【基金標(biāo)書】2011CB301700-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

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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： 2011.1 至 2015.8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(guò)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(guò)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(kù)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 O-E-O器件相比，下降 2-3 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 2-3 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 2-4 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(wèn)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(guò)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(wú)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(guò) 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(wú)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(wèn)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(lái)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 ITU-T 規(guī) 定的 DWDM 波長(zhǎng)上，然后通過(guò)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(lái)解決這一問(wèn)題。第一種方案是通過(guò)載流子色散效應(yīng)來(lái)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(guò)增加復(fù)合中心減小載流子的壽命，消除載流子抽取過(guò)程中的“ 拖尾”現(xiàn)象，提高速度；并通過(guò)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(lái)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 p-i-n 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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(wèn)題可通過(guò)快速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換芯片來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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 SOA-MZI 結(jié)構(gòu)，因其非線性效應(yīng)涉及帶間躍 遷過(guò)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(lái)配合增益調(diào)制和相位調(diào)制過(guò)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(guò)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(guò)深入研究交叉增益/相位調(diào)制過(guò)程中伴隨的超快折射率變化過(guò)程以及所對(duì)應(yīng)的啁啾動(dòng)態(tài)變化過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程，增 強(qiáng) SOA 中包括瞬態(tài)啁啾躍變?cè)趦?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(wú)源器件中各自優(yōu)勢(shì)，在優(yōu)化單元器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擬采用混合集成，用倒裝方式（ flip chip）把 InP 基有源器件嵌入到以無(wú)源器件為主的 Si 基母板上，并采用非對(duì)稱雙波 導(dǎo)技術(shù)制作模斑轉(zhuǎn)換器改善波導(dǎo)間的耦合效率。同時(shí) 探索整片鍵合方式，利用低溫氧等離子輔助晶片鍵合技術(shù)，將 InP 有源結(jié)構(gòu)整片 鍵合到 Si 晶片上。全光時(shí)鐘恢復(fù)芯片：對(duì)于 100GHz 或更高速率的全光 時(shí)鐘恢復(fù)集成芯片，最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是時(shí)間抖動(dòng)（100Gb/s 光傳輸系統(tǒng)要求其均方根 值小于 420fs），其次是幅度抖動(dòng)。本項(xiàng)目提出的多段式自脈動(dòng)激光器，其時(shí)間抖動(dòng)取決于諸多因素，包括與激光器內(nèi)腔膜的相位相關(guān)性，以及腔內(nèi)載 流子和光子的弛豫震蕩等。國(guó)際上有關(guān)超高速時(shí)鐘恢復(fù)集成器件的研究尚處于實(shí)驗(yàn)探索階段，目前還沒(méi)有比較完整的理論，因此首先要在理論上突破，研究激光器模式、光信號(hào)注入 鎖定、載流子與光子相互作用等動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果完善相關(guān)理論，建立模型。要實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)，首先要設(shè)計(jì)自脈動(dòng)頻率為 100GHz 左右、具有注入鎖定功能的自脈動(dòng)激光器。本項(xiàng)目根據(jù)自脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理，擬采用放大反饋激光器結(jié)構(gòu)，該激光器具有 較寬的調(diào)諧范圍（對(duì)我們所研制的 40GHz 放大反饋激光器的測(cè)試結(jié)果表明，其本征自脈動(dòng)頻率具有的調(diào)諧范圍可達(dá) 10GHz 左右），因此有較大的設(shè)計(jì)和制作容差，便于批量化生產(chǎn)。器件由 DFB 區(qū)、相區(qū)和半導(dǎo)體光放大器區(qū)構(gòu)成，器件的自脈動(dòng)頻率與各段的有效折射率和長(zhǎng)度密切相關(guān)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各個(gè)區(qū)的長(zhǎng)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)所要的集成器件的自脈動(dòng)頻率。