硅基光波导：走向超大规模光电子集成
美研制硅波导可隔离光信号利于研发光子芯片
半导体大厂仍有不小差距 。 （ 自中国半导体产业 来
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瑞 萨与奥克斯 宣布建 立联 合实验室
近 １， ３ 在南昌奥克斯生产基地 ， 瑞萨与奥克斯宣 布建立联合实验室。这预示着瑞萨国际领先的芯片 技术将全方位应用于奥克斯空调产品，奥克斯在 国
近 日， 中兴通讯宣布其统一平台密码库和 Ｕ Ｐ Ｅ 密码模块成功通过 ａ ｅ 信息安全公司的测试 ， ｔｃ ｓ 并获 得根据 ＦＰ １０ ２ 准的 Ｃ Ｖ ＩＳ４ — 标 Ｍ Ｐ密码模 块验 证体
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硅基光波导开关技术综述
硅基光波导开关技术综述涂鑫;陈震旻;付红岩【摘要】硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍,并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结;然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术,特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面;最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望,其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)010【总页数】15页(P1-15)【关键词】光开关;硅光子学;光互连;光子集成【作者】涂鑫;陈震旻;付红岩【作者单位】清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055【正文语种】中文1 引言近年来,互联网通信数据容量每年以50%—60%的速度迅速增长,人们对带宽的需求越来越大.运营商在电信长途骨干网和城域网建设中遇到了电交换的瓶颈：电交换设备单机容量达到上限；5G网络的回传时延指标对交换节点的性能提出了更严格的要求；网络节点的电交换设备功耗高达万瓦,耗电量接近了许可极限,耗电量的80%源自光电/电光转换和电交换开关.因此光交换技术的优势日益凸显,基于波长选择开关(wavelengthselective switch,WSS)和自由空间微电子机械系统(micro-electromechanical system,MEMS)的光开关技术已被部署用于关键网络节点的可重构光分插复用(reconfigurable optical add-drop multiplexer,ROADM)设备中,实现了波长和端口通道毫秒量级的数据链路切换时间[1-3].在短距数据中心网络中,经常需要根据动态需求进行网络重构.目前,数据中心网络中的重配置主要是由高速电交换开关来完成：输入光信号被转换成电信号,在电域完成交换之后再被转换回光信号输出.尽管电学信号的放大、整形和同步技术成熟,但是光/电/光(O/E/O)转换通常需要光收发器,即用于光/电转换的接收机和用于电/光转换的发射机,这给交换系统带来极大的转换功耗.同时,由于电交换与光波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)不兼容,每条光链路都要通过复用器、解复用器以及多路O/E/O的转换,这就增加了交换节点的数据链路重构的复杂性和硬件成本.光交换与电交换相比,无需进行O/E/O转换,且对数据比特率、信号格式和协议是透明的,具有更低的功耗和硬件成本优势.虽然光开关的速度(从纳秒到毫秒取决于不同技术方案)仍然比电开关的速度慢(亚纳秒),但是它可以处理通信中缓慢变化的数据部分(例如数据流和长分组数据包),同时指定电交换来处理通信中的突发数据部分(例如短分组数据包),并各自发挥自身优势,有望成为未来数据中心网络最具潜力的交换技术[4].此外,随着云计算的出现、物联网的发展以及人工智能的兴起,具有高带宽和大数据传输容量的动态数据交换技术将广泛地用于高性能的数据密集型计算中,服务于健康信息学、网络安全、市场营销、金融和国防等领域[5].这类应用场景要求开关芯片可实时处理大量具有随机性和探索性的数据,实现对频繁的短消息纳秒量级的快速交换.然而在过去二十年内,集成电路芯片中的带宽快速增长受到了管脚密度和金属引线等电子瓶颈.芯片功耗正以每三年翻倍的速率增长,并持续趋近电子器件的功耗所能够承受的温度极限,大部分能耗集中在主板的电信号传输线和O/E/O转换过程.因此,采用新的微处理器架构和光交换技术有望显著改善片上互连的带宽和时延特性.未来百亿亿次浮点运算要求功耗降低到pJ/b量级,成本控制在¢/Gb/s量级[6],采用传统的电信号交换技术将无法满足,光信号交换将为解决该通信需求提供新的途径与方案.由此可见,无论是数千公里的电信网络交换还是几厘米的计算机核间并行计算,都需要光开关技术来实现特定数据流配置的业务模式.近些年几种典型的光开关被广泛地研究,包括MEMS[7]、硅上液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)[8]、铌酸锂波导[9]、III-V族半导体光放大器[10]、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[11]和微环谐振器(micro-ring resonator,MRR)[12].与铌酸锂、III-V族平面波导回路芯片和MEMS平台相比,基于绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)平台的硅基光电集成芯片具有以下优势：1)体积只有传统二氧化硅器件的1/1000,器件密度高；2)能够与III-V族有源光器件和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)电路实现单片集成；3)加工工艺与先进微电子技术共享成熟的CMOS技术制造平台,波导侧壁粗糙度可控制在纳米量级以内；4)可以采用12英寸SOI晶圆量产,器件成本可降低到IIIV族器件的1/3以下[13]；5)热光效应和等离子体色散等非线性效应强,驱动功耗低；6)硅材料在通信波段透明且响应速率快,极高带宽、超快传输与调制速率；7)与电子器件相比,硅光器件采用近红外光信号传输数据,不受电磁波干扰,具有高抗干扰性和高可靠性.此外,与传统的基于单一工艺和单一材料的光学器件相比,硅基光电集成芯片的材料与工艺的多元化特点决定了它的丰富功能,不仅实现了光开关集成回路(包括波导、相移器、探测器和模斑耦合器等),还实现了电子集成回路(晶体管和电容、放大电路等),从而节约了单个元器件的封装成本.本文首先回顾近年来硅基光波导开关的发展现状,对不同原理和结构的硅基光波导开关的特点进行分析和总结,包括MZI型、MRR型和MEMS驱动波导型.随后介绍自己最新的研究成果,分析影响开关矩阵性能的关键技术.最后,对硅基光波导开关技术研究的技术挑战进行分析,并提出了硅基光波导开关技术未来的潜在研究方向.2 硅基光波导开关引擎2.1 MZI型MZI型光开关单元是最简单的大宽带干涉型开关引擎.由于其不受信道间隔和网格配置的限制,非常适用于WDM系统中的多波长复用光链路的空间端口切换场景.典型的MZI型2×2光开关单元如图1(a)所示,由两个50：50的分束器和两个长度相同的波导组成,并在其中一臂上制作电极,利用硅的热光效应或者注入载流子产生的等离子色散效应,改变一臂的波导折射率,形成相移器.当两臂光信号的相位差达到0或π,输出端口的光信号发生相干相长或相干相消,实现光信号切换.