【正文】 項(xiàng)目名稱： 超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術(shù)基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 陳建平 上海交通大學(xué) 起止年限： 至 依托部門： 上海市科委 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 項(xiàng)目的總體目標(biāo) 針對(duì)下一代信息網(wǎng)絡(luò)的重大需求，通過各參與單位在光電子、半導(dǎo)體材料與器件、信息網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域所具有的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)、制備等核心技術(shù)方面取得重大進(jìn)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(shí)帶動(dòng)高 水平研究基地的建設(shè)，促進(jìn)光子信息學(xué)科的發(fā)展；培養(yǎng)出具備創(chuàng)新能力和多學(xué)科綜合素質(zhì)的集成光子信息處理器件相關(guān)領(lǐng)域高水平研究隊(duì)伍和優(yōu)秀人才；提高我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)涵和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。 五年 預(yù)期目標(biāo) 通過 五年 的深入研究，本項(xiàng)目預(yù)期取得以下重要進(jìn)展和成果： （ 1） 在若干重要基礎(chǔ) 理論研究方面取得突破 ：半導(dǎo)體材料中光子－載流子相互作用增強(qiáng)機(jī)理 ； 集成 條件下折射率變化效應(yīng)的選擇性 增強(qiáng)和 調(diào)控理論 等。 （ 2） 提出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高速、低功耗光子信息處理集成芯片完整的設(shè)計(jì)方法；提出 光子器件建庫規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)， 建立開 放式 InP 基和 Si 基光電子集成芯片研發(fā)平臺(tái)； 能在國(guó)內(nèi) 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(luò)核心節(jié)點(diǎn)應(yīng)用需求、 具有創(chuàng)新性和實(shí)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(zhǎng)選擇光交換芯片、光緩存芯片、可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換芯片、時(shí)鐘恢復(fù)芯片、碼型轉(zhuǎn)換芯片和全光再生芯片） ，整體水平達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平： 工作速率 ?100 Gb/s，功耗與 相關(guān)功能的 OEO 器件相比，下降 23 個(gè)數(shù)量級(jí)。 在此基礎(chǔ)上，實(shí)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(guó)際光通信和光子信息領(lǐng)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(zhēng)取有邀請(qǐng)報(bào)告或 Post deadline 論文；在國(guó)內(nèi)舉辦 23 次有 較大 國(guó)際影響的 光子信息處理 學(xué)術(shù)會(huì)議；力爭(zhēng)在 Nature Photonics等刊物上發(fā)表論文。授權(quán)或受理發(fā)明專利 20 項(xiàng)以上。 （ 5） 形成高水平 光子 信息處理集成器件和技術(shù)研究的協(xié)作平臺(tái)； 在 光子信息處理 領(lǐng)域 培養(yǎng) 出 優(yōu)秀青年教師 和研究骨干 ， 新增國(guó)家自然科學(xué)基金委 杰出青年基金 獲得者、教育部長(zhǎng)江特聘教授、中科 院百人計(jì)劃 24 人 ；培養(yǎng)碩士生 100 名，博士生 50 名 以上 。 三、研究方案 總體學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目的總體學(xué)術(shù)思路是根據(jù) 新一代 信息 網(wǎng)絡(luò) 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(dān)單位國(guó)家 和省部 級(jí)科研基地在設(shè)備、研究條件和人才方面的優(yōu)勢(shì) ， 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，開展 原創(chuàng)性的 理論和實(shí)驗(yàn)研究， 提出 并實(shí)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(dān)單位長(zhǎng)期合作所形成的默契基礎(chǔ)上，根據(jù)各自特點(diǎn)實(shí)行分工協(xié)作，確保項(xiàng)目總體目標(biāo)的完成。 技術(shù)途徑 ： 數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換芯片 ：光交換矩陣由光開關(guān)基本單元通過 一定的級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成。