在此基礎(chǔ)上確定集成器件的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)以及單片集成采用的集成工藝；研究自脈動(dòng)激光器的時(shí)鐘恢復(fù)性能（時(shí)間抖動(dòng)、抵御惡化信號(hào)的能力、 連零碼的碼型效應(yīng)等）與輸入信號(hào)光波長(zhǎng)、偏振態(tài)、碼型的關(guān)系。特 別是針對(duì)時(shí)間抖 動(dòng)，研究其與有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，以及與注入信號(hào)和外部工作條件之間的關(guān)系, 探明注入信號(hào)引起的腔內(nèi)諧振的物理機(jī)制，由此來(lái)指導(dǎo)時(shí)鐘恢復(fù)集成器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。時(shí)鐘恢復(fù)的幅度抖動(dòng)主要是由于注入信號(hào)通過(guò)交叉增益調(diào)制，導(dǎo)致載流子濃度的波動(dòng)而引起。所以幅度抖動(dòng)與注入信號(hào)的碼型以及功率密切相關(guān)。將通過(guò)提高多段激光器腔模相位相關(guān)性，降低拍頻線寬，來(lái)減小時(shí)鐘的幅度抖動(dòng)。在器件制作中，擬采用選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)及具有自主專利技術(shù)的量子阱混雜，實(shí)現(xiàn)DFB 區(qū)以及相位調(diào)節(jié)區(qū)和放大器區(qū)的帶隙波長(zhǎng)偏調(diào)。為了減小不同區(qū)域之間由于折射率的微小差別引起的界面反射對(duì)自脈動(dòng)的擾動(dòng)，擬采用傾斜界面結(jié)構(gòu)，減小界面光的反射。采用折射率耦合光柵和增益耦合光柵相結(jié)合的復(fù)合耦合使DFB 區(qū)具有更穩(wěn)定的激射模式，以實(shí)現(xiàn)更好的自脈動(dòng)性能。 為減小偏振依賴性，激光器的有源區(qū)材料擬采用漸變張應(yīng)變結(jié)構(gòu)，即以無(wú)應(yīng)變的 1550nm 厚體材料為中心層，以張應(yīng)變量逐漸增大而厚度逐層減?。ㄒ孕∮谥饘拥膹椥孕巫兣R界厚度為準(zhǔn)）的方式向兩邊對(duì)稱擴(kuò)展，或者采用壓應(yīng)變的量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料相混和做有源區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)注入光信號(hào)的偏振不靈敏。通過(guò)改變量子阱的數(shù)量/應(yīng)變以及光子限制層來(lái)研究時(shí)鐘恢復(fù)的時(shí)間抖動(dòng)與材料之間的關(guān)系，并從理論上來(lái)加以分析驗(yàn)證。以此來(lái)指導(dǎo)器件的優(yōu)化。為進(jìn)一步改善時(shí)間抖動(dòng)，將探索研究含可飽和吸收體的多段式激光器，確保器件的時(shí)間抖動(dòng)滿足 100Gb/s 的要求。該器件用于時(shí)鐘恢復(fù)的基本原理是碰撞脈沖鎖模，在高速工作時(shí)可以 實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)的時(shí)鐘恢復(fù)。要實(shí)現(xiàn) 100G 高速時(shí)鐘恢復(fù)，須對(duì)飽和吸收區(qū)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，盡量減小吸收區(qū)的長(zhǎng)度，降低電容來(lái)提高頻率；在可飽和吸收區(qū)的材料設(shè)計(jì)方面，可在有源區(qū)量子阱材料中加入應(yīng)變或者摻入雜質(zhì)來(lái)減小載流子掃出時(shí)間，從而獲得窄脈沖， 實(shí)現(xiàn) 高速率。探索采用低 維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)做有源區(qū)材料，量子點(diǎn)中由于較強(qiáng)的四波混頻效應(yīng)，增強(qiáng)了激射模式的相關(guān)性，使量子點(diǎn)模式鎖定激光器具有窄的拍頻線寬，從而實(shí)現(xiàn)更低時(shí)間抖動(dòng)的時(shí)鐘。這種方案具有實(shí)現(xiàn)起來(lái)相 對(duì)簡(jiǎn)單、 時(shí)延抖動(dòng)小的特點(diǎn)，它的不足是拍頻頻率調(diào)諧困難，工藝容差相對(duì)較 小，需要從原理和工 藝上深入研究，探索括展調(diào)諧范圍的方法。通過(guò)以上技術(shù)方案的實(shí)施， 實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率?100GHz 、時(shí)間抖動(dòng)?200fs的全光時(shí)鐘恢復(fù)器件。全光 2R/3R 再生芯片：基于 SOA 的 XGM/XPM 效應(yīng)實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 信號(hào) 3R再生存在較嚴(yán)重的碼型效應(yīng)， 為此，本 項(xiàng)目將從機(jī)理上深入研究半導(dǎo)體功能材料、器件中傳輸光波與載流子非線性相互作用的一般規(guī)律，特別是器件中光生載流子動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致的折射率變化及其對(duì)光波特性的影響；為解決碼型效應(yīng)問(wèn)題，本項(xiàng)目采用 XGC（交叉增益壓縮）改善信號(hào)質(zhì)量。將輸入信號(hào)分成兩路，其中一路與恢復(fù)的高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào)通過(guò) SOA 的 XGM 效應(yīng)獲得反碼（一般含有較嚴(yán)重的碼型效應(yīng)）。然后將這路信號(hào)與另一路輸入信號(hào)同時(shí)注入至第二個(gè) SOA，這樣進(jìn)入 SOA 的信號(hào)光功率幾乎是恒定的，利用兩束光信號(hào)之間的超快 XPM 等非線性作用，輔以 SOA 中的 XGC 克服載流子壽命（有限恢復(fù)時(shí)間）引起的碼型效應(yīng)，改善光判決門的平坦度、邊帶 陡降程度。探索采用低維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)縮短 SOA載流子恢復(fù)時(shí)間、改善動(dòng)態(tài) 特性， 實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 的交叉增益壓縮。鑒于 EAM（電吸收調(diào)制器）較 SOA 具有所需的載流子濃度低、恢復(fù)時(shí)間快，碼型效應(yīng)小特點(diǎn)，可采用 EAM-MZI 作為高速光判決 門，來(lái)實(shí)現(xiàn)全光 3R 再生。此方案的基本原理是利用 EAM 中交叉飽和吸收效應(yīng)導(dǎo) 致傳輸光的非線性相位變化而實(shí)現(xiàn)，利用 MZI 結(jié)構(gòu)將此相位轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化，結(jié)合本項(xiàng)目研究的時(shí)鐘恢復(fù)功能，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)光信號(hào)的判決（相當(dāng)于“與 ”的功能）。相比于 SOA，該器件的相移特性還可以在電信號(hào)的控制下改變，從而增加了這種結(jié)構(gòu)的靈活性和可重構(gòu)性。