硅光子学-From光互连to光计算-2
硅光子学材料的光学特性研究
硅光子学材料的光学特性研究在当今科技发展迅猛的时代，硅光子学材料的光学特性研究成为了科学界的热门话题。
硅光子学材料使用硅材料作为光学器件基底，通过光与电子的相互作用来实现信息处理和传输。
本文将重点介绍硅光子学材料的光学特性及其研究进展。
硅光子学材料的光学特性主要包括折射率、色散、吸收和发射等方面。
首先，折射率是指光线在介质中传播时的弯曲程度，它影响光线的传输和导引。
硅光子学材料具有较高的折射率，使其可以用来制造小尺寸的光学器件，例如光波导和微环谐振器，实现光信号的传输和调控。
其次，色散是指光线在介质中传播时，不同波长的光线传播速度不同所产生的现象。
硅材料在可见光范围内具有较高的色散，这限制了硅光子学器件的宽带性能。
为了解决这个问题，研究人员通过控制材料的结构和组分，改善了硅光子学材料的色散特性，使其具有更宽的工作频率范围。
此外，硅光子学材料的吸收和发射特性也是研究的重点。
硅材料本身是一种非常弱的吸收器，因此在光学器件中的吸收通常非常小。
然而，通过在硅材料中引入其他元素或控制材料的结构，可以增加其吸收的能力，提高器件的效率。
此外，硅光子学材料也可以具有较强的发射能力，可用于光探测和激光器等应用。
在研究硅光子学材料的光学特性时，科学家们采用了多种方法和技术。
例如，通过透射光谱测量折射率和吸收系数，同时利用反射光谱揭示材料的色散特性。
此外，还可以利用拉曼散射光谱研究硅光子学材料的结构和振动特性。
通过这些研究手段，科学家们能够更全面地了解硅光子学材料的光学特性，并进一步优化材料的性能。
在实际应用中，硅光子学材料的研究已经取得了显著的进展。
其中一个重要领域是光通信。
由于硅材料具有较高的折射率和光学强度，硅光子学器件可以实现高速、大带宽的光信号传输。
此外，硅光子学材料还可以应用于计算和传感等领域。
例如，通过利用硅光子学材料的非线性特性，可以实现光子计算和光子逻辑门等功能。
总之，硅光子学材料的光学特性研究对于推动光子学和相关领域的发展具有重要意义。
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。
基于CMOS平台的硅光子关键器件与工艺研究
基于CMOS平台的硅光子关键器件与工艺研究赵瑛璇;武爱民;甘甫烷【摘要】面向互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的硅基光互连体系,研制了包括光波导、光栅耦合器、刻蚀衍射光栅、偏振旋转分束器、光频梳以及3D互连新器件等的硅光子关键器件,并对相应器件的设计及工艺给出了最新的研究结果.基于以上关键硅光子器件进行了大规模光子集成,实现了片上集成的微波任意波形发生器,并集成了300多个光器件,包括高速调制、延迟线和热调等功能.面向数据通信研制了八通道偏振不敏感波分复用(WDM)接收器,解决了集成系统中的偏振敏感问题.【期刊名称】《中兴通讯技术》【年(卷),期】2018(024)004【总页数】7页(P8-14)【关键词】硅光子技术;硅基光互连;大规模光子集成【作者】赵瑛璇;武爱民;甘甫烷【作者单位】中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050;中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050【正文语种】中文【中图分类】TN929.5随着集成电路面临摩尔定律失效的风险，面向片上光互连的硅光子技术成为重要的关键平台性技术，能够解决集成电路持续发展所面临的速度、延时和功耗等问题。
在未来5G通信中也有明确的用途，基站的数据前传和后传需求显著，低成本、大批量的高速光模块有望成为硅光子的重要产业出口。
硅光子技术通过微电子和光电子技术的高度融合，在硅基衬底上实现各种有源和无源器件，并通过大规模集成工艺实现各种功能，文中我们将介绍基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的硅基光器件的研究和工艺。