热光波导开关可以实现亚微秒至毫秒量级的端口切换,适用于大型数据中心间互联(Data Center Interconnection,DCI).由于硅在室温下具有较高的热光系数=1.86×10¯4/K[14],因此硅波导热光开关比二氧化硅热光开关具有更高的效率.热光相移器的相移Δφ 可以表示为图1 (a)MZI型2×2光开关单元结构示意图.硅基波导开关相移器的横截面图(b)金属薄膜热电极热光相移器；(c)掺杂波导热光相移器；(d)空气隔离层的热光相移器；(e)注入载流子型电光相移器Fig.1.(a)Schematic of 2×2 MZI switch cell.Cross-sections of waveguide phase shifters：(b)Thermo-optic phase shifter using a metal heater；(c)thermo-optic phase shifter using a doped resistiveheater；(d)suspended thermo-optic phase shifter using a metal heater (e)carrier injection phase shifter.其中λ 是波长,ΔT 是相移器上热调谐的温度改变量,L是相移器的长度.热电极通常有两种结构[15],一种是位于硅波导上方的金属薄膜热电极(TiN,Pt,W等),如图1(b)所示.注入的电流产生的焦耳热通过波导的包覆层二氧化硅传递给硅波导,并改变其温度和折射率.这种金属薄膜热电极的热效率受到包覆层热导率和热电极与波导的间距的限制,开关功耗通常在毫瓦量级.另一种是在脊型波导的中心进行轻掺杂,两侧部分刻蚀平台区重掺杂,形成欧姆接触电阻,如图1(c)所示.这种热电极,由于直接与硅波导的光信号模场中心重合,具备更快的时间响应特性和更高的热效率,但掺杂材料对光信号会产生吸收,因此损耗更高.由于硅光集成芯片能耗大部分来自于热光相移器,降低热调谐功耗能够提升器件密度,一种有效的手段是在热电极附近通过各向同性硅刻蚀工艺引入空气隔离槽,如图1(d)所示,使加热的波导臂悬空,降低硅波导向四周的热耗散.然而,空气隔离槽提升加热效率的同时延长了热光相移器的时间响应常数.因此需要器件结构优化设计,获得开关时间与功耗之间的平衡.与热光波导开关不同的是,电光型波导开关可以实现纳秒量级的端口切换,适用于数据中心内网络(Data Center Network,DCN)交换和微处理器片上的互连.注入载流子型相移器是正向偏置的PIN结二极管,如图1(e)所示.根据等离子色散效应[16,17],硅的折射率变化可以写成其中ΔN 和ΔP 是电子和空穴的载流子浓度变化量.同时,载流子浓度的改变也影响硅的吸收系数,即其中Δα 是系数的改变量,由(2)式和(3)式可以看出,当ΔN 和ΔP 增大(即正向偏置)时硅波导的折射率会降低,同时注入的载流子引起吸收系数的增大,导致光功率的损耗变大,从而MZI的两臂光信号损耗不相同,引起串扰的恶化.另一方面,由于硅的热光效应,正向偏置产生的热效应会增加硅波导的折射率,与注入载流子引起的折射率变化趋势相反,因此降低调制效率.为了改善此问题,人们提出采用推拉的双臂驱动设计[18,19]：即将两臂的初始相位差设置成π/2,在两臂上分别通过注入载流子的方式产生附加的±π/2 的相位差,从而实现光信号端口切换所需的0或π 的相位差.与传统的单臂驱动设计相比,双臂驱动的两臂上施加的驱动电流更小,引入的损耗和串扰更低.此外,PIN结二极管还常与热光相移器集成,用于补偿工艺容差带来的相位差,而不引入额外的损耗.表1中列举了典型的MZI光开关研究现状.为了降低功耗,Fang等[20]采用隔离槽技术使得热光开关的功耗分别降低至0.5 mW,开关速度达到0.3 ms；Dong等[21]采用4 mm长的螺旋波导相移器有效降低了偏置电流,注入载流子开关功耗仅0.6 mW；Lu等[22]采用折叠波导相移器增加了热电极与波导的接触长度,热光开关功率低值50 μW.为了扩大光学带宽,Watts等[23]和Chen等[24]分别提出绝热耦合器和弯曲耦合器,使光学带宽超过100 nm.为了降低串扰,Suzuki等[25]提出采用可调谐3 dB耦合器去动态弥补另一个3 dB耦合器的加工误差,从而获得—50 dB的超低串扰；Dupuis等[26]报道了一种一臂内嵌MZI相移器,另一臂集成可调衰减器的光开关,这种结构通过内嵌MZI和可调衰减器的损耗平衡,在保持两臂损耗相同的前提下实现相位从0到π 的调谐,从而实现了—34.5 dB的串扰.在我们最新的工作中[26],在IME的220 nm×500 nm SOI硅波导的平台上,采用标准的TiN热电极相移器,通过对多次折叠波导和空气隔离槽结构的优化,实现了两种情况下的热光硅波导开关单元：1)引入空气隔离槽层：开关时间1.34 ms,开关功耗0.5 mW；2)无空气隔离槽层：开关时间70 μs,开关功耗10 mW.2.2 MRR型与MZI型光开关不同,MRR型光开关单元是具有波长选择性的谐振型开关引擎[28],其谐振波长与谐振腔的尺寸关系如下：其中R是谐振器半径,neff是模式的有效折射率,m是模式的阶数,λ是谐振波长.由于谐振特性可以增强相位,它具有更低的功耗和更小的体积,受到大家的关注.典型的MRR型2×2光开关单元如图2(a)所示,由输入—直通波导、上载—下载波导和可调谐的微环组成.当WDM系统中的信道间隔和网格配置与微环谐振器的自由光谱程相和谐振频率适配时,波长交换可以通过热光效应或者等离子体色散的电光效应调谐MRR的相移器进行实现.如图2(b)所示,当输入光信号的波长λ2落入微环的谐振波长时,可以从下载端口输出；同时非谐振光信号波长λ1和上载端口输入的相同波长λ2’的光信号从直通端口输出,实现波长交换.尽管微环谐振器型光开关功耗低、体积小,但是实际应用中需要克服两个主要技术障碍：第一,单个微环的滤波谱线呈现洛伦兹线性,限制了光信号带宽和信道间串扰；第二,微环的谐振波长对芯片环境和加工误差非常敏感,实时锁定谐振波长,不受温度和激光器波长漂移是实际应用的关键保障.表2总结了近年来MRR型光开关单元的代表成果.为了增大带宽,级联微环的结构常常用来整形滤波谱线,实现近似矩形的两边陡直中间平顶的滤波窗口[29-33]和宽带无中断的调谐[34].近期,Lu等[35]提出了一种MRR与MZI相结合的结构,上臂耦合的MRR工作在波长λ1,下臂耦合的MRR工作在波长λ2.当调谐其中一个MRR的波长到(λ1+λ2)/2时,两臂产生π的相位差,开关状态发生改变.这种结构结合了MRR的共振增强和MZI的双光束干涉原理,具有更小的功耗.常用的稳定谐振波长方法包括被动型和主动型两类.被动型采用负热光系数的材料(例如聚合物[36,37],TiO2[38,39])与硅波导相结合,降低材料对环境温度的热敏感性.主动型则是将硅基波导上各种形式的光探测器与反馈算法相结合,实施调节微环的谐振波长以确保开关输出光强最大[40,41].随着片上光系统的扩容和模分复用的广泛研究,基于MRR的模式光开关技术也被提出,采用多模波导和模式转换实现不同阶数的模式之间的交换,进一步增加了片上光交换系统的容量[42-44].表1 业界MZI型硅基波导光开关的代表成果Table parison table of MZI optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构相移器类型相移器长/μm 开关时间功耗/mW损耗/dB串扰/dB[18]2015IBM电光PIN2504 ns11—23 [19]2013CAS电光PIN400——31 [20]2011IME热光TiN1000144 μs0.490.3—23 [21]2010Kotura电光PIN40006 ns0.63.2—16 [22]2015UBC热光TiN4270780 μs0.053.3—26 [23]2013MIT热光掺杂硅～102.4 μs12.70.5—20 [24]2016ZJU热光TiN20——20 [25]2014AIST热光TiN～15010 μs300.5—50 [26]2016IBM电光PIN2504 ns—2—34.5 [27]2016Huawei热光TiN2501340/70 μs0.5/100.5—22图2 (a)MZI型光开关单元结构图示意图；(b)波长开关路径Fig.2.