為了增強(qiáng)半導(dǎo)體材料中光子－載流子相互作用，將針對(duì)量子阱材料和結(jié)構(gòu)對(duì)激子吸收的影響進(jìn)行深入研究，揭示材料特性與非線性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律，實(shí)現(xiàn) 非線性效應(yīng)選擇 性增強(qiáng)或控制，減少 對(duì)注入功率的要求，提高工作速率、降低功耗。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和帶隙偏調(diào)技術(shù)，增加激子吸收效應(yīng)，降低光吸收飽和功率，減小載流子逃逸 時(shí)間，從而在低光功率條件下獲得高非線性效應(yīng)。在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)混合集成方式實(shí)現(xiàn)全光再生芯片。在多波長(zhǎng) 2R 再生方面, 擬通過(guò)周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中摻入功能材料（比如磁光材料），實(shí)現(xiàn)左、右旋偏振態(tài)之間的周期性轉(zhuǎn)換, 從而改變光子帶隙結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)通過(guò)引入適當(dāng)?shù)钠?，可?強(qiáng)波導(dǎo)的可調(diào)性并提高非線性效應(yīng)，從而降低輸入信號(hào)的閾值功率，有效減少系 統(tǒng)功耗。通 過(guò)分析、計(jì) 算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，建立相應(yīng)的理論模型，來(lái)確定最佳偏置方式。利用這種摻雜周期波 導(dǎo)帶隙結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波特性，控制不同波長(zhǎng)的色散，可抑制不同波長(zhǎng)信道之間 的交叉相位調(diào)制，從而 實(shí)現(xiàn)高速、多波長(zhǎng)全光 2R 再生。全光碼型變換芯片：在研究有源波導(dǎo)中載流子與光子相互作用、載流子與聲子相互作用過(guò)程與半導(dǎo)體能帶形狀關(guān)系的基礎(chǔ)上，探索量子阱/量子點(diǎn)材料、器件結(jié)構(gòu)以及工作條件對(duì)有源波導(dǎo)中帶間過(guò)程和帶內(nèi)過(guò)程引起非線性效應(yīng)的影響，以此探明加快載流子恢復(fù)和增強(qiáng)超快非線性效應(yīng)的途徑。借鑒電信號(hào)處理中的分析方法，分析有源波導(dǎo)中的各種非線性作用過(guò)程與信號(hào)光譜變換的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析不同濾波過(guò)程對(duì)信號(hào)光譜變換的作用，通過(guò)優(yōu)化濾波過(guò)程， 實(shí)現(xiàn)高速的碼型變換。針對(duì)多信道碼型變換的要求， 對(duì)有源波導(dǎo)的增益和折射率變化譜進(jìn)行優(yōu)化選擇，增強(qiáng)控制光對(duì)有源波導(dǎo)的影響，抑制多信道之間的相互調(diào)制， 實(shí)現(xiàn)高速的多信道碼型變換功能。在優(yōu)化單元器件結(jié)構(gòu)（InP 基有源波導(dǎo)和 Si 基延時(shí) 干涉儀等）的基礎(chǔ)上，深入研究材料帶隙漂移的內(nèi)在機(jī)理，探索量子阱混雜和選擇性外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同帶隙半導(dǎo)體材料的單片集成。利用半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀形成的梳狀濾波器相結(jié)合，精確控制延時(shí) 干涉儀的延時(shí)差和相位差，使得梳狀傳輸譜的梳狀間隔與輸入的信道間隔相對(duì)應(yīng)并有適當(dāng)?shù)钠?，?shí)現(xiàn) 100Gb/s 甚至更高速率的多信道全光碼型轉(zhuǎn)換。同時(shí)利用 對(duì)應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)多信道高階調(diào)制信號(hào)的碼型轉(zhuǎn)換或者相位再生。創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 面向下一代信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的光子信息處理器件必須是高速、多波長(zhǎng)、低功耗和集成化，本項(xiàng)目針對(duì)這一需求提出了相 應(yīng)研究方案和實(shí)現(xiàn)方法，具有如下創(chuàng)新和特色：1） 在增強(qiáng)光子-載流子超快相互作用、加快載流子恢復(fù)方面提出新機(jī)理和新方法，把器件速度提高至 100G(b/s 或 Hz)以上，包括：? 通過(guò)優(yōu)化量子阱材料（阱和壘的個(gè)數(shù)、尺寸以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)變）和器件結(jié)構(gòu)（引入載流子庫(kù)層等），增強(qiáng)載 流子和光子的相互作用，加快載流子的恢復(fù)。? 采用基于交叉增益壓縮的新方法，有效消除有源器件中載流子有限恢復(fù)時(shí)間造成增益波動(dòng)而導(dǎo)致的碼型效應(yīng)。? 在光開關(guān)器件中提出新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和調(diào)諧方式，并通過(guò)反向偏置 p-i-n 二極管減少載流子存儲(chǔ)和釋放時(shí)間，使開關(guān)速度達(dá)到 10 ps 量級(jí)。 2） 通過(guò)非線性效應(yīng)的增強(qiáng)和選擇性調(diào)控，提高器件的靈活可控性，降低功耗，包括：? 提出采用能帶剪裁的方法，結(jié)合混合應(yīng)變量子阱新結(jié)構(gòu)，優(yōu)化能帶形狀，改變載流子與聲子以及載流子與光子相互作用時(shí)間，增強(qiáng)半導(dǎo)體材料中的帶內(nèi)躍遷過(guò)程，從而達(dá)到增強(qiáng)非線性效應(yīng)的目的，減小 輸入光或控制光的功率，降低器件功耗。? 采用選擇性諧振耦合增強(qiáng)提高硅基波導(dǎo)器件的等離子色散效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光信道的高速、低功耗切換；提出采用硅 -電光聚合物復(fù)合波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)非線性效應(yīng)，增加開關(guān)消光比，提高工作速度，降低開關(guān)器件功耗。? 針對(duì)全光緩存中延時(shí)帶寬乘積和延遲量大幅度連續(xù)可調(diào)的應(yīng)用需求，采用多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制微環(huán)結(jié)構(gòu)的模式分裂，大幅度提高延時(shí)帶寬積；采用注入載流子方式調(diào)節(jié)諧振器 Q 值 和微 環(huán)間耦合，通 過(guò)超諧振模式的重組實(shí)現(xiàn)延遲量的大范圍連續(xù)可調(diào)。? 采用多段靈活可控的時(shí)鐘恢復(fù)集成器件新結(jié)構(gòu)，提高雙模頻率差、雙模強(qiáng)度方面的調(diào)節(jié)靈活性，增加 調(diào)諧范圍。? 