以 16?16 矩陣為例，若要實(shí)現(xiàn)完全無阻塞則需要 15 級(jí)級(jí)聯(lián)，最少 240個(gè)開關(guān)單元，每個(gè)開關(guān)單元包含分束、相移、合束、波導(dǎo)、諧振腔等多種基本功能元件，總計(jì)光學(xué)元件數(shù)超過 1500 個(gè)，要實(shí)現(xiàn)如此規(guī)模的光電子集成是有非常大難度的。本項(xiàng)目擬采用可重構(gòu)無阻塞的 Benes 結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是光開關(guān)單元數(shù)量可大幅度減 少，不足是不同路由會(huì)導(dǎo)致各 信道 的插入損耗不均勻，這個(gè)問題可在2R/3R 中解決。 這樣，只需要 56 個(gè)基本開關(guān)單元， 7 級(jí)級(jí)聯(lián)即可。盡管如此，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)和工藝制作而言仍然是巨大挑戰(zhàn)。 本項(xiàng)目 將以微環(huán)諧振器構(gòu) 成 2?2數(shù)字式 波長(zhǎng)選擇光開關(guān)單元。具有波長(zhǎng)選擇功能的光開關(guān)在構(gòu)成交換矩陣時(shí)不需要合波 /分波器，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增加了靈活性。 數(shù)字式 調(diào)諧方式則 可避免繁瑣的波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，擬采用折射率 微調(diào) 方法來實(shí)現(xiàn)： 將 具有 選擇性諧振耦合的 開關(guān) 單元 設(shè)計(jì) 在 ITUT 規(guī)定的 DWDM 波長(zhǎng) 上 ， 然后 通過改變折射率 ，使諧振腔對(duì)該波長(zhǎng)失諧 ，從而達(dá)到 開或關(guān)的 目的，避免了光波長(zhǎng)的 大范圍快速調(diào)諧 和鎖定的難題 。 電光效應(yīng)響應(yīng)速度快，是提高光交換速度的重 要途經(jīng) ， 但硅材料本 身缺乏線性電光效應(yīng) (Pockels effect)，本項(xiàng)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(yīng)來調(diào)節(jié)折射率。這種調(diào)節(jié)方式的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，為此將 通過增加復(fù)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(xué)結(jié)構(gòu)（光波導(dǎo)與器件）和電學(xué)結(jié)構(gòu)（調(diào)制區(qū)）的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大光場(chǎng)與電場(chǎng)的有效交疊面積 ， 來增強(qiáng)等離子色散效應(yīng) , 降低功耗 。由于在本項(xiàng)目中，折射率僅需微調(diào)，因此微環(huán)諧振腔的控制將采用 反向 偏置 pin二極管，這樣，充放電時(shí)間能大大縮短，可將開關(guān)時(shí)間降至 100ps 之內(nèi)，并大幅度降低驅(qū)動(dòng)功率。第二種方案是采用復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。電光聚合物具有很強(qiáng)的 非線性系數(shù)，折射率可以通過電場(chǎng)直接調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快。 然而直接利用電光材料（如具有極高非線性效應(yīng)的電光聚合物）制作波導(dǎo)，在 1550nm 波段損耗很大。硅基波導(dǎo)的折射率高，有很強(qiáng)的光限制能力，工藝上與 CMOS 兼容，可實(shí)現(xiàn)微納尺寸的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 本項(xiàng)目 擬采用硅 材料作為 波導(dǎo) 芯層，以 電光 聚合物作包層，形成復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ，充分利用兩者各自的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，制作高速、低功耗光開關(guān)矩陣 。光子器件的高密度集成存在熱效應(yīng)，會(huì)使諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移。 擬通過 在硅波導(dǎo)芯層開一個(gè)縫隙，在其中填充 聚合物，以 增加電光調(diào)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(yīng) 。 通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使聚合物負(fù)熱光效應(yīng)能抵消硅材料正熱光效應(yīng)，從而獲得無熱漂移的諧振，實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控。 通過上述方法實(shí)現(xiàn)的光交換矩陣還存在一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)數(shù)量）！如果 N=16，則輸入、輸出端口數(shù)為 16 的芯片實(shí)際上具有 256?256 的信道交換規(guī)模。當(dāng)然，這種交換模式 是有阻塞的，這一問題可通過快速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換芯片來解決。 