硅光电子研究进展(周林杰)
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Z. Chen et al, IEEE Photon. J. 6, 6600111 (2014).
芯片加工和封装
metal pads waveguide p-i-n diode
掩模版图
1.5 mm
7 mm
fiber array
芯片照片
芯片封装
chip PCB
J. Xie et al, Opt. Express 22 (19), 22707 (2014).
采用III-V族工艺实现有源/ 采用CMOS工艺实现无源光子器件和 技术 无源器件 集成电路单片集成 光源 单片集成
混合集成
研发阶段 高密度、大规模集成； 与CMOS工艺兼容，低成本批量生产 同一芯片上实现光电子、微电子集成 发光效率低； 无线性电光效应； 热稳定性能差
状态 成熟
高效光源和探测； 优点 有源和无源集成； 技术相对成熟 成本高； 缺点 CMOS工艺不兼容； InP硅片尺寸小（1’’-3’’）
4x4微环光开关
Benes 拓扑结构
光电集成 • 6 MZIs • 12 Rings • 12 p-i-n diodes • 12 Microheaters • 2 Crossings 尺寸尺寸 3.4 1.6 mm2
4x4光开关测试结果
“000000” 状态 “111111” 状态
• Total TO power: 22.37 mW • Max EO switching power: 1.38 mW
2015年8月13日
12
全光开关
传统光电光转换
下一代全光路由
性能受限于电子瓶颈： • 体积大 • 速度低 • 功耗高
全光开关优点： • 开关节点对波长透明 • 系统更加紧凑 • 速度更高 • 功耗更低
2015/8/13
13
MZI光开关
Benes拓扑结构
MZI单元结构
14
芯片实物照片
芯片显微照片 光纤阵列耦合+引线键合
上海交通大学硅光电子研究进展 周林杰
汇报提纲
硅基光电子发展需求和现状 上海交大研究基础和平台
• 先进电子材料与器件（AEMD）平台 • 光通信器件和芯片测试平台
硅基光电子芯片研究最新进展
• 可调光延迟线 • 无阻塞光开关
• 高速电光调制器
2015/8/13
1
硅光集成的优势
III-V族光电子器件 材料 InP, GaAs SOI 硅基光电子器件
• • •
On-chip insertion loss: 4.0 - 5.8 Worst crosstalk: -18.4 dB Bandwidth: ~35 GHz
16x16微环光开关
10.4 mm
4.6 mm
• •
包含上百个光电元件 芯片测试正在进行中
2015/8/13
21
MZI调制器
调制器结构
•
A reconfigurable optical delay line on a silicon chip has been fabricated by scientists in China. The device designed and built by Jingya Xie and co-workers at Shanghai Jiao Tong University……
2015/8/13 7
无源硅光子器件
微环谐振器
波导
自耦合谐振器
光栅耦合器
微盘谐振器
2015/8/13
8
可调光延迟线
VOA
延迟量 分立调节
DL
2DL
Input switches
… …
#N
2N-1DL Output
#1
#2
N级延迟线：
• 调节范围(2N -1)Dt
• 带宽取决于开关
2x2 MZI switch
实验测试结果
25 Gbps OOK信号
BtB
0 ns (reference)
1.27 ns
2015/8/13
11
Nature Photonics报道
•
成果被Nature子刊Nature Photonics作为Research Highlight (Vol. 8, Nov. 2014) 继2011年研究工作被美国光 学学会Optics & Photonics News报道后，再次受到国际 学术界的关注
Si
Air
Silicon substrate
Silicon substrate
Single-drive push-pull TWE
Thermo-optic phase shifter
器件照片
5 mm
0.9 mm
RF in
RF out
DC bias line
QPSK mod.
• • • •
Fabricated with 180 nm CMOS process QPSK mod size: 5 mm × 0.9 mm TWE terminated with a 50 Ohm resistor DC bias lines wire-bonded to a PCB
QPSK测试
10 ps/div
PPG
高速测试系统
Amp.
OSC
PPG
Delay
CLK
Amp.