針對(duì) DWDM 應(yīng)用需求，采用半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)多信道的碼型轉(zhuǎn)換；在周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中摻入功能材料，改 變光子帶隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制不同波長(zhǎng)的色散，抑制不同波 長(zhǎng)信道之間的交叉相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)全光 2R再生。3） 針對(duì)不同材料和應(yīng)用，靈活采用單片集成、混合集成工藝，實(shí)現(xiàn)高性能集成芯片，包括：? 根據(jù) CMOS 工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì) Si 基集成器件，充分利用 CMOS 成熟工藝，使器件具有借助國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線進(jìn)行批量制備的潛力。? 采用選擇區(qū)域生長(zhǎng)結(jié)合量子混雜技術(shù)在 InP 襯底上靈活得到高質(zhì)量、大范圍的多種帶隙波長(zhǎng)量子阱材料，制 備具有不同功能和結(jié)構(gòu)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(shì)，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗光子信息處理集成芯片。課題設(shè)置：本項(xiàng)目根據(jù)研究?jī)?nèi)容和研究目標(biāo)，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(diǎn)，各參與 單位的研究條件、優(yōu)勢(shì)和特色， 設(shè)置五個(gè)課題。課題 1、選擇性諧振耦合增強(qiáng)機(jī)理及光交換與光緩存集成芯片研究預(yù)期目標(biāo)：? 建立微納尺寸硅基波導(dǎo)和復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光的模式傳播、 選擇性諧振耦合與快速調(diào)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(biāo)準(zhǔn)化光子器件庫(kù)和設(shè)計(jì)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；? 研制出具有數(shù)字式波長(zhǎng)選擇功能的光交換芯片，切換時(shí)間在 10ps 量級(jí)，矩陣規(guī)模為 16?16（可重構(gòu)無(wú)阻塞），信道串 擾? -20dB，功耗? 100 fJ/bit；研制出大延時(shí)帶寬積的級(jí)聯(lián)微環(huán)緩存原型器件，延 遲達(dá) 1ns 量級(jí)，連續(xù)可調(diào)。研究?jī)?nèi)容：? 研究微納尺寸 SOI 波導(dǎo)和新型硅－聚合物復(fù)合波導(dǎo)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(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)字式波長(zhǎng)選擇交換的機(jī)理、 結(jié)構(gòu)和關(guān) 鍵參數(shù)；研究高速、低功耗、可重構(gòu)無(wú)阻塞光交換矩陣的設(shè)計(jì)方法；? 研究基于光子能帶理論的光延遲新機(jī)理和增大延遲帶寬積的新方法；研究多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列中超諧振模式重組以及通過(guò)注入載流子等方式實(shí)現(xiàn)延遲量大范圍連續(xù)可調(diào)的方法；? 研究通過(guò)波導(dǎo)尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高速光子學(xué)器件與高頻電學(xué)驅(qū)動(dòng)的匹配和集成化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)等離子色散和光學(xué)非線性效應(yīng)，提高工作速率，降低驅(qū)動(dòng)電壓 和功率，減少串?dāng)_和偏振相關(guān)性損 耗；研究采用硅－聚合物復(fù)合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控的方法；? 研究 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝制作光交換和光緩存芯片時(shí)，SOI 光子回路與結(jié)構(gòu)間的光學(xué)耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處 理方法，光學(xué)波 導(dǎo)與電學(xué)工藝兼容等問(wèn)題。經(jīng)費(fèi)比例：26.7%承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所課題負(fù)責(zé)人：陳建平學(xué)術(shù)骨干：李智勇、周林杰、葉通、李運(yùn)濤、余金中、李新碗課題 2、受迫諧振模式控制機(jī)理及時(shí)鐘恢復(fù)集成芯片研究預(yù)期目標(biāo)：? 揭示半導(dǎo)體量子阱與量子點(diǎn)材料及半導(dǎo)體集成器件中光子－載流子超快相互作用的動(dòng)力學(xué)規(guī)律；建立能實(shí)現(xiàn)靈活能帶剪裁的 InP 基單片集成技術(shù)平臺(tái)；? 研制出多段自脈動(dòng)時(shí)鐘恢復(fù)芯片，恢復(fù) 時(shí)鐘的頻 率?100GHz，頻率調(diào)諧范圍>10GHz ，時(shí)間抖動(dòng) ?200 fs，功耗?200fJ/b。研究?jī)?nèi)容：? 研究多段自脈動(dòng)激光器的材料、 結(jié)構(gòu)等特征參數(shù)與器件本征 諧振頻率(自脈 動(dòng)頻 率)之間的關(guān)系及其受控特性，研究 實(shí)現(xiàn)自脈動(dòng)頻率大范圍調(diào)諧的機(jī)制，建立完整理論模型；? 研究多段自脈動(dòng)激光器中光波模式之間的增益、折射率調(diào)制效應(yīng)，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(hào)波長(zhǎng)、偏振態(tài)、 碼型（特別是長(zhǎng)零碼）對(duì) 注入鎖定過(guò)程的影響；? 研究恢復(fù)時(shí)鐘的時(shí)間抖動(dòng)與激光器內(nèi)腔膜的相位、腔內(nèi) 載流子和光子的弛豫震蕩等之間的內(nèi)在關(guān)系，研究注入 載流子濃度波動(dòng)引起時(shí)鐘幅度抖動(dòng)的機(jī)理以及通過(guò)提高多段激光器腔模相位相關(guān)性減小幅度抖動(dòng)的方法；? 研究利用量子阱混雜和選擇區(qū)域外延、 對(duì)接生長(zhǎng) 等方法，解決有源器件和無(wú)源器件的單片集成問(wèn)題。經(jīng)費(fèi)比例：19.6%承擔(dān)單位：北京郵電大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所課題負(fù)責(zé)人：趙玲娟學(xué)術(shù)骨干：王圩、洪小斌、林金桐、程遠(yuǎn)兵、周代兵課題 3、超快非線性光控光機(jī)理及全光 2R/3R 再生集成芯片研究預(yù)期目標(biāo)：? 