(a)Schematic ofa MRR switch cell；(b)switching paths.2.3 MEMS驱动波导型无论是MZI型还是MRR型光开关,都是基于光波导中光强的干涉与谐振原理实现信号传播路径改变,因此相位对工艺容差和环境的敏感性限制了单级开关的串扰和损耗,从而影响开关矩阵的规模.近期,一类新型的基于硅光子平台的静电MEMS驱动波导型光开关被广泛研究,相关代表成果如表3所示.Seok等[45]提出的在双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,通过静电调节两层波导形成的平行平板驱动器之间的垂直间隙来切换光信号.由于光信号总是在底层波导中传播,除非需要切换到其他路径,因此光信号重定向的功能与光开关节点处的直通传输的功能解耦,损耗和串扰不会在交换结构中积累.此外,上层波导和底层之间添加的止动部件实现了数字型驱动,简化了控制并实现了相当低的光学串扰.该器件在42 V的驱动电压下具有0.91 μs的切换时间和超过300 nm的带宽和—60dB的串扰.Abe等[46]和Takahashi等[47]采用水平梳齿驱动器实现了驱动电压更低、微秒量级切换速度的可动方向耦合器[46]与微环谐振器[47],是一种新型低串扰的波长选择性光开关.近期,Briere等[48]在硅基旋转型梳齿驱动器平台上集成低传输损耗的氮化硅波导,通过端面耦合实现了低于—40 dB串扰的1×N光开关.由于该器件采用端面对接耦合,具有超宽带的特性.然而缺点是由于可移动部件的质量很大,响应时间较慢(约300 μs),而且驱动电压高达约118 V.表2 业界MRR型开关的代表成果Table parison table of MRR optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构损耗/dB串扰/dB功耗/mW开关时间带宽/nm[30]2011Columbia U——12——2.78 ns0.56[31]2009HKUST1.64—11～0.11.3 ns0.45 [32]2012IME4.3—10371 ns0.8 [33]2014TU/e2—2012017 μs0.8 [34]2009Cornell U2—9.817.47 ns0.48 [35]2014SJTU3.4—200.69(电光)2.3(热光)414 ps0.48表3 业界MEMS驱动波导型开关的代表成果Table parison table of MEMS optical waveguide switch cells.研究机构UC Berkeley[45]TohokuU[46]Tohoku U[47]Aeponyx Inc[48]驱动电压/V422628.2118开关时间/μs0.9118——300插入损耗/dB0.4712.614.8带宽/nm300——0.5宽带串扰/dB—60—17—32.9—403 硅基光波导开关矩阵在过去的几年中,硅基光电子集成技术得到了迅猛发展.随着CMOS工艺和晶圆技术的不断提升,在一块芯片上类似于电子集成电路那样单片集成数千个光子器件单元的愿景逐渐变成现实.不少研究机构和电信设备公司在硅基光电子集成平台上对大规模的硅基波导光开关矩阵进行了广泛的实用化研究.本节总结了业界大规模硅基光波导开关矩阵的代表成果,主要是基于上述三种光开关引擎的扩展应用.3.1 MZI型开关矩阵2011年至2015年期间,两种基于MZI技术的8×8硅波导光开关被Nakamura等[49,50]提出.它们作为转发聚合器(transponder aggregator)中的波长上传/下载开关矩阵,在城域网ROADM交换节点中具有无色、无方向和无冲突(colorless,directionless,contentionless,CDC)的功能.两种开关矩阵均采用1.5 μm厚的脊型硅波导层的SOI平台,通过热光调谐不仅实现了微秒级切换速度且偏振无关的开关特性,还使芯片与光纤之间的耦合变得更简单.2012年,Chen和Chen[51]报道了一种基于MZI的8×8硅波导光开关,这是首次在220 nm薄硅波导层SOI平台上实现的光开关矩阵,验证了高密度的光开关单元、交叉波导和脊型波导转化器等无源器件的集成.开关矩阵总面积为8 mm×8 mm,采用空气隔离槽提高热光相移器调谐效率,整块芯片的驱动功耗只有0.07 W,同时通过switch-&-select拓扑架构实现了片上最低损耗为4 dB,任意两个端口之间的串扰低于—30 dB.2014年,Dupuis等[52]和Lee等[53]分别报道了基于MZI型的4×4[52]和8×8[53]电光开关矩阵与数字型CMOS逻辑驱动电路的集成方案.这是第一个在90 nm硅光子集成工艺平台上实现光子芯片与CMOS逻辑驱动芯片单片集成的成果报道.驱动芯片包括标准逻辑单元,形成串行—并行接口,用于寻址连接到基于逆变器的驱动器的每个开关单元,并直接驱动开关电极.光子芯片包括电光相移器、热光补偿器和交叉波导等无源器件.8×8芯片总面积为0.675 mm2,开关时间为5 ns,总驱动功率小于50 mW.2015年,32×32的热光硅基波导光开关矩阵被Tanizawa等[54]第一次报道.此开关芯片是在45 nm CMOS工艺线上采用12寸SOI晶圆完成加工,芯片之间保持良好的一致性.开关矩阵总共包含1024个开关单元和961个方向耦合器型波导交叉,各条光路损耗具有良好的一致性.通过LGA转接板实现倒装焊电封装,芯片的总面积仅为11 mm×25 mm,是传统32×32 PLC芯片的1/46.芯片通过FPGA控制热光相移器,采用脉冲宽度调制驱动方式,开关时间为30 μs.2016年,Lu等[55]报道了MZI型16×16 Benes架构的电光开关,可以通过热光调谐补偿工艺容差和环境变化带来的相位差.随后,目前业界端口数最多的MZI型32×32的电光开关矩阵[56]和64×64的热光开关矩阵芯片[57]被Qiao等报道.他们通过优化算法,在矩阵的中间级设置数目尽可能少的片上光电监控器,用于优化开关路径和驱动状态,并在电光开关中采用推拉的双臂驱动设计来将片上损耗降低到18.5 dB,串扰为—15 dB.近期,我们报道了基于优化的Hybrid Dilated Benes拓扑架构的32×32热光开关[58].采用这种独创的新型拓扑架构,相同规模的光开关矩阵所需开光单元更少并获得更低的串扰.光开关芯片采用IME的8英寸晶圆工艺平台进行加工,总面积为12 mm×12 mm,包含 448个热光开关单元,1856个波导交叉,864个片上光电二极管监视器和68个模斑转换器.热光相移器和光电二极管通过FPGA和模数转换DAC 驱动控制,用于开关单元的自动初始化和驱动电流的实时校准,以此保持最低的串扰.芯片的电学封装采用金属引线键合方式实现1560个焊盘与CBGA陶瓷基座的连接,并且通过CuW衬底和TEC进行散热控制；光学封装采用68芯保偏光纤,通过PLC连接器与硅光子芯片对接耦合,耦合损耗小于3.2 dB.开关矩阵中最短光路的片上损耗为13 dB,99%的端口之间串扰低于—20 dB,采用隔离槽技术开关时间为1.4 ms,总功耗小于1 W.同时,我们还实现了支持双偏振光信号的16×16热光开关[59],用于400 Gb/s PDM-16QAM光传输系统中上传/下载波长信号.