連續(xù)可調(diào)的硅基光緩存芯片 ： 延時(shí)帶寬積是 反應(yīng) 器件緩存能力的 主要 性能指標(biāo)，它與器件的結(jié)構(gòu)、控制及 工作方式有關(guān)。本項(xiàng)目所研究的光子信息處理器件工作速率高達(dá) 100Gb/s，因此必須大幅度提高 器件 的延時(shí)帶寬積。 擬采用 以下方法來 提高延時(shí)帶寬積： （ 1） 多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)。 通過合理設(shè)計(jì) 諧振腔之間的 耦合強(qiáng)度， 控制微環(huán)結(jié)構(gòu)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(shí) 。（ 2）調(diào)節(jié)群速度色散 。 由于 微環(huán)諧振 器 的串聯(lián)結(jié)構(gòu) 與 并 聯(lián) 結(jié)構(gòu) 具有符號(hào)相反的三階色散， 通過結(jié)構(gòu)上的合理設(shè)計(jì)，可使 兩者的 三階色散 相互 抵消 ， 從而增加帶寬。 在調(diào)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(qiáng)度 ， 重組 超諧振模 式，實(shí)現(xiàn)延遲量的大范圍連續(xù)可調(diào)。在多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)中， 超諧振模有很多重組方式，需要進(jìn)行深入研究，選擇最佳方式。在此基礎(chǔ)上，對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(diào)諧波長(zhǎng)變換芯片 ：本項(xiàng)目擬采用 SOA 中的 超快 非線性效應(yīng) 與可調(diào)諧激光器配合 來實(shí)現(xiàn) 可調(diào)諧 波長(zhǎng)變換。 相關(guān)課題負(fù)責(zé)人在以往工作中曾提出 瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理 ，并采用 SOA 結(jié)合其他分立器件，實(shí)現(xiàn)了 100Gb/s 以上的 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。 本項(xiàng)目將在這一研究基礎(chǔ)上，針對(duì)以往面臨的信噪比 弱、功率 代價(jià) 高 等不足，提出改進(jìn)方案 。由于涉及多種不同材料和能帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的不同功能單元，集成化一直是個(gè)國(guó)際性難題。目前國(guó)際上波長(zhǎng)變換 集成 芯片多采用 SOAMZI 結(jié)構(gòu)，因其 非線性 效應(yīng)涉及帶間躍遷過程、 載流子恢復(fù)較慢 ，因而只能實(shí)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(fù)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(yīng)來配合增益調(diào)制和相位調(diào)制過程 ，以獲得100Gb/s 以上的工作速率。 項(xiàng)目 將重點(diǎn)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(yīng)等。利用 基于 SOA 的干涉儀 結(jié)構(gòu) ，通過 深入研究 交叉增益 /相位調(diào)制 過程中伴隨的超快折射率變化過程 以及所對(duì)應(yīng)的啁啾動(dòng)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(jié)構(gòu)的 SOA器件 。在此基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)啁啾躍變提取的具體方案，通過藍(lán)移光濾波技術(shù)或者紅移光濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速波長(zhǎng)變換 ， 對(duì)藍(lán)移或紅移光濾波器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高器件性能 并 降低功耗。在可調(diào)諧激光器方面，擬采用帶定向耦合器的半導(dǎo)體環(huán)形激光器和布拉格光柵的調(diào)諧結(jié)構(gòu)。將半導(dǎo)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(zhǎng)的輸出。通過注入載流子調(diào)節(jié)光柵的周期，改變環(huán)形激光器的激射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。與常規(guī)的多段分布反饋反射（ DBR）結(jié)構(gòu)相比， 該方案 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成工藝難度低和調(diào)諧電流低等特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)器件的低功耗。 在器件制作方面，改進(jìn) 半導(dǎo)體器件制備關(guān)鍵工藝，研究最佳的器件結(jié)構(gòu)， 通過優(yōu)化量子阱的個(gè)數(shù) 和引入合適的應(yīng)變 ，在有源區(qū)外引入限制層，改善載流 子變化動(dòng)態(tài)特性， 加大 帶內(nèi)躍遷過程，增 強(qiáng) SOA 中 包括 瞬態(tài)啁啾躍變 在內(nèi) 的超快非線性效應(yīng)。 針 對(duì) InP 基和 Si 基材 料在有源和無源器件中各 自 優(yōu)勢(shì)，在優(yōu)化