1 硅基关键器件与工艺研究1.1 硅基光波导和制造工艺研究与先进的超大规模集成电路工艺兼容是硅光子最本质的价值所在。
经过半个世纪的发展，集成电路制造工艺水平突飞猛进，量产产品已达到10 nm技术节点。
本研究小组与先进的大规模集成电路商用工艺生产线合作，基于0.13 μm CMOS技术，并且采用了248 nm光刻技术[1]，建立了一整套硅光子器件加工和集成的工艺。
《硅光子设计：从器件到系统》笔记
《硅光子设计：从器件到系统》阅读记录目录一、基础篇 (3)1.1 光子学基础知识 (4)1.1.1 光子的本质与特性 (4)1.1.2 光子的传播与相互作用 (5)1.2 硅光子学概述 (6)1.2.1 硅光子的定义与发展历程 (7)1.2.2 硅光子学的应用领域 (9)二、器件篇 (10)2.1 硅光子器件原理 (11)2.2 硅光子器件设计 (13)2.2.1 器件的结构设计 (14)2.2.2 器件的工艺流程 (15)2.3 硅光子器件的性能优化 (16)2.3.1 集成电路设计 (17)2.3.2 封装技术 (18)三、系统篇 (20)3.1 硅光子系统架构 (21)3.1.1 系统的整体结构 (22)3.1.2 系统的通信机制 (23)3.2 硅光子系统设计 (25)3.2.1 设计流程与方法 (26)3.2.2 设计实例分析 (27)3.3 硅光子系统的测试与验证 (29)3.3.1 测试平台搭建 (30)3.3.2 性能评估标准 (31)四、应用篇 (31)4.1 硅光子技术在通信领域的应用 (33)4.1.1 光纤通信系统 (34)4.1.2 量子通信系统 (35)4.2 硅光子技术在计算领域的应用 (36)4.2.1 软件定义光计算 (37)4.2.2 光子计算系统 (38)4.3 硅光子技术在传感领域的应用 (39)4.3.1 光学传感器 (40)4.3.2 生物传感与检测 (41)五、未来展望 (42)5.1 硅光子技术的发展趋势 (43)5.1.1 技术创新与突破 (44)5.1.2 应用领域的拓展 (45)5.2 硅光子技术的挑战与机遇 (47)5.2.1 人才培养与引进 (48)5.2.2 政策支持与产业环境 (49)一、基础篇《硅光子设计：从器件到系统》是一本深入探讨硅光子技术设计与应用的专著，涵盖了从基础理论到系统应用的全面知识。
在阅读这本书的基础篇时，我们可以对硅光子设计的核心概念有一个初步的了解。
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。
硅光技术原理
硅光技术原理
硅光技术是一种基于硅材料的光子学技术，它利用光信号代替电信号进行数据传输。
其基本原理包括以下几点：
1. 光通信技术：硅光技术使用激光束在硅或硅基衬底材料中传输数据，这种技术可以大幅提高数据传输的速率和功率效率。
2. CMOS工艺兼容：硅光技术可以利用现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺来开发和集成光器件，这意味着它可以较为容易地集成到现有的电子制造流程中。
3. 高速调制：随着数据速率的提升，传统的电信号传输方式逐渐成为瓶颈。
硅光技术通过高速光调制来克服这一限制，实现更快的数据传输速度。
4. 新材料开发：为了进一步提升性能，研究人员正在开发新的材料，如铌酸锂（LNO）薄膜、磷化铟（InP）、钛酸钡（BTO）、聚合物和等离子材料，以取代或优化硅上的高速调制功能。
5. 光电集成：硅光技术的目标是在芯片上集成光电转换和传输模块，使得芯片间的光信号交换成为可能，这有助于实现更高效的数据处理和传输。
6. 应用领域：硅光技术在片上互连和片间互连的应用将推动计算机光互连甚至是光计算的革命，有望全面提升计算速度。
这也是为什么许多科技巨头如Intel和思科等都在积极研究硅光技术的原因。
硅光技术的原理是利用光信号在硅基材料中进行高效的数据传输，通过与现有CMOS工艺的结合，实现高速、高效的光电集成，从而在计算和通信领域带来革命性的变革。
硅基光电子学中的SOI材料
