【文章內容簡介】 通過 超諧振模式 的 重組 實現 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，實現高性能集成芯片 ， 包括： ? 根據 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，實現高速、低功耗光子信息處理集成芯片 。 課題設置 ： 本項目根據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 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數字式波長選擇交換的機理、結構和關鍵參數；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： % 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 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： % 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 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 100Gb/s 惡化信號的 3R 再生，惡化信號再生 后誤碼率 109， 功耗 1pJ/b； 實現 多波長 2R 再生，工作速率 ?100Gb/s， 信道 數 ?8，惡化信號再生 后誤碼率 109， 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高速、多波長全光 2R 再 生的新機理 。 經費比例： % 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 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 ?8， 誤碼率小于 109，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 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高速調諧新結構，研究實現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 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， 實現可調諧波長變換集成器件原型 。 經費比例： % 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，又有緊密的內在聯系，構成了如 圖 5 所示的有機 整體，共同解決 下一代 光網絡 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