这是目前端口数最大的基于偏振分集技术的双偏硅基波导光开关,整个芯片包括416个热光开关单元,896个片上光电二极管监视器,48个偏振旋转分束器和48个模斑转换器,总面积为12.5 mm×12.5 mm.直通信号的偏振相关损耗小于0.3 dB,差分群速度时延小于0.1 ps,上载信号的偏振相关损耗小于1.1 dB,差分群速度时延小于3 ps. 3.2 MRR型开关矩阵2009年,首个5×5的微环谐振器型硅基波导光开关的设计方案被Poon等[31]提出.它基于cross-bar拓扑架构,其中单个微环半径为20 μm,矩阵的总面积仅为0.1 mm×0.1 mm,与相同规模的MZI开关矩阵相比降低约2个数量级.微环集成了PIN二极管电光相移器,采用载流子注入驱动,开关时间达到1.3 ns,信道间串扰低至—11 dB.由于光开关中采用多模干涉交叉器件替代传统的平面交叉,因此具有更低的损耗和串扰,可以用于单波长或者符合微环谐振器自由光谱程的WDM系统的波长路由.2014年,DasMahapatra等[33]报道了基于高阶耦合微环单元的热光8×7微环谐振器型光开关.每个开关单元采用五阶级联的微环结构和平面二维阵列式热电极,将光学带宽提升至100 GHz,自由光谱程为350 GHz.考虑到各条光路上的微环个数不同,路径相关损耗在14.5—22 dB之间.光开关矩阵的性能和可扩展性受到损耗的限制.2015年,Yang等[60]实现了具有最少开关数的可重构无阻塞四端口微环光路由器.这个4×4交换芯片仅包含四个微环,在所有路由状态下,信道间串扰低于—15 dB.近期,一种1×N/N×1空间波长(解)复用器与低损耗的光纤或2D平面交叉波导转接板组装的方式被Nikolova等[61]提出.基于switch-&-select拓扑架构,波长(解)复用器包含N个硅基微环谐振器和与之耦合的总线波导,用于上传/下载波长信号.这种设计的特点是每条光路仅包含两个微环谐振器,并且只产生二阶串扰.实验结果表明,8×8的硅基微环光开关损耗为10 dB,串扰低至—39 dB.然而,对于未来更大端口的单片集成而言,平面交叉波导转接板越来越复杂,因此可能限制其实际应用前景.3.3 MEMS驱动波导型开关矩阵上述MZI和MRR的开关矩阵中的光路都存在损耗和串扰的逐级积累的缺点.近年来一种基于MEMS驱动器与硅基波导耦合器相结合的新型光开关技术得到迅猛发展.采用2.3节中介绍的Seok等[45]提出的双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,这种开关矩阵有效地利用了crossbar架构的无源交叉网格传输光信号,解决了各级开关单元的损耗和串扰的逐级积累问题,从而提升了端口数的可扩展性能.2016年,规模为64×64的MEMS驱动波导型光开关被率先报道[45].它包含4096个开关单元,片上最大传输损耗为3.7 dB,开关时间为0.91 μs,串扰低于—60 dB.最近,规。
硅光子集成电路工作原理
硅光子集成电路工作原理硅光子集成电路是一种基于硅材料的光子集成电路技术，利用硅的优良物理和光学特性，实现了在同一芯片上集成光源、调制器、耦合器和探测器等多个光子器件，从而实现光与电的高效互转。
硅光子集成电路具有体积小、功耗低、速度快和集成度高等优点，广泛应用于光通信、光传感和计算等领域。
一、光的发射：二、光的传输：硅光子集成电路中的光传输主要依靠硅波导来实现。
硅波导是一种基于硅材料的光导结构，其原理是利用硅的高折射率和低损耗特性，通过在硅层上进行局域的折射，使光能在波导内部传输。
硅波导可分为彩色波导和灰色波导两种，彩色波导是指其截面尺寸小于光波长的波导，灰色波导是指其截面尺寸与光波长接近的波导。
硅波导通过设计适当的结构，可以实现对光的传输进行调控。
例如，通过改变波导的宽度、高度或层厚等参数，可以调节波导的折射率，从而控制光的传播速度和模式。
此外，还可以引入光栅、阵列波导等结构，进一步对光进行分光、分步和耦合等操作。
三、光的检测：光经过波导的传输到达探测器时，需要被探测器接收并转换成电信号。
常用的硅光探测器有PN结光二极管、内部光电效应器件等。
PN结光二极管是一种利用光电效应实现光电转换的器件，当光照射到PN结上时，光子能量被吸收并激发束缚电子跃迁至导带，产生电流。
这种光二极管具有高速响应、低噪声、高效率等特点，适合用于光通信和光传感应用。
内部光电效应器件是一种新型的光电转换器件，采用了与传统硅探测器不同的结构。
通过在PN结上引入F-P（菲涅耳-普朗克）共振腔或谐振器等结构，实现了对光的增强吸收，并提高了探测器的响应速度和灵敏度。
内部光电效应器件具有高效输出、紧凑结构和宽带特性等优点，适用于高性能光通信系统。
总之，硅光子集成电路的工作原理是在硅材料上通过光的发射、传输和检测等过程，实现光与电的相互转换。
硅波导作为光传输的核心部分，通过设计合理的结构和参数，实现对光的调控和控制。
探测器则将光转换为电信号，并进行相应的处理和分析。
硅基光波导材料的研究
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｉｉｏ — ｓ ｄ ｏ ｔｃ ｌｗａ ｅ ｕ ｄ ａ ｅ ｉ ｌ ｓ ａ ｃ ｎ ｓｌｃ ｎ ｂａ ｅ ｐ ｉ ａ ｖ ｇ ｉ ｅ ｍ ｔ ｒ ａ ｓ
ＣＨＥＮ ａ ｙ ａ Ｙｕ ｎ－ ｕ ｎ
（ ｏｌ ｅｏ ｏ ｐ ｔ ｎ ｎｏ ｔ ｎＥ ｇ ｅｒ ｇ Ｂｉｎ ｅｈ ｏ ｇ ｎ ｕｉｅｓＵ ｉ ｒ ｔ，ｅ ｉｇ１０ ４ ， ｈ ａ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｍ ｕｅ ａｄＩｆｒ ｉ ｎｉ ｅｉ ， ｅ ｉ Ｔ ｃｎ ｌ ｙａｄＢ ｓ ｓ ｎ ｅｓｙ Ｂ ｉｎ ００ ８ Ｃ ｉ ） ｅ Ｃ ｒ ｍａ ｏ ｎ ｎ ｊｇ ｏ ｎ ｖ ｉ ｊ ｎ
硅 基 光 波 导 材 料 的研 究
陈媛媛
（ 北京 工商大学计算机与信息工程学院 ， 北京 １０４ ） ０ ０ ８
摘
要 ： 波 导是 集成 光路及 其元 器件 中最 基 本 的构 成 单 元。本 文介 绍 了各 种 不 同类 型 的光 光
波 导材 料 的特 性 。硅 材 料作 为 目前研 究得 最透 彻 的半 导 体 材料 ， 它在 光 电子领 域 的应 用 也是 令人 关注 的。硅 基 光 波 导 材 料 种 类 繁 多， 要 包 括 聚 合 物 、 延 硅／ 掺 杂 硅 、 ｉ ： Ｓ Ｉ 主 外 重 ＳＯ ， Ｏ 和 ＳＧ ／ ｉ 。硅 基 光波 导材 料是 实现硅 基 光波 导器 件 的基 础 ， 文 阐明 了它们各 自的特 点 和应 ｉｅ Ｓ 等 本 用 前景 。其 中聚合 物 、ｉ ， Ｓ Ｉ 导是 目前研 究 的热 点。 ＳＯ 和 Ｏ 波 关键 词 ： 光波 导材 料 ； 基 ； 硅 聚合 物 ；ｉ ：Ｓ Ｉ ＳＯ ；Ｏ 中图分类 号 ： Ｎ ５ Ｔ ２２ 文 献标识 码 ： Ａ
ｓｌ ｏ — ａ ｅ ｐ ｉａ ｖ ｇ ｉ ｅ ｄ ｖｃ ｓ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｐ ｏ ｅｔ ｓ ａ ｄ ｐ ｏ ｐ ｃｓ ｏ ｐ ｌ ａｉ ｎ ｆ ｄｆ ｒ ｎ ｐ ｉａ ｉ ｃ ｎ ｂ ｄ ｏ ｔ ｌ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｅ ｉｅ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｒｐ ｒ ｅ ｎ ｒｓ ｅ ｔ ｆ ａ ｐ ｉ ｔ ｓ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｏ ｔ ｌ ｉ ｓ ｃ ｉ ｃ ｏ ｃ
生长硅基siox集成光波导材料_概述说明以及解释