硅基光电子学中的SOI材料陈媛媛【摘要】SOI material is an important kind of optical waveguide materials for silicon-based optoelectronics applications. In this paper,the common preparation methods of SOI materials,including SIMOX-SOI,BE-SOI,Smart Cut,are introduced at first and their different characteristics are compared. Then, the common technology to make optical waveguide using SOI materials,including photolithography and etching,are introduced. Among which,the etching technology is divided into wet-etching and dry-etching.%SOI材料是近年来应用于硅基光电子学中的一种重要的光波导材料.本文首先简要介绍了常见的SOI材料的制备方法,包括注氧隔离(SIMOX-SOI)、硅键合背面腐蚀(BE-SOI)和注氢智能剥离(Smart Cut)等,并比较了它们各自的特点和优劣.其次介绍了SOI材料加工制造波导的基本工艺,包括光刻和刻蚀,其中刻蚀又分为干法刻蚀和湿法腐蚀.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2011(041)009【总页数】5页(P943-947)【关键词】硅基;光电子学;SOI;光波导材料;光波导器件【作者】陈媛媛【作者单位】北京工商大学计算机与信息工程学院,北京100048【正文语种】中文【中图分类】TN2521 引言SOI材料早期主要是应用于微电子学技术中，利用SOI材料可以制作各种高性能及抗辐射电子电路。
硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用
万方数据 万方数据３期燕路等：硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用５４９的ｐ－ｉ—ｎ结构有效地降低了自由载流子的有效寿命，他们采用标准微电子工艺制作了第一个连续波长硅基拉曼激光器。
激光器结构如图１所示［２７。
脊型波导是在未掺杂的ＳＯＩ结构Ｓｉ的［１００１表面上：通过标准的光刻和蚀刻工艺制成，在其两侧的平板分别注入硼和磷形成ｐ－ｉ—ｎ结构，反偏的ｐ－ｉ—ｎ二极管大大降低了ＴＰＡ引发的载流子吸收。
当给它加反偏电压时，ＴＰＡ产生的电子一空穴由于受到ｐ－ｉ－ｎ结构的电场作用，被迅速地清除出了波导区，因此有效载流子寿命随着反偏压的增强而减小。
这一结构成功得到｜ｒ稳定的边模抑制比为５５ｄＢ，线宽小于８０ＭＨｚ的单模激光输出。
其激光阈值依赖于反偏电压，波长可通过改变抽运波长调节。
图１第一个连续硅基拉曼激光器结构示意图∞３Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔＣＷｓｉｌｉｃｏｎＲａｍａｎｌａｓｅｒＣ２７】硅基拉曼激光的实现是硅激光领域内的重要突破，但足它仍然只实现了红外波段激光，未能实现可见光波段激光。
在Ｉｎｔｅｌ报道了他们的拉曼激光后，Ｓｔｅｃｌｄ研究组阳８］寅布，他们研制成功世界卜第一个可见光波段的硅激光器。
他们在硅衬底上用分子束外延技术生长了Ｅｕ３＋掺杂的多层ＡＩＧａＮ结构，实现了室温下阈值约为１１７ｋＷ／ｃｒｎ２，波长６２０ｎｌｎ的激光输出。
２００８年，Ｒｏｎｇ研究组乜列又报道了级联式拉曼激光，利用受激拉曼散射的级联效应将硅基拉曼激光波长拓展至１６８６ｎｍ和１８４８ｎｍ。
这一激光器采用环形谐振腔和１５５０ｎｍ光抽运，实现了稳定的、连续的、输出功率超过５ｍＷ、线宽小于２．５ＭＨｚ的１８４８ｎｍ二阶级联激光，为实现更高阶拉曼激光铺平了道路。