DC
GSGSG PCB
Bonding
PD
Laser
PC
MZM
Filter
10 km
EDFA
Filter
OMA
EDFA
MZM
DUT
SMF
64Gb/s QPSK
-10dBm
EVM 24.4%
BER 2.2e-5
Single-drive TWE
传输电极截面图
高速电极设计 • 低微波损耗
•
•
输入阻抗匹配
群速率匹配
调制器实物照片
调制臂长~ 3 mm
• •
MZI臂长差 90 mm 采用分段行波电极减小微波损耗
高速OOK调制
32Gbps OOK调制
50Gbps OOK调制
3dB调制带宽
•
•
18 GHz (Vbias = 0V)
科研和产业规模
硅光论文发表数量
硅光市场规模
2015/8/13
3
硅光企业（2014）
中芯 国际
J. Bowers, OFC, 2015
2015/8/13 4
上海交大AEMD平台建设
先进电子材料与器件（AEMD）平台 是校级公共平台，可进行6英寸硅基 工艺加工，精度可达到nm量级
2013 2012 2011 2015 2014
350 mm
100 mm
15
实验测试结果
片上差损: 5.8 dB – 7.7 dB 串扰 <-12 dBLeabharlann 50Gb/s QPSK星座图
2015/8/13
16
微环光开关
L. Lu et al, Opt. Lett. 39, 1633-1636 (2014).
OOK信号传输测试结果
CT: < -20 dB 功耗：0.69 mW + 2.31 mW 开关速度： < 1 ns 带宽： 60 GHz
33 GHz (Vbias = 6V)
QPSK调制器
3.5 mm
Vrf
P N N+
P+
PS
P+
Light in
N P
V Rload bias
PS
Light out PS
P+
P N
Vrf
N+
N P
Rload Vbias
PS
P+
Al
Oxide
Al
Oxide
p+
p n
n+
Box
n p
p+
Air
n+
Box
AEMD净化室
2015/8/13 5
器件和芯片测试系统
光栅耦合测试系统 光纤阵列耦合封装系统
台式SEM 损耗 色散 分析 系统
2015/8/13
6
下一代全光交换网络节点信息处理
骨干网
旁路信息 75%
网
络
控
制
光交换矩阵 ：输入与输出端口间的无阻塞连接 光缓存/延迟：进行数据同步或解决传输中冲突问题
CMOS工艺流程
硅基工艺和CMOS工艺兼容，可实现低成本、规模化生产
谢 谢！
芯片加工和封装
metal pads waveguide p-i-n diode
掩模版图
1.5 mm
7 mm
fiber array
芯片照片
芯片封装
chip PCB
J. Xie et al, Opt. Express 22 (19), 22707 (2014).
采用III-V族工艺实现有源/ 采用CMOS工艺实现无源光子器件和 技术 无源器件 集成电路单片集成 光源 单片集成
混合集成
研发阶段 高密度、大规模集成； 与CMOS工艺兼容，低成本批量生产 同一芯片上实现光电子、微电子集成 发光效率低； 无线性电光效应； 热稳定性能差
状态 成熟
高效光源和探测； 优点 有源和无源集成； 技术相对成熟 成本高； 缺点 CMOS工艺不兼容； InP硅片尺寸小（1’’-3’’）
4x4微环光开关
Benes 拓扑结构
光电集成 • 6 MZIs • 12 Rings • 12 p-i-n diodes • 12 Microheaters • 2 Crossings 尺寸尺寸 3.4 1.6 mm2
4x4光开关测试结果
“000000” 状态 “111111” 状态
• Total TO power: 22.37 mW • Max EO switching power: 1.38 mW
2015年8月13日
12
全光开关
传统光电光转换
下一代全光路由
性能受限于电子瓶颈： • 体积大 • 速度低 • 功耗高
全光开关优点： • 开关节点对波长透明 • 系统更加紧凑 • 速度更高 • 功耗更低
2015/8/13
13
MZI光开关
Benes拓扑结构
MZI单元结构
14
芯片实物照片
芯片显微照片 光纤阵列耦合+引线键合
上海交通大学硅光电子研究进展 周林杰
汇报提纲
硅基光电子发展需求和现状 上海交大研究基础和平台
• 先进电子材料与器件（AEMD）平台 • 光通信器件和芯片测试平台
硅基光电子芯片研究最新进展
• 可调光延迟线 • 无阻塞光开关
• 高速电光调制器
2015/8/13
1
硅光集成的优势
III-V族光电子器件 材料 InP, GaAs SOI 硅基光电子器件
• • •
On-chip insertion loss: 4.0 - 5.8 Worst crosstalk: -18.4 dB Bandwidth: ~35 GHz