生长硅基siox集成光波导材料概述说明以及解释1. 引言1.1 概述生长硅基SiOx集成光波导材料是一种在光通信领域应用广泛的材料。
它具有优秀的光学性能和可靠的物理特性，因此被广泛用于集成光学器件和集成光电子设备中。
本文将对生长硅基SiOx集成光波导材料进行全面的概述，包括其生长方法、材料特性以及在光通信领域的应用。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分。
首先，在引言部分，我们将概述生长硅基SiOx集成光波导材料的研究背景和意义。
接着，在第二部分，我们将详细介绍生长硅基SiOx 集成光波导材料的方法以及其相关特性。
然后，在第三部分，我们将对生长硅基SiOx材料的发展历程、在光通信领域的应用以及其未来前景进行概述说明。
接下来，在第四部分，我们将解释在生长硅基SiOx集成光波导过程中所面临的挑战，并提出相应的解决方案和技术创新。
最后，在第五部分，我们将总结本文的主要观点，并对未来发展提出展望和建议。
1.3 目的本文的目的是全面介绍生长硅基SiOx集成光波导材料以及其在光通信领域中的应用。
通过对该材料的概述说明和解释挑战与解决方案，读者可以更好地理解该材料的特性和优势，并了解到在光通信领域中进一步推动其应用所需采取的策略。
这将有助于促进该材料在光学器件领域的发展，并为未来开发更高性能、更可靠的集成光电子设备奠定基础。
2. 生长硅基siox集成光波导材料2.1 生长方法：生长硅基siox集成光波导材料通常采用化学气相沉积(CVD)方法。
CVD是一种常用的生长方法，通过控制气相中气体的流量和反应温度，使其在硅基衬底上形成薄膜。
在CVD过程中，通常使用有机金属前驱物（如TES、TEOS等）作为硅源。
这些前驱物被分解后，在衬底表面沉积出富含硅的薄膜。
同时，通过加入适当的掺杂剂（如Be、P等）可以实现杂质掺杂，以调节siox材料的性能。
2.2 硅基siox材料特性：生长硅基siox集成光波导材料具有多种特性。
首先，它具有极高的折射率，使其能够有效地限制光信号在波导内部传播，并提供较高的耦合效率。
硅基光子学国内外研究现状及发展趋势
专题报告-1硅基光电子学（光子学）研究概况网络信息中心文献情报服务2007年6月硅基光电子学研究概况编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构的基本情况。
希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。
一、技术概述硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。
而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。
近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。
硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。
分别介绍如下：1. 硅基光子材料（1）硅基纳米发光材料目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。
制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。
（2）硅基光子晶体光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。
根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。
光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。
在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。
通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。
2. 硅基光子器件（1）硅基发光二极管作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。
硅基波导集成光学相控阵芯片
硅基波导集成光学相控阵芯片目录一、内容概览 (2)1.1 背景与意义 (3)1.2 国内外研究现状 (3)1.3 研究内容与方法 (5)二、硅基波导理论基础 (6)2.1 硅材料特性 (7)2.2 硅基光波导结构 (9)2.3 波导传输特性 (10)三、光学相控阵技术原理 (11)3.1 相控阵技术概念 (12)3.2 光学相位控制原理 (13)3.3 相控阵阵列设计与性能优化 (14)四、硅基波导集成光学相控阵设计 (16)4.1 设计流程与方法 (17)4.2 波导设计与优化 (19)4.3 相控阵单元设计 (20)4.4 集成与封装技术 (21)五、实验与测试 (22)5.1 实验平台搭建 (24)5.2 样品制备与测试方法 (25)5.3 测试结果与分析 (26)六、结论与展望 (28)6.1 研究成果总结 (29)6.2 存在问题与改进方向 (30)6.3 未来发展趋势与应用前景 (31)一、内容概览本文档深入探讨了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计与制造，详尽地描述了该技术的核心原理、关键组件以及制备工艺。
硅基波导作为光子集成电路中的基本构建模块，以其低损耗、高集成度等优势在光通信系统中扮演着越来越重要的角色。
而光学相控阵技术则通过精确控制波导中光的传播路径，实现高效的光学干涉和相位控制，进而应用于雷达、通信、遥感等领域。
本文档首先概述了硅基波导的基本结构和特性，解释了其作为光子集成电路基片的优势。
重点介绍了光学相控阵的工作原理，包括相位控制和波束形成的基本概念。
在此基础上，详细阐述了硅基波导集成光学相控阵芯片的设计流程，包括波导设计、阵列布局、光源和检测器的选择等关键技术环节。
在制备工艺部分，文档讨论了目前常用的硅基波导制备方法，如光刻、刻蚀、薄膜沉积等，并分析了这些工艺对波导性能的影响。
也展望了未来可能的技术革新和发展趋势，如新型材料、更精细的制程技术等。
文档总结了硅基波导集成光学相控阵芯片在现代光学和光电子技术中的重要地位和应用前景，强调了其在推动光通信、雷达等系统性能提升中的关键作用。
硅波导和光纤
硅波导和光纤
硅波导和光纤是两种常见的光通信传输介质，它们在不同的场合和用途中具有各自的优点和局限性。
在这里，我们将对硅波导和光纤进行比较和分析，以期更好地了解它们的特性和应用。
硅波导是一种基于硅材料的光传输介质，类似于微型电路板上的微小管道，能够将光线嵌入其中并传送。
相比之下，光纤则是采用光透明材料制造的，将光线通过全反射的方式传输。
首先，硅波导具有高度可控的光线走向和强大的集成能力，适用于微型光电子学与微米级信号传输。
硅波导的一大优点就是，在微型芯片上可集成多个波导器件，实现高度集成的光电子学芯片，大大提高了传输速率和精度。
其次，在长距离传输方面，光纤比硅波导更为优秀，因其材料的高纯度和优质性能。
它符合光线的容易传输和保持，使得它可以在几百公里至数千公里的距离内传送光信号，并且无需进行信号增强或中继。
除此之外，硅波导和光纤在初始成本和性能方面也有所不同。
硅波导的成本较高，由于集成度的增加，进行必需的微细工艺和优质材料的使用，导致它的价格比光纤高昂得多。
而对于那些对成本的要求较高
的大型项目而言，光纤则是更为优秀的选择，因为它们具有低成本且易于制造的优势。
综上所述，硅波导和光纤各自具有独特的优缺点和适用范围，在不同的应用场合和需要中，它们可以分别使用。