尽管上述研究已经取得突破性进展，但是仍然面临一个问题：即以上述及的激光器都需要抽运光激发，若想将硅基激光器完全地单片集成，就必须实现载流子注入（电抽运）形式的激光光源。
硅光技术原理
硅光技术原理全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：硅光技术是一种基于硅材料的光学技术，利用硅材料的特殊性质来实现光学功能。
硅材料是一种常见的半导体材料，具有优良的光学性能和电学性能，被广泛应用于光子学领域，如激光器、光纤通信、光电子器件等。
硅材料不仅具有卓越的光学性能，还具有成本低廉、制备工艺成熟、稳定性高等优点，因此成为了光子学领域的重要材料之一。
硅光技术的原理主要包括硅材料的光学特性、硅光子学器件的设计和制备工艺。
硅材料的光学特性主要包括折射率、色散、吸收系数等。
硅材料的折射率比较高，通常在1.4-4之间，这使得硅材料在光学器件中具有良好的指导性能。
硅材料的色散较小，这意味着在硅光子学器件中可以实现更加复杂的光学功能。
硅材料的吸收系数也比较低，这有利于提高光子器件的效率。
设计硅光子学器件时，需要考虑硅材料的特性，通过合理的结构设计来实现所需的光学功能。
硅光子学器件可以通过构造一定的结构，在硅材料中引入光子波导、光子晶体、光子谐振腔等结构来控制光的传播和耦合过程。
通过调控硅材料中的衍射光栅、非线性光学效应等机制，可以实现光的操控和传输。
制备硅光子学器件通常采用微纳加工技术，包括激光刻蚀、离子注入、热氧化等工艺。
激光刻蚀是一种常用的微纳加工方法，可以通过控制激光的功率和照射时间，在硅表面形成微米级的结构。
离子注入是一种改变硅材料光学性质的方法，可以在硅材料中引入不同的杂质，改变硅材料的折射率、色散等性质。
热氧化是一种在硅表面生成氧化硅层的方法，可以形成光子波导、光子晶体等结构。
硅光技术在光子学领域有着广泛的应用，如硅基光波导器件、硅基激光器件、硅基传感器器件等。
硅基光波导器件是一种利用硅材料的折射率高的特性，在硅波导中实现光的传输和操控的器件。
硅基激光器件是一种利用硅材料的光学性能，在硅芯片上实现激光发射的器件。
硅基传感器器件是一种利用硅材料的敏感性，在硅波导中实现化学、生物等物质的检测的器件。
光互连国内外发展趋势
光互连国内外发展趋势咱来唠唠光互连的国内外发展趋势哈。
一、国内发展趋势。
1. 政策与市场双轮驱动。
- 在国内呢，政府那可是相当重视高科技领域的发展，光互连也不例外。
就像一个被重点培养的小树苗，各种政策扶持就像肥沃的土壤和充足的阳光。
比如说，有一些针对光通信、光互连相关企业的税收优惠政策，还有科研项目的资金支持。
这让很多企业和科研机构就像打了鸡血一样，纷纷投入到光互连技术的研发和应用推广当中。
- 市场需求也在嗷嗷叫着要光互连发展得更快。
随着咱们国家数据中心的规模像吹气球一样不断膨胀，还有5G网络的大规模建设，对于高速、大容量的数据传输需求就像洪水猛兽一样。
光互连这种能提供超高速数据传输的技术，就成了大家眼中的香饽饽。
就好比在一个信息大堵车的时代，光互连是那条专门为豪车（高速数据）开辟的超级高速公路。
2. 技术创新井喷式发展。
- 在技术研发这块，国内的科研人员那可是八仙过海，各显神通。
比如说在光芯片领域，以前咱们老是依赖进口，就像个小跟班似的。
但是现在不一样了，国内很多企业和科研团队都在努力攻克光芯片的关键技术。
他们就像一群勇敢的探险家，在光芯片这个神秘的小岛上挖掘宝藏。
现在已经有不少国产光芯片在性能上能够和国外的产品掰掰手腕了，而且成本还更低，这就像咱们自己造的汽车又便宜又好开一样。
- 还有光互连的封装技术也在不断进步。
以前的封装就像给宝贝裹了个破布袋子，又难看又不实用。
现在的封装技术就像给光互连器件穿上了精致的定制西装，不仅外观漂亮，而且性能也大大提升。
通过采用新的封装材料和工艺，能够让光互连的集成度更高，就像把一堆小房子建成了高楼大厦，在更小的空间里实现更多的功能。
3. 产业生态逐渐完善。
- 国内光互连相关的产业链正在像拼图一样慢慢完整起来。
从上游的原材料供应商，到中游的光器件制造商，再到下游的系统集成商和应用企业，大家都在这个产业链上找到了自己的位置。