建立 100Gb/s 光 2R/3R 再生理論體系和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證本項(xiàng)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(shè)計(jì)和制作方案；? 實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 惡化信號(hào)的 3R 再生， 惡化信號(hào)再生后誤碼率<10 -9，功耗 <1pJ/b；實(shí)現(xiàn)多波 長(zhǎng) 2R 再生，工作速率 ?100Gb/s，信道數(shù)?8，惡化信號(hào)再生后誤碼率<10 -9，功耗 <500fJ/b。研究?jī)?nèi)容：? 研究半導(dǎo)體集成器件中載流子和光子相互作用的動(dòng)力學(xué)規(guī)律和超快非線性效應(yīng)的增強(qiáng)和控制；研究利用器件中光致超快非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)判決的新機(jī)理，研究利用交叉增益壓縮來(lái)改善再生信號(hào)質(zhì)量的機(jī)制；研究利用上述光判決門以及本項(xiàng)目研制的時(shí)鐘恢復(fù)等器件實(shí)現(xiàn)全光 3R 再生；? 研究量子阱材料和結(jié)構(gòu)對(duì)激子吸收的影響，揭示材料特性與非線性效應(yīng)關(guān)聯(lián)的內(nèi)在規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加激子吸收效應(yīng)，降低光吸收 飽和功率，減小載流子逃逸時(shí)間，從而在低光功率條件下獲得高非線性效應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，研制出全光 3R 再生集成器件；? 研究無(wú)源非線性周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中電磁耦合特性和光子能帶工程，研究摻雜和光學(xué)偏置提高非線性效應(yīng)、降低閾值功率的機(jī)理；研究無(wú)源非線性介質(zhì)中色散控制對(duì)多信道之間交叉相位調(diào)制的影響，無(wú)源非線性介質(zhì)與梳狀濾波相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高速、多波長(zhǎng)全光 2R 再生的新機(jī)理。經(jīng)費(fèi)比例：17.8%承擔(dān)單位：清華大學(xué)、電子科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：婁采云學(xué)術(shù)骨干：武保劍、許渤、邱昆、章恩耀課題 4、超快光譜變換與控制機(jī)制及多信道全光碼型變換集成芯片研究預(yù)期目標(biāo)：? 揭示半導(dǎo)體有源波導(dǎo)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(yīng)與信號(hào)光譜精確變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 建立完善的器件機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論分析物理模型；? 研究出半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀的混合集成原型器件，實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制格式（NRZ、RZ、DPSK 、DQPSK 等）之間的轉(zhuǎn)換 ；工作速率 100Gb/s，信道數(shù)?8， 誤碼率小于 10-9，功耗 500fJ/b。研究?jī)?nèi)容：? 研究混合應(yīng)變量子阱、量子點(diǎn) 結(jié)構(gòu)特性參數(shù)與載 流子變化動(dòng)態(tài)特性及超快非線性效應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律，探索從材料、結(jié) 構(gòu)和工作條件等方面改善高速動(dòng)態(tài)特性、增 強(qiáng)超快非線性效應(yīng)的方法；? 研究新型半導(dǎo)體材料及功能結(jié)構(gòu)中非線性效應(yīng)選擇性增強(qiáng)的機(jī)理，研究光致非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)光譜精確變換的機(jī)理和物理模型；? 研究高階調(diào)制碼型（DPSK 、DQPSK、QAM 等）和 NRZ/RZ 之間的變換；研究高階調(diào)制碼型轉(zhuǎn)換中的相位再生問(wèn)題；研究半導(dǎo)體有源波導(dǎo)與梳狀濾波相結(jié)合實(shí)現(xiàn)超高速多波長(zhǎng)常用碼型和高階調(diào)制碼型變換；? 研究 InP 基半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀的單片集成結(jié)構(gòu)和制作工藝，研究延時(shí)干涉儀中延時(shí)量的精確控制和相位差的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多信道碼型轉(zhuǎn)換集成芯片。經(jīng)費(fèi)比例：17%承擔(dān)單位：華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所課題負(fù)責(zé)人：張新亮學(xué)術(shù)骨干：余宇、董建績(jī)、黃德修、周靜濤、張軒雄課題 5、瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理及可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成芯片研究預(yù)期目標(biāo)：? 建立功能集成材料中瞬態(tài)啁啾躍變和載流子注入調(diào)諧非線性增強(qiáng)的理論模型；? 研制出快速可調(diào)諧全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換芯片，工作速率?100Gb/s ，調(diào)諧速度 ns量級(jí)， 調(diào)諧 范圍 40nm，功耗<500fJ/b 。研究?jī)?nèi)容：? 研究功能材料（量子阱/量子點(diǎn)/體材料）和結(jié)構(gòu)對(duì)非線性啁啾躍變和折射率變化的影響，揭示材料結(jié)構(gòu)與非線性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律及增強(qiáng)非線性的機(jī)理；? 研究采用瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理實(shí)現(xiàn)超高速波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)和集成解決方案；? 研究采用載流子注入實(shí)現(xiàn)高速調(diào)諧新結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)諧及波長(zhǎng)穩(wěn)定的新方法；? 研究采用 InP 基和 Si 基混合集成方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧 波長(zhǎng)變換集成芯片制作工藝，研究混合集成中的有源和無(wú)源功能器件的集成、材料兼容問(wèn)題、模式調(diào)諧與穩(wěn)定、波長(zhǎng)精確控制、 熱擴(kuò)散和能耗控制等問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成器件原型。