結合實現(xiàn)高速、多波長 NRZ 信號的全光 2R 再生，探索無源非 線性介質對高階調制信號再生的新機理。