比如说，一些原材料供应商专门为光互连提供高质量的光纤、光学晶体等材料，就像面包店给蛋糕店提供优质面粉一样。
硅光子集成电路
硅光子集成电路硅光子集成电路是一种利用硅基材料制造的光子学器件，可以在集成电路中实现光信号的传输、处理和控制。
它将电子学和光子学相结合，具有高速、低功耗、大容量等优势，是未来高速通信和计算领域的重要技术之一。
在过去的几十年里，随着信息技术的迅猛发展，人们对于通信速度和数据处理能力的需求不断增加。
传统的电子器件已经难以满足这些需求，而光子学作为一种新兴的技术，具有光速传输、高频带宽等优势，被广泛应用于通信和计算领域。
然而，由于光子器件大多采用昂贵的III-V族化合物半导体材料制造，限制了它们的成本和集成度。
硅光子集成电路由于采用了标准的硅基材料制造工艺，可以与传统的CMOS工艺兼容，从而实现了与电子器件的集成。
这种集成不仅可以降低制造成本，还可以提高器件的可靠性和稳定性。
此外，硅光子集成电路还可以利用现有的光子学器件和电子器件之间的优势互补，实现更高的性能和功能。
在硅光子集成电路中，光信号通过波导结构在硅芯片上传输。
波导是一种将光束限制在其内部传输的结构，可以实现光信号的传输和控制。
硅光子集成电路中常用的波导结构包括直波导、曲波导和环形波导等。
这些波导结构可以通过改变其几何形状和尺寸来控制光信号的传输特性，实现光的引导、分光、耦合和调制等功能。
除了波导结构，硅光子集成电路还包括其他光子学器件，如光源、光探测器和光调制器等。
光源可以产生光信号，光探测器可以将光信号转换为电信号，而光调制器可以通过改变光的强度或相位来调制光信号。
这些器件之间通过电极和电子器件进行连接和控制，实现光信号的处理和控制。
硅光子集成电路的应用范围广泛，包括光通信、光互连、光传感和光计算等领域。
在光通信方面，硅光子集成电路可以实现高速率、长距离的光纤通信，提高通信带宽和传输距离。
在光互连方面，硅光子集成电路可以实现高速、大容量的内部和外部连接，提高芯片之间的数据传输速度和带宽。
在光传感方面，硅光子集成电路可以实现高灵敏度、高分辨率的光传感器，用于环境监测、生物医学和安全检测等应用。
硅光子学技术的应用前景和挑战
硅光子学技术的应用前景和挑战硅光子学是光子学研究中的一个重要领域，它利用芯片制造技术和微纳加工技术，在硅基材料上开发出了一系列光学器件和微型系统，具备了在通信、传感、计算、医疗等多个领域的应用前景。
然而，硅光子学技术也面临着不少挑战，如如何提高能量效率、降低系统复杂度，如何应对材料和器件的制造难度，以及如何解决成本和集成度等问题。
本文将从应用前景和面临的挑战两个方面探讨硅光子学技术的发展现状。
一、应用前景1. 光通信领域在通信领域，光纤引入和升级使得光通信成为现代通信的主要方式。
而硅光子学技术则是实现通信系统个性化、高速度、低成本、小型化的关键技术。
由于硅光子学技术在集成度、无源器件等方面具有优势，它可以用来制造微型化、低功耗、高可靠性光纤通信器件，如微环谐振器和微环腔等，从而实现在芯片上的全光传输和信号处理，促进信息技术的发展。
2. 光计算领域随着计算机技术的整体升级，人们对计算机设备性能和速度的要求也越来越高。
硅光子学技术则通过光学特性实现传输和控制信息，具有速度快、数据量大、延迟低等优势，这使其成为建立新型计算系统的重要支持。
例如，利用硅光子技术可以制造出高速、高一致性的光存储器，提高存储效率，推动信息计算的发展。
3. 光传感领域在光传感领域，由于传感器的灵敏度、稳定性等要求越来越高，硅光子学技术的应用前景日益广泛。
它可以用来在芯片上制造出高灵敏度、大面积的传感器矩阵，监测物理量和化学量等重要信息，如生物分子检测、化学离子传感、气体浓度检测等，从而实现传感、监测、诊断和治疗的实时化。
二、面临的挑战1. 能量效率和系统复杂度硅光子技术的电-光转换效率比晶体管较低，在实际应用中需要大量的电能耗费来维持微波源的输出功率。
同时，硅光子器件的制造过程也复杂，导致相同功能的器件的制造成本过高。
因此，如何提高能量效率，降低硅光子学器件的成本和集成度是当前研究的重点。