无论是为了高速率和精度的要求，还是长距离传输和成本效益，硅波导和光纤都为不同的使用者提供了不同的选择。
总之，光通信在现代社会中的重要性不断上升。
硅波导和光纤是其不可或缺的组成部分，它们展示出了光通信的各种应用和优势。
随着技术不断升级和发展，相信它们在未来的应用领域中将会有更加广泛和深入的发展。
硅基光子学的研究进展
硅基光子学的研究进展硅基光子学是一种研究利用硅材料构建光子器件并实现信息传输和处理的科技领域。
在当今信息技术飞速发展的时代，硅基光子学技术的研究成果对于新一代数据传输、通信、计算和储存等领域都有极为重要的作用。
本文将主要探讨硅基光子学研究的发展现状和未来趋势。
1. 硅基光子学概述硅基光子学是一种新兴的光电子系统领域，旨在把集成电路的制造技术应用到光电子学系统的生产中。
硅基光子学使用的是硅材料，这是一种广泛应用于半导体电子学和计算机领域的材料。
硅芯片的最新技术已经在纳米级别得到了实现，这为硅基光子学技术的发展提供了巨大的基础。
硅基光子学得到了广泛的应用，例如通信、计算、检测、感知和操纵。
2. 国内外研究现状硅基光子学的研究在国外已经得到了较为成熟的发展。
例如，美国、日本和欧洲等国和地区已经有许多知名的硅基光子学研究所和公司。
在国内，近几年来，各大高校和科研机构也开始加强硅基光子学研究力度。
例如，中科院武汉物理与数学研究所、中科院苏州纳米技术研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所等都在该领域取得了重要成果。
目前，硅基光子学的研究方向主要包括以下几个领域：2.1 硅基光波导硅基光波导是硅基光子学重要的基础技术。
硅基光波导可以将光导向准确的路径，从而实现高速、高效率和低损耗的信息传输。
硅基光波导技术是硅基光子学实现低成本和高性能光电子器件的关键。
2.2 硅基光器件设计设计不同类型的硅基光器件是硅基光子学的又一个重要研究方向。
例如，硅基光耦合器、硅基光调制器、硅基光放大器和硅基光激光器等。
这些器件的设计和制造是构建硅基光子学系统不可或缺的步骤。
2.3 硅基光子系统硅基光子系统结合了硅基光波导和硅基光器件。
这种系统利用硅材料的优势，使用制造集成电路的技术制造复杂的光电子集成芯片。
目前，硅基光子系统已被用于光通信、光计算、光传感和生物医学等领域。
3. 未来趋势随着信息技术的不断发展，硅基光子学将会在各个领域得到更广泛的应用。
硅光电子器件的设计与集成优化
硅光电子器件的设计与集成优化在现代科技发展的浪潮中，硅光电子器件的设计与集成优化变得越来越重要。
硅光电子器件是利用硅材料的光电效应实现光与电之间转换的器件，它具备高速、低功耗、可集成等优势，被广泛应用于通信、信息技术、医疗、能源等领域。
本文将详细介绍硅光电子器件的设计与集成优化方法和技术。
一、硅光电子器件的设计硅光电子器件的设计是指在硅基材料上设计出符合特定功能需求的器件结构和工艺。
典型的硅光电子器件包括光电二极管、光电晶体管、光波导器件等。
它们都涉及到光的吸收、发射、传输等光学特性，同时也需要考虑器件的电学特性，比如电流、电压等。
在设计过程中，需要综合考虑光学、电学、力学等多方面的因素。
在硅光电子器件的设计中，最重要的一项工作是设计出合适的器件结构和材料。
硅光电子器件一般采用单晶硅材料制备，其具有优异的光电性能和可靠性。
同时，还可以利用纳米加工技术对硅材料进行微观加工，以实现更高的器件性能。
此外，还需要选择合适的光学和电子组件，如镜片、透镜、光电探测器、放大器等。
这些组件的选取对器件的性能和功能具有重要影响。
在设计过程中，还需要考虑硅光电子器件的工艺制备。
硅光电子器件的制备工艺一般包括掩膜光刻、沉积、蚀刻等步骤。
这些步骤需要严格控制工艺参数和条件，以保证器件的良好性能和制备的一致性。
在制备过程中，还需要考虑材料的选择和加工工艺对器件性能的影响。
二、硅光电子器件的集成优化硅光电子器件的集成优化是指将多个硅光电子器件集成在一起，以提高整体性能和功能的操作。
硅光电子器件的集成优化涉及到器件的布局、互联和封装等问题。
在硅光电子器件的布局优化中，需要合理设计器件的位置和尺寸。
不同硅光电子器件之间可能存在相互干扰和耦合的问题，因此需要考虑器件之间的间距和位置关系，以减小干扰和提高器件的相互作用效率。
此外，布局优化还需要考虑整体电路和尺寸限制等因素。
在硅光电子器件的互联优化中，需要设计合适的电路连接和信号传输方式。
硅基光电子集成器件的制备与应用
硅基光电子集成器件的制备与应用光电子技术是一种以光学为基础的电子技术，将光学、电子学、计算机科学等多个学科结合起来，是信息技术中的一个重要分支。
硅基光电子集成器件是光电子技术的重要组成部分。
在今天的移动互联网、物联网和大数据时代，硅基光电子集成器件已经成为各种领域最重要的技术之一。
本文将探讨硅基光电子集成器件的制备过程和应用价值。
一、硅基光电子集成器件制备过程硅基光电子集成器件的制造，需要从选择合适的硅晶片材料开始。
硅晶片材料具有良好的光学性能，广泛应用于光电子器件制造领域。
接下来是晶圆制备工艺。
制备晶圆的主要工艺是化学气相沉积(CVD)，它是以高纯度的硅源为原料，在高温(1000℃以上)和大气压下将源气分解，从而让硅原子在衬底表面沉积生成晶圆。
制备好的硅晶片后，是端面加工，通过化学机械抛光，将硅晶片的表面进行加工处理。
随后是光子集成器件的制造过程。
制造的主要工艺包括：光刻、电离辐射、晶圆成型、电镀、刻蚀、腐蚀、晶圆接合等多个步骤。
二、硅基光电子集成器件的应用价值硅基光电子集成器件是非常重要的功能元件，在许多科学研究和技术领域有重要的应用。
下面列出几个主要的应用领域：1. 通信领域硅基光电子集成器件应用于光纤通信系统的光路模块化、波分复用与解复用，能够大大提高光模块性能和工作效率。
在现代光纤通信网络发展中，硅基光电子集成器件已成为其中各种光模块产品主要的解决方案。
2. 生物医学领域集成光波导和探测器的生物化学传感器，已经成为一种新的生物化学检测分析方法。
该方法具有快速、准确、敏感和实时性等优点。
硅基光电子集成器件在制造生物传感器等生物医学器件上的应用，将为生物医学领域带来新的突破。
3. 工业控制和自动化领域硅基光电子集成器件在自动控制和检测方面的应用，可以将半导体技术与机械、电气等其他工程技术结合起来，形成一套系统性的工业自动化技术，对现代工业控制与自动化等领域产生重要影响。
4. 环境检测领域现代环境检测设备中，硅基光电子集成器件已经被广泛应用。
硅基光波导
硅基光波导硅基光波导是一种光纤传输中的关键技术，它通过利用硅材料的光电特性，将光信号有效地引导在硅基材料中传输。
硅基光波导具有许多优点，例如小尺寸、高速传输、低损耗和兼容性强等特点，在光通信、生物医学、量子计算和光电子学等领域有着广泛的应用。
硅基光波导的制备技术主要包括常用的直写法、离子束刻蚀法和激光光刻法。
直写法是利用光固化材料和UV光源，通过直接写入图案设计在硅基材料上进行波导的制作。
这种方法可以实现高分辨率和快速加工，但成本较高。
离子束刻蚀法则是利用高能离子束对硅基材料进行刻蚀，从而形成所需的波导结构。
激光光刻法是利用激光光源和遮罩图案，将波导结构直接烧蚀到硅基材料中。
硅基光波导中的最常用波导结构包括单模波导和多模波导。
单模波导是指仅支持一条光信号传输模式的波导结构，其尺寸通常较小，适用于高速传输。
多模波导则是可以支持多条光信号传输模式的波导结构，其尺寸相对较大，适用于低速传输。
此外，硅基光波导还可以采用不同类型的衬底材料，如硅氮化物和石英，来实现对光信号的引导。
硅基光波导的优势之一是其高速传输性能。
由于硅材料具有较高的折射率和光电效应，硅基光波导可以实现高带宽和低损耗的光信号传输。
同时，硅基光波导与光电子器件之间的兼容性较好，可以与传统的硅基集成电路技术相结合，从而实现高度集成化的光电子系统。