經(jīng)費(fèi)比例：18.9%承擔(dān)單位：上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：劉永學(xué)術(shù)骨干：鄒衛(wèi)文、林媛、張尚劍、吳龜靈各課題間相互關(guān)系：上述五個(gè)課題覆蓋了未來(lái)光子信息處理集成器件和技術(shù)領(lǐng)域需要解決的三個(gè)基本科學(xué)問(wèn)題。各課題既有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)成了如圖 5 所示的有機(jī)整體，共同解決下一代光網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)中的交換和再生問(wèn)題。課題研究目標(biāo)所設(shè)定的超高速、低功耗光子信息處理集成芯片和技術(shù)將為提升我國(guó)信息技術(shù)科技水平、在信息網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點(diǎn)提供技術(shù)支撐。圖 5. 項(xiàng)目目標(biāo)、科學(xué)問(wèn)題與課題設(shè)置之間的關(guān)系四、年度計(jì)劃年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo)第一年1) 項(xiàng)目啟動(dòng)，開展深入 調(diào)查研究，分析國(guó)內(nèi)外光通信骨干網(wǎng)及其關(guān)鍵支撐器件的發(fā)展趨勢(shì)， 進(jìn)一步明確項(xiàng)目定位和目標(biāo)；2) 圍繞超高速、低功耗，系統(tǒng)地開展集成化光子信息處理器件理論研究；3) 研究光電子器件設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，初步建立 InP 基和硅基光子信息處理集成芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)；4) 完成基本功能和單元器件的設(shè)計(jì)，開展相關(guān)工藝和制備研究； 5) 召開年度總結(jié)會(huì)議， 檢查各課題進(jìn)展情況，落實(shí)下年度工作計(jì)劃。1) 在提高光子信息處理集成芯片工作速度、降低功耗的理論研究方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，提出能夠有效指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)的新機(jī)理和新方法；2) 建立 InP 基和硅基光子信息處理集成芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì) 并制備基本功能和單元器件；3) 在理論工作取得突破的基礎(chǔ)上發(fā)表學(xué)術(shù)論文 50-60 篇。第二年1) 深入開展光子信息處理集成器件理論研究，通過(guò) 模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，驗(yàn)證項(xiàng)目所提出的新機(jī)理和新方法的有效性，完善光子信息處理集成芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)；2) 全面開展光子信息處理集成器件的設(shè)計(jì)工作，完成首批器件的制備工作（包括借助國(guó)內(nèi) CMOS 工藝線進(jìn)行流片）；3) 進(jìn)行器件性能測(cè)試， 對(duì)比項(xiàng)目目標(biāo)，分析優(yōu)勢(shì)與不足；總結(jié)兩年來(lái)的工作，提出后三年工作規(guī)劃；4) 根據(jù)科技部安排，召開項(xiàng)目中期檢查會(huì)議，根據(jù)各課題進(jìn)展情況以及專家和科技部意見，落 實(shí)后三年計(jì)劃和下年度工作。1) 完善光子信息處理集成芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)；完成首批器件的設(shè)計(jì)和制備，工作速度達(dá)到 40G/s 以上，功耗接近項(xiàng)目目標(biāo)所規(guī)定的量級(jí)，其他指標(biāo)達(dá)到或接近項(xiàng)目目標(biāo)；2) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60-80 篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 4-6項(xiàng)；3) 完成項(xiàng)目中期檢查。年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目 標(biāo)第三年1) 根據(jù)器件測(cè)試數(shù)據(jù)，在總結(jié)前階段工作基礎(chǔ)上，進(jìn) 一步完善光電子器件設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，建成 InP 基和硅基光子信息 處理集成芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)；2) 開展項(xiàng)目研究目標(biāo)所規(guī)定的光子信息處理集成器件的設(shè)計(jì)工作，包括：光開關(guān)矩陣芯片，光緩存芯片、光 時(shí)鐘恢復(fù)芯片、光碼型轉(zhuǎn)換芯片、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換芯片和全光 2R/3R 再生系統(tǒng)，開展器件制備的前期制備工作，部分器件進(jìn)行工藝制備；3) 搭建超高速光子信息處理測(cè)試平臺(tái)；研究光子信息處理集成芯片的封裝技術(shù)，解決常規(guī)光纖和微納光波導(dǎo)之間的高效耦合。1) 完成項(xiàng)目的主要理論工作，在國(guó)際高水平刊物上發(fā)表論文 40-60 篇，在本領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文，包括邀請(qǐng)報(bào)告；2) 完成項(xiàng)目器件的設(shè)計(jì)工作，通過(guò)模擬仿真，驗(yàn)證器件性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求；3) 完成部分器件制備，給出光子信息處理集成芯片評(píng)價(jià)體系，搭建 100Gb/s測(cè)試平臺(tái)；4) 申請(qǐng)發(fā)明專利 4-6 項(xiàng)；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、長(zhǎng)江等人才計(jì)劃。第四年1) 進(jìn)行項(xiàng)目各類器件的制備（包括基于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的流片）；2) 開展器件性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，完善設(shè)計(jì)方法和工藝流程；對(duì)未到達(dá)設(shè)計(jì)要求的器件，在修改、完善設(shè)計(jì)方法和工藝流程的基礎(chǔ)上，完成項(xiàng)目器件的最終設(shè)計(jì)和制備；3) 初步建立光交換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和光再生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證部分器件的性能。