2. 材料和器件技术的制造难度硅光子学技术的制造需要高度的微纳加工技术和芯片制造技术支持，包括高精度控制、自组装技术、氧化技术、等离子体刻蚀等。
硅光子芯片原理
硅光子芯片原理引言：硅光子芯片是一种基于硅基材料的光电子集成电路，利用光子学原理来实现高速、低能耗的数据传输和处理。
它具有传统电子芯片无法比拟的优势，被广泛应用于通信、计算、传感和生物医疗等领域。
本文将从硅光子芯片的原理入手，介绍其工作原理、关键技术和应用前景。
一、硅光子芯片的工作原理硅光子芯片利用硅材料的光电效应和光波导效应来实现光信号的发射、传输和接收。
它的核心是由光源、光调制器、光波导、光探测器和电子驱动电路等组成的集成电路。
下面将逐一介绍其工作原理。
1. 光源光源是硅光子芯片的起点，它通常采用激光二极管或LED等器件。
激光二极管通过注入电流来激发产生激光，而LED则通过电压作用下的电致发光效应产生光信号。
2. 光调制器光调制器是硅光子芯片的关键组件，用于调制光信号的强度、相位或频率。
常用的光调制器有电吸收调制器和电光调制器。
电吸收调制器利用电流调制材料的吸收光强度来实现光信号的调制，而电光调制器则是利用电场调制材料的折射率来实现光信号的调制。
3. 光波导光波导是硅光子芯片中光信号传输的通道，它可以将光信号沿着特定的路径传输。
硅光子芯片常用的光波导结构有直波导、弯曲波导和耦合波导等。
光波导的结构和尺寸可以根据需要进行设计，以实现不同的功能。
4. 光探测器光探测器是硅光子芯片中光信号的接收器件，用于将光信号转化为电信号。
常用的光探测器有光电二极管和光电晶体管等。
光电二极管通过光生电流效应将光信号转化为电信号，而光电晶体管则是利用光生电流效应和内部放大作用来增强电信号的强度。
5. 电子驱动电路电子驱动电路是硅光子芯片中用于控制光调制器和光探测器的电路，它可以根据需要调节电流、电压和频率等参数。
电子驱动电路的设计和优化对硅光子芯片的性能和功耗有着重要影响。
二、硅光子芯片的关键技术硅光子芯片的实现面临着一些关键技术挑战，下面将介绍其中的几点。
1. 光源集成硅材料本身并不具备直接发光的特性，因此需要将光源与硅光子芯片进行集成。
光通信未来方向 硅光子现状及前景解读
通过一种称之为“多路复用”的技术，IBM的研究员演示了如何使芯片通过单根光纤收发4种不同颜色的红外光信号。
目前，单一链路的传输速率为每秒25Gb，4路一起最高为100Gbps。在这一速度下，一张蓝光碟片中容量为25GB的电影只需两秒即可传输完毕。
来自IBM研究院的一位高管表示，大数据和云端服务的日益普及对计算能力产生了极大的需求，而硅光子技术的大规模商用将会使得半导体行业能够满足这一需求。
4、Intel富士通携手：硅光子服务器诞生
富士通通过与Intel的大力合作，已经成功打造并展示了全球第一台基于Intel OPCIe(光学PCI-E)的服务器，而其中的核心技术就是Intel苦心研发多年的硅光子(Silicon Photonics)。
富士通使用了两台标准的Primergy RX200服务器，各自增加一个Intel硅光子模块，以及一颗Intel专门设计的FPGA芯片。后者负责必要的信号调制工作，通过MXC连接器将PCI-E协议以光信号的形式传输到扩展盒中。
IBM研究院硅光子部门经理威尔·格林（Will Green）表示，采用四路复用技术能够将数据中心的光纤成本降低50%。
光子数目的计算公式
光子数目的计算公式
光子数目的计算公式是根据电磁波的性质推导出来的。
根据量子力学理论，光的能量是以光子的形式存在的，每个光子携带着一定的能量。
因此，光子数目可以用能量来计算。
计算公式如下：
光子数目 = 光的能量 / 光子的能量
其中，光的能量可以通过经典物理学公式E=hf计算得出，其中E表示能量，h为普朗克常数，f为光的频率。
而光子的能量则可以通过E=hf推导得出，其中E表示光子的能量，h为普朗克常数，f为光的频率。
举个例子，假设一束光的频率为5×10 Hz，能量为2×10 J。
那么，光子的能量为E=hf=6.626×10×5×10=3.313×10 J。
因此，光子数目为2×10 J / 3.313×10 J ≈ 0.603×10 = 1。