此外，硅基光波导还具有很好的稳定性和抗干扰能力，可以在复杂的工作环境下稳定地传输光信号。
在光通信领域，硅基光波导被广泛应用于光纤网络的建设和数据中心的光互连技术中。
由于其高速传输性能和低损耗特点，硅基光波导可以实现高密度的光通信和大容量数据传输。
在生物医学领域，硅基光波导可以用于生物传感器、生物标记和免疫分析等应用，具有高灵敏度、实时检测和高通量的优势。
在量子计算和光电子学领域，硅基光波导可以用于量子比特的传输和控制以及光电子器件的集成等方面。
总之，硅基光波导是一种重要的光纤传输技术，具有小尺寸、高速传输、低损耗和兼容性强等优点。
硅基光电子集成技术前沿报告
硅基光电子集成技术前沿报告目录一、微电子技术、光电子技术与硅光技术 (1)二、硅光技术定义与特点 (3)（一）超高兼容性 (3)（二）超高集成度 (4)（三）强大的集成能力 (5)（四）超大规模制造能力 (6)三、国内外硅光技术和产业发展现状 (7)四、硅光技术中微电子与光电子融合的难题和挑战 (10)(一)急需构建适用于大规模光电集成芯片的元器件库 (10)(二)急需加强光电子融合芯片的工艺能力和基础积累 (11)(三)急需强化光电子融合芯片的架构设计能力 (11)(四)急需增强光电子融合芯片的封装及调控技术 (11)五、硅光技术发展前景展望以及相关政策建议 (12)一、微电子技术、光电子技术与硅光技术自从1958年第一颗集成电路，特别是Intel CPU发明以来，微电子技术便一直遵循着摩尔定律发展，已经成为信息社会发展的主要驱动力之一。
在过去的半个世纪里，微电子芯片的集成规模提升了十亿倍以上。
据悉，采用5nm CMOS工艺的苹果处理器芯片A14内部已集成了150亿颗晶体管，其运算性能可比肩目前性能最强的MacBook 笔记本电脑。
我们生活中的每个角落都充斥着各种各样的微电子芯片，它们感知、处理并产生了海量的信息，让人类社会变得越来越智能和便捷，但是这些数字化信息的传递和通信成为一大难题。
为了解决信息传输问题，人们注意到了另一种信息载体——光子。
光子可以以宇宙中最高的速度传输，其传输速率不会随着传输通道变窄而变慢，而且不易发生串扰，因此十分适合信号的通信和传输。
相比于电导线互连，光通信技术具有超高速率、超大容量、超长传输距离和超低串扰等显著优势，因而被广泛地应用在电信网络、卫星通信、海底通信、数据中心和无线基站等通信设备中。
目前，人类社会超过95%的数字信息需要经过光通信技术来传播，其重要性不言而喻。
光通信系统所必需的光源、调制（电信号转换为光信号）、传输、控制、探测（光信号转换为电信号）等功能都需要通过光电子器件来实现。
SOI集成光波导器件的基础研究
SOI集成光波导器件的基础研究随着光通信和光电子技术的飞速发展，集成光波导器件在光信息处理、光传感、光互联等领域具有广泛的应用前景。
在各种集成光波导器件中，基于硅基材料的光波导器件因其在高速、低损耗、抗电磁干扰等方面的优势，成为当前的研究热点。
本文将介绍SOI（Silicon-on-Insulator）集成光波导器件的基础研究，包括其应用领域、研究现状、存在的问题以及未来研究方向。
SOI集成光波导器件是一种基于硅基材料的光波导器件，其结构是在硅基衬底上制备一层硅膜，从而实现光波在硅膜中传播。
由于硅材料的折射率较高，且具有成熟的集成电路制造工艺，因此SOI集成光波导器件具有体积小、集成度高、速度快、功耗低等优点。
目前，SOI集成光波导器件已成为光子集成领域的重要研究方向之一。
SOI集成光波导器件的研究方法主要包括实验设计和理论分析。
实验设计包括光波导结构的设计、材料的选取和制备、器件的性能测试等环节。
理论分析则通过建立物理模型，运用数值模拟方法对光波导的传输特性进行预测和优化。
尽管这两种方法在SOI集成光波导器件的研究中具有重要应用价值，但也存在一些问题。
例如，实验设计往往需要大量的时间和资源，而且可能受到制备工艺和测试设备的限制；而理论分析则可能因为物理模型的不准确或者数值模拟方法的局限性而导致结果与实际情况存在偏差。
近期，我们开展了一系列SOI集成光波导器件的研究工作，并取得了一些有意义的实验结果。
在实验中，我们设计并制备了一种基于硅基材料的SOI光波导器件，通过对器件的传输特性进行测试，发现该器件具有低损耗、高稳定性等优点。
我们也发现该器件的传输性能受到材料制备工艺和环境因素的影响较大，这为进一步优化器件性能提供了重要参考。
SOI集成光波导器件的基础研究在光通信、光信息处理、光传感等领域具有重要的应用价值。
当前的研究成果表明，SOI集成光波导器件具有广阔的发展前景。
然而，仍然存在一些挑战和问题需要解决，如提高器件的稳定性、降低制备成本、优化器件的设计和制造工艺等。
光波导硅基光电子集成芯片的研制及应用研究
光波导硅基光电子集成芯片的研制及应用研究光波导硅基光电子集成芯片是一种新型的集成化技术，它将光电子学、微电子学和纳米技术相结合，可以集成多种光电子器件和电子器件，具有功耗低、速度快和互联好等优点，被广泛应用于通信、计算、测量等领域。
本文将从研制和应用两个方面，阐述光波导硅基光电子集成芯片的现状和未来发展方向。
一、光波导硅基光电子集成芯片的研制现状光波导硅基光电子集成芯片的研制是一项复杂的工程，需要涉及到多个学科领域的知识和技术，例如物理学、光学、微电子学、材料学等。
在这些学科领域的支持下，光波导硅基光电子集成芯片的研制已经取得了一定的进展。
首先，光波导硅基光电子集成芯片的制备需要特殊的材料，其中硅是制备光波导结构的重要材料。
硅材料具有高导电率、高晶体质量和化学稳定性好等特点，适合用于制备光波导结构。
近年来，许多实验室都致力于研究新型硅材料，例如氧化铝掺杂硅材料、氮化硅材料、二氧化硅材料等，以提高硅材料的性能，增加光波导集成芯片的应用领域。
其次，光波导硅基光电子集成芯片的制备需要特殊的工艺，其中最重要的工艺是纳米加工技术和光刻技术。
纳米加工技术是一种非常重要的技术，可以制备出高精度的光波导结构，包括光阻模板法、电子束光刻法、离子束刻蚀法、原位掩模法等。
光刻技术也是一种非常重要的技术，可以制备出高分辨率的图形，包括光刻胶法、反射率法、相衬法、表面波法等。
这些工艺的优化和改进，可以使得光波导集成芯片制备的精度更高，从而提高其性能和可靠性。
最后，光波导硅基光电子集成芯片的研制需要多种技术的协同，例如微电子器件技术、太赫兹技术、激光器技术、电子射线技术等。
这些技术的融合可以实现多种功能的集成，例如光电探测器、光调制器、光放大器、激光器等，从而满足不同领域和应用对光波导集成芯片的需求。
二、光波导硅基光电子集成芯片的应用研究现状光波导硅基光电子集成芯片的应用研究也已经取得了重要的进展，成为了科研和工程实践中的热门话题。
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三、集成
2014/5/29
Yurii Vlasov, Silicon photonics for next generation computing systems, IBM Research Report, 2008
三、集成
2014/5/29
Yurii Vlasov, Silicon photonics for next generation computing systems, IBM Research Report, 2010
2014/5/29
224312 Helios project,2010 Tseng, Ricky, et al. "Laser Integration with CMOS Assembly Process for Si Photonics." Optical Fiber Communication
Conference. Optical Society of America, 2014.
从波导到器件
RF
Optical source