16x16微环光开关
10.4 mm
4.6 mm
• •
包含上百个光电元件 芯片测试正在进行中
2015/8/13
21
MZI调制器
调制器结构
•
A reconfigurable optical delay line on a silicon chip has been fabricated by scientists in China. The device designed and built by Jingya Xie and co-workers at Shanghai Jiao Tong University……
2015/8/13 7
无源硅光子器件
微环谐振器
波导
自耦合谐振器
光栅耦合器
微盘谐振器
2015/8/13
8
可调光延迟线
VOA
延迟量 分立调节
DL
2DL
Input switches
… …
#N
2N-1DL Output
#1
#2
N级延迟线：
• 调节范围(2N -1)Dt
• 带宽取决于开关
2x2 MZI switch
实验测试结果
25 Gbps OOK信号
BtB
0 ns (reference)
1.27 ns
2015/8/13
11
Nature Photonics报道
•
成果被Nature子刊Nature Photonics作为Research Highlight (Vol. 8, Nov. 2014) 继2011年研究工作被美国光 学学会Optics & Photonics News报道后，再次受到国际 学术界的关注
Si
Air
Silicon substrate
Silicon substrate
Single-drive push-pull TWE
Thermo-optic phase shifter
器件照片
5 mm
0.9 mm
RF in
RF out
DC bias line
QPSK mod.
• • • •
Fabricated with 180 nm CMOS process QPSK mod size: 5 mm × 0.9 mm TWE terminated with a 50 Ohm resistor DC bias lines wire-bonded to a PCB
QPSK测试
10 ps/div
PPG
高速测试系统
Amp.
OSC
PPG
Delay
CLK
Amp.
DC
GSGSG PCB
Bonding
PD
Laser
PC
MZM
Filter
10 km
EDFA
Filter
OMA
EDFA
MZM
DUT
SMF
64Gb/s QPSK
-10dBm
EVM 24.4%
BER 2.2e-5
Single-drive TWE
传输电极截面图
高速电极设计 • 低微波损耗
•
•
输入阻抗匹配
群速率匹配
调制器实物照片
调制臂长~ 3 mm
• •
MZI臂长差 90 mm 采用分段行波电极减小微波损耗
高速OOK调制
32Gbps OOK调制
50Gbps OOK调制
3dB调制带宽
•
•
18 GHz (Vbias = 0V)
科研和产业规模
硅光论文发表数量
硅光市场规模
2015/8/13
3
硅光企业（2014）
中芯 国际
J. Bowers, OFC, 2015
2015/8/13 4
上海交大AEMD平台建设
先进电子材料与器件（AEMD）平台 是校级公共平台，可进行6英寸硅基 工艺加工，精度可达到nm量级
2013 2012 2011 2015 2014
350 mm
100 mm
15
实验测试结果
片上差损: 5.8 dB – 7.7 dB 串扰 <-12 dBLeabharlann 50Gb/s QPSK星座图
2015/8/13
16
微环光开关
L. Lu et al, Opt. Lett. 39, 1633-1636 (2014).
OOK信号传输测试结果
CT: < -20 dB 功耗：0.69 mW + 2.31 mW 开关速度： < 1 ns 带宽： 60 GHz
33 GHz (Vbias = 6V)
QPSK调制器
3.5 mm
Vrf
P N N+
P+
PS
P+
Light in
N P
V Rload bias
PS
Light out PS
P+
P N
Vrf
N+
N P
Rload Vbias
PS
P+
Al
Oxide
Al
Oxide
p+
p n
n+
Box
n p
p+
Air
n+
Box
AEMD净化室
2015/8/13 5
器件和芯片测试系统
光栅耦合测试系统 光纤阵列耦合封装系统
台式SEM 损耗 色散 分析 系统
2015/8/13
6
下一代全光交换网络节点信息处理
骨干网
旁路信息 75%
网
络
控
制
光交换矩阵 ：输入与输出端口间的无阻塞连接 光缓存/延迟：进行数据同步或解决传输中冲突问题
CMOS工艺流程
硅基工艺和CMOS工艺兼容，可实现低成本、规模化生产
谢 谢！