因此，这束光中有1个光子。
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强度
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波长 0
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Microring谐振器
交叉微环谐振器
1.0
Drop 1 Add Add
Through 2 , 3 , … , n
Normalized amplitude
FSR
0.8
MR ~102 m2 ~ 10 fj/bit (Modulator) ~1 nm Bandwidth (utilizing periodic spectral property)
调制结构：PIN, PN or MOS？
Forward-biased PIN
PIN Modulation efficiency Modulation speed Fabrication process
热光效应：材料的折射率随温度的变化而变化。 在300～600 K，硅在1.55m的热光系数随温度变化的经验公式：
dn 9.45 105 3.47 107 T 1.49 1010 T 2 (K -1 ) dT
等离子体色散效应：材料的折射率和吸收系数随载流子浓度的变化而 变化。
Байду номын сангаас
Wavelength (m)
Input 1
Drop 1
Input 2 , 3 , … , n
m 2 N eff R
7
m 2 N eff R
调制器的光学结构
Mach-Zehnder
Microring
Performance Footprint Power consumption Optical bandwidth Sensitivity to temperature Sensitivity to fabrication imperfection
光开关的光学结构
I1 O2 O2 I2
I2 M-Z
O1
I1 MRR
O1
Mach-Zehnder or Microring? Specifications Footprint Power consumption Bandwidth Limitations for application
9
MZ ~104 m2 ~103 fJ/bit (Modulator) 1~100 nm Footprint and power consumption
21
40 Gb/s Si optical modulator
L=80 m Asymmetic Mach-Zehnder
Reverse-biased PN diode
V·L: 1.28 V.cm; Static ER: 28 dB;
22
40 Gb/s Si optical modulator
L. Liao, Electro. Lett., 43 (2007) 22. (Intel)
Dynamic ER: 1.1 dB; Power consumption:18 pJ/bit.
19
50 Gb/s Silicon optical modulator
D. J. Thomson, IEEE PTL, 24 (2012) 234. (Surrey Univ.)
硅光子学：From 光互连 to 光计算
杨 林
中国科学院半导体研究所集成光电子学 国家重点实验室
1
报告提纲
硅基光子器件：导波、滤波、调制与开关 用于光互连的硅基光子器件及集成 用于光学矩阵运算的硅基光子器件及集成 用于光学逻辑运算的硅基光子器件及集成
2
硅材料的光学特性
250
3.54
16
First ~ 1 Gb/s Si M-Z optical modulator
Asymmetric M-Z interferometer
1 Gb/s
17
A. Liu, Nature 427 (2004) 615-618. (Intel)
First ~ 1 Gb/s Si microring optical modulator?