1) 完成項(xiàng)目主要器件的制備；2) 完成器件的性能測(cè)試，主要指標(biāo)到達(dá)或接近本任務(wù)書要求：速度100Gb/s，功耗 ≤1pJ/b；3) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60-80 篇，申請(qǐng)發(fā)明專利 4-6 項(xiàng)；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、 長(zhǎng)江等人才計(jì)劃。年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目 標(biāo)第五年1) 全面完成項(xiàng)目各項(xiàng)任務(wù)，包括理論工作和器件制備、性能測(cè)試；2) 進(jìn)行器件功能的實(shí)驗(yàn)演示和驗(yàn)證；3) 總結(jié)項(xiàng)目研究工作，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)一步工作提出建議；4) 在科技部統(tǒng)一規(guī)劃下，完成項(xiàng)目驗(yàn)收工作。1) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60-80 篇，申請(qǐng)發(fā)明專利 3-5 項(xiàng)；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、長(zhǎng)江等人才計(jì)劃；2) 全面完成項(xiàng)目各項(xiàng)研究工作，指標(biāo)達(dá)到本任務(wù)書要求；3) 完成項(xiàng)目總結(jié)和結(jié)題驗(yàn)收工作；對(duì)下階段發(fā)展提出建設(shè)性意見。一、研究?jī)?nèi)容在下一代光通信骨干網(wǎng)絡(luò)中，光子信息處理主要是實(shí)現(xiàn)信息交換和信號(hào)再生兩大功能，前者需要光交換 矩陣、光 緩存和可調(diào)諧波 長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 等器件和技術(shù)，后者需要時(shí)鐘恢復(fù)、 碼型轉(zhuǎn)換和 2R/3R 再生等器件和技術(shù)，如 圖 4 所示。圖中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)?DWDM 光信號(hào)進(jìn)入光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)的再生和交 換。對(duì)時(shí)鐘分量很弱或不適合直接進(jìn)行光信號(hào)處理的碼型，需要先 進(jìn) 行碼型轉(zhuǎn)換。在碼型轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘恢復(fù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn) 光信號(hào)的 2R/3R 再生，以便于 進(jìn)一步交換和傳輸。光開關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)信號(hào)的路由和交換，緩存可以解決沖突競(jìng) 爭(zhēng)的問(wèn)題，可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可以提高交換的靈活性， 進(jìn)一步降低阻塞率。再生和交 換之后的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)拇a型，在光纖線 路中繼續(xù)傳輸?？紤]到骨干網(wǎng)普遍采用 DWDM 技術(shù)，以及今后將會(huì)采用高階調(diào)制方式提高傳輸性能和（在波特率不變的情況下）單信道傳輸容量，碼型轉(zhuǎn)換和 2R 再生等器件必須具備多信道以及高階碼型的轉(zhuǎn)換和再生能力。本項(xiàng)目將結(jié)合下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大需求和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，借鑒相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)積累，充分發(fā)揮參與 單位的優(yōu)勢(shì)和工作基礎(chǔ)，在突破關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，圍繞 交換和再生兩大應(yīng) 用目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)超高速、低功耗、集成化的光子信息處理器件。具體的研究?jī)?nèi)容包括：（1）高速大容量光交換矩陣基礎(chǔ)技術(shù)及芯片研究高速、低功耗數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換矩陣：研究微納尺寸 SOI 波導(dǎo)和新型硅圖 4. 下一代網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)光子信息處理功能結(jié)構(gòu)示意圖－聚合物復(fù)合波導(dǎo)中光的傳播特性和模式耦合特征；研究采用等離子色散效應(yīng)、硅－聚合物復(fù)合波導(dǎo)電光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)硅基波導(dǎo)折射率的高速調(diào)節(jié)；研究采用波長(zhǎng)選擇性諧振耦合增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字式波長(zhǎng)選擇 2?2 光開關(guān)基本單元的機(jī)理和設(shè)計(jì)方法；研究 SOI 高速光子器件高密度集成的熱效應(yīng)問(wèn)題，以及采用硅－聚合物復(fù)合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控的途徑；研究通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)等離子色散效應(yīng)和硅－聚合物復(fù)合波的非線性效應(yīng)，降低驅(qū)動(dòng)電壓和功率，減少串?dāng)_和偏振相關(guān)性損耗；研究大規(guī)模高速、低功耗、可重構(gòu)無(wú)阻塞光交換矩陣的設(shè)計(jì)方法；研究采用 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝制作光交換芯片時(shí) SOI 光子回路結(jié)構(gòu)間的光學(xué)耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處理方法，光學(xué)波 導(dǎo)與集成電路工藝兼容，高速光子學(xué)器件與高頻電學(xué)驅(qū)動(dòng)的匹配等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換芯片。ns 量級(jí)連續(xù)可調(diào)硅基光緩存：研究光波在 SOI 微納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播和耦合特征；研究基于光子能帶理論的光延遲新機(jī)理；研究具有超大延時(shí)帶寬積、延遲量大范圍（ns 量級(jí)）連續(xù)可調(diào)的多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)；研究多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列中的超諧振模式特征以及通過(guò)注入載流子等方式對(duì)超諧振模進(jìn)行重組的方法，實(shí)現(xiàn)延遲量大范 圍連續(xù)調(diào)節(jié)；研究利用該可調(diào)光緩存芯片與高密度集成的 SOI 光延遲線級(jí)聯(lián)， 實(shí)現(xiàn)大容量緩存的方法；研究電子束光刻以及深紫外光刻、等離子體干法刻蝕等 CMOS 工藝制備硅基低損耗微納光波導(dǎo)和微環(huán)諧振器的工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有超大延 遲量的連續(xù)可調(diào)硅基微環(huán)諧振腔光緩存芯片。