Modulator
Passive devices
Receiver
2014/5/29
二、器件
Devices——passive devices
Coupler
Multimode interference coupler
Y-junction
Array waveguide grating
二、器件
Devices——laser
2014/5/29
Rong, Haisheng, et al. "A continuous-wave Raman silicon laser." Nature 433.7027 (2005): 725-728.
二、器件
Devices——laser
2014/5/29
二、器件
Devices——modulator
2014/5/29
Xu Q, Schmidt B, Pradhan S, et al. Micrometre-scale silicon electrooptic modulator. Nature, 2005, 435(7040): 325-327.
二、器件
Devices——modulator
2014/5/29
Pantouvaki, Marianna, et al. "8x14Gb/s Si Ring WDM Modulator Array with Integrated Tungsten Heaters and Ge Monitor Photodetectors." Optical Fiber Communication Conference. Optical So
——龙运
• 一、背景 • 二、器件 • 三、集成 • 四、总结
OUTLINE
2014/5/29
一、背景
IC的启发
1961 The First Planar Integrated Circuit
1971 Intel 4004 Microprocessor
2001 Intel Pentium (IV) Microprocessor
硅光子技术将成为重要突破方向，通信是硅光子技术的早期应用 领域，韦乐平说，正如历史上的晶体管、集成电路、激光器等一 样，通信由于其高技术属性往往成为新技术的早期应用领域。然 后随着技术和工艺的成熟再扩展至大众消费领域，形成更大的规 模，进一步降低成本，再促进其在通信领域的普及，形成技术的 良性循环。
三、集成
2014/5/29
Intel corporation, The 50 Gbps Si Photonics Link, 英特尔讲义, 2010
三、集成
2014/5/29
Intel corporation, The 50 Gbps Si Photonics Link, 英特尔讲义, 2010
Takahashi, Yasushi, et al. "A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold." Nature 498.7455 (2013): 470-474.
二、器件
Devices——laser
Gunther Roelkens , Lecture: Hybrid III- V/silicon light sources, Silicon Photonics –PhD course prepared within FP7-
一、背景
从塑料光纤到硅基光波导
2014/5/29
Fiber
Integrated waveguide
一、背景
SOI、制备工艺
Si
SiO2 Si
匀胶
Photoresist
Si SiO2 Si
曝光
Si
SiO2 Si
显影
Si
SiO2 Si
2014/5/29
刻蚀
Si
SiO2 Si
去胶
Si
SiO2 Si
二、器件
/
一、背景
Light——从塑料光纤说起
2014/5/29
一、背景
从塑料光纤到硅基光波导
2014/5/29
Graham T. Reed et al., Lecture: Silicon Photonics Waveguides, Silicon Photonics –PhD course prepared within FP7-224312 Helios project,2010
三、集成
最新进展
2014/5/29
Shen, Po-Kuan, et al. "On-Chip Optical Interconnects Integrated with Laser and Photodetector Using Three-Dimensional Silicon Waveguides." Optical Fiber Communication Conference. Optical
of America, 2014.
二、器件
Devices——Receiver
2014/5/29
Assefa, Solomon, Fengnian Xia, and Yurii A. Vlasov. "Reinventing germanium avalanche photodetector for nanophotonic on-chip optical interconnects."Nature 464.7285 (2010): 80-84.
二、器件
Devices——Receiver
2014/5/29
De Heyn, Peter, et al. "Polarization-Insensitive 5x20Gb/s WDM Ge Receiver using Compact Si Ring Filters with Collective Thermal Tuning." Optical Fiber Communication Conference. Optical Society of
2014/5/29
Lorenzo Pavesi, Lecture: Introduction to silicon photonics, Silicon Photonics –PhD course prepared within FP7-224312 ,Helios project,2010
一、背景
Microring
Microdisk
2014/5/29
Fukuda et al., OE (2006) W.Bogaerts et al. JSTQE, 2010
L. Xiang et al., JSTQE 2013.
J.Dong et al., PJ, 2013. T.Yang et al., Sci. Rep., 2014.
光通信发展的需求——大势所趋
2014年5月21日，中国光网络研讨会 2014/5/29
中国电信 总工程师 韦乐平
摩尔定律只适用于分组、交换矩阵、存储等电域技术，但不合适 以手工为主的光通信技术。
一个典型1000公里的长途系统中，光域成本占比将从45%提升到 2015年的80%以上。
一个典型80×100G、长度1350公里波分系统，光域成本约占 75%。而在光域成本中，光器件占比90%，相当于总占比约70%。 一个100G核心路由器，光器件成本约占60%。
Society of America, 2014.
三、集成
最新进展：2014 OFCPDP，Acacia Communications 展示单片集成100G相干收 发机模块
Doerr, Christopher R., et al. "Single-Chip Silicon Photonics 100-Gb/s Coherent Transceiver." Optical
2014/5/29
Fiber Communication Conference. Optical Society of America, 2014.
三、集成
令人兴奋的时代
2014/5/29
/
Thank You!
2014/5/29
A view of sb.'s back.