20
50 Gb/s Silicon optical modulator
P. Dong, Optics Express, 20 (2012) 6163. (Alcatel-Lucent)
Working point: around minimum transmission point; Modulation speed: 50 Gb/s; Phase shifter: 2 mm; V·L: 2.4 V.cm; Driving voltage: 4.5 V; Dynamic ER: 4.7 dB; Power consumption: 2 pJ/bit.
12
光互连、电交换
光互连电交换：光信号通过光/电转换变为电信号，由电控制网络进行路 径选择，然后通过电/光转换变为光信号发送到接收端，延迟大，功耗高。
13
光互连、光交换
光互连、光交换
光互连光交换：采用光电并行网络结构，电控制网络进行路径选择，光 信号无需进行光/电、电/光转换，直接到达接收端，延迟小，功耗低。
Working point: 3 dB quadrature; Modulation speed: 40 Gb/s; Phase shifter: 2 mm; V·L: 1.28 V.cm; Driving voltage: 0.36 V; Dynamic ER: 4.7 dB;
2.0
Power consumption: 32 fJ/bit. can be driven by CMOS circuit directly, which further reduce its power consumption.
250 180 130 90 65 45 32 22
Standard voltage in CMP (V)
0.4 Gb/s
Q. Xu, Nature 435 (2005) 325-327. (Cornell) 18
First 40 Gb/s Si optical modulator?
Modulation speed: 40 Gb/s; Phase shifter: 1 mm; V·L: 4 V.cm; Driving voltage: 6 V;
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
J. J. Ding, GFP (2012) ThP 23. (ISCAS)
3.52
3.50
3.48
3.46
3.44
3.42 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
0.0 -0.2 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
Wavelength (祄 )
Wavelength (祄 )
0.1dB/cm
3
硅材料的调制特性
-10
0 phase shift phase shift
Insertion loss (dB)
-15
工作波长
-30
-45 -20
工作波长
1.51 1.52 1.53
0 phase shift phase shift
1.555 1.565
-25 1.5
Wavelength (m)
1.54
1.55
q 2 2 N e N h 0.8 22 18 1.55m n 2 2 N N 8 . 8 10 8 . 5 10 e h * * m m 8 c 0 n0 ch ce N e N h q 32 8.5 10 18 N e 6.0 10 18 N h 1.55m * 2 * 2 4 2 c 3 0 n0 m m ch h ce e
Working point: 3.2 dB quadrature; Modulation speed: 50 Gb/s; Phase shifter: 1 mm; V·L: 2.8 V.cm; Driving voltage: 6.5 V; Dynamic ER: 2.2 dB; Power consumption: 4.2 pJ/bit.
报告提纲
硅基光子器件：导波、滤波、调制与开关 用于光互连的硅基光子器件及集成 用于光学矩阵运算的硅基光子器件及集成 用于光学逻辑运算的硅基光子器件及集成
11
IBM公司高性能计算机发展路线图
美国DARPA启动多个研究计划（“C2OI”和“UNIC”），国际计算机 巨头Intel、IBM、Google、Oracle等均投巨资开展CPU间光互连的研究。
1.56
1.57
1.58
1.59
1.6
-60 1.525
1.535
Wavelength (m)
1.545
静态光谱（臂长差为0 m）
5
静态光谱（臂长差为200 m）
Microring谐振器
1.0
FSR
0.8
Normalized amplitude
Drop Through
0.6
3dB bandwidth
Drop Through
0.6
3dB bandwidth
0.4
Input 1
Input 2 , 3 , … , n
m 2 N eff R
m 2 N eff R
0.2
平行微环谐振器
Add Through 2 , 3 , … , n Add