高速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換：研究 SOA 中載流子和增益的超快非 線性效應(yīng)與折射率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及相 應(yīng)的啁啾動(dòng)態(tài)過(guò)程；研究功能材料和結(jié)構(gòu)（量子阱/量子點(diǎn)/ 體材料）對(duì)非線性啁啾躍變和折射率變化的影響，揭示材料結(jié)構(gòu)與非線性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律及增強(qiáng)非線性啁啾的機(jī)理，建立超快理論模型。研究通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，增強(qiáng)超快非 線性效應(yīng)；研究采用瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理實(shí)現(xiàn)超高速波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的新方案及方案的優(yōu)化；并研究?jī)?yōu)化后的方案在集成環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)途徑；研究采用注入載流子實(shí)現(xiàn)高速、低功耗 調(diào)諧的新結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)大調(diào)諧范圍和波長(zhǎng)穩(wěn)定的新方法；研究采用 InP 基和 Si 基混合集成方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成芯片的實(shí)現(xiàn)方法和制作工藝，研究混合集成中有源和無(wú)源功能器件的集成、材料兼容問(wèn)題、模式調(diào)諧與穩(wěn)定、波長(zhǎng)精確控制、熱擴(kuò)散和能耗控制等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成芯片。（2）高速多信道光信號(hào)再生基礎(chǔ)技術(shù)和芯片研究高速全光時(shí)鐘恢復(fù)：研究集成器件材料、結(jié)構(gòu)等特征參數(shù)與器件本征諧振頻率(自脈 動(dòng)頻率) 之間的關(guān)系及其受控特性；研究多段自脈動(dòng)激光器中光波模式之間的增益、折射率調(diào)制效應(yīng)，外界光注入情況下光波模式的受迫諧振、相位同步及鎖定規(guī)律，以及產(chǎn)生注入鎖定的自脈動(dòng)臨界條件；研究自脈動(dòng)激光器對(duì)輸入信號(hào)的波長(zhǎng)、偏振態(tài)、碼型的敏感度；研究增益耦合與折射率耦合光柵相結(jié)合所形成的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)對(duì)激光器激射模式進(jìn)而對(duì)其自脈動(dòng)性能的影響；研究恢復(fù)出的時(shí)鐘的時(shí)間抖動(dòng)與器件材料、結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)規(guī)律；研究注入載流子濃度波動(dòng)引起時(shí)鐘幅度抖動(dòng)的機(jī)理，研究通過(guò)提高多段激光器腔模相位相關(guān)性、降低拍頻線寬，減小幅度抖動(dòng)的方法；研究自脈動(dòng)頻率調(diào)諧增強(qiáng)機(jī)制，擴(kuò)大自脈動(dòng)頻率的調(diào)諧范圍。在單片集成方面，研究靈活使用量子阱混 雜、選擇 區(qū)域外延生長(zhǎng)以及對(duì)接生長(zhǎng)等技術(shù)，解決器件的工藝設(shè)計(jì)和制作問(wèn)題，并研究不同集成技術(shù)對(duì)時(shí)鐘恢復(fù)性能的影響，提出實(shí)用化器件生產(chǎn)制作的優(yōu)化方案。在以上研究的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突破新型多段自脈動(dòng)激光器高速、集成化方面的技術(shù)難點(diǎn)，研制出高速、低 時(shí)間抖動(dòng)、寬頻率調(diào)諧范圍的全光時(shí)鐘恢復(fù)器件。全光碼型轉(zhuǎn)換：研究有源波導(dǎo)中載流子與光子相互作用、載流子與聲子相互作用過(guò)程與半導(dǎo)體能帶形狀的關(guān)系，探索研究量子阱/ 量子點(diǎn)材料、器件結(jié)構(gòu)以及工作條件對(duì)有源波導(dǎo)中帶間過(guò)程和帶內(nèi)過(guò)程引起非線性效應(yīng)的影響，尋求加快載流子恢復(fù)和增強(qiáng)超快非線性效應(yīng)的途徑；研究器件中光致非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)光譜精確變換的機(jī)理、物理模型和理 論表征。在器件結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究 InP 基有源波 導(dǎo)和延時(shí)干涉儀的單片集成工藝，深入研究材料帶隙漂移的內(nèi)在機(jī)理，探索量子阱混雜和選擇性外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同帶隙半導(dǎo)體材料的單片集成。研究利用半導(dǎo) 體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀形成的梳狀濾波器相結(jié)合，使梳狀濾波器的譜間隔與輸入信道的波長(zhǎng)間隔相匹配，實(shí)現(xiàn)多信道 NRZ 碼的全光碼型轉(zhuǎn)換；在此基礎(chǔ)上，研究利用 對(duì)應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多信道高階調(diào)制碼型（包括 DPSK、DQPSK、QAM 等）的轉(zhuǎn)換或者相位再生；研究降低半導(dǎo)體光放大器中交叉增益調(diào)制（XGM）效應(yīng)、實(shí)現(xiàn)選擇性相位增強(qiáng)調(diào)制的途徑，改善多信道高速碼型轉(zhuǎn)換輸出性能。全光 2R/3R 再生：建立 SOA 用作信號(hào)再增強(qiáng)和判決時(shí)的載流子動(dòng)態(tài)特性模型；研究注入有源區(qū)的載流子在量子阱中的俘獲及逃逸，載流子和光子的相互作用動(dòng)力學(xué)規(guī)律；研究利用器件中光致超快非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)判決的新機(jī)理，揭示其內(nèi)在規(guī)律特性;研究?jī)蓚€(gè)反相信號(hào)在飽和 SOA 中傳輸過(guò)程的光子動(dòng)力學(xué)以及交叉增益壓縮(XGC) 效應(yīng)，探索利用 SOA 的 XGC 效應(yīng)克服由于 SOA 載流子恢復(fù)時(shí)間限制造成的碼型效應(yīng)，提高信號(hào)判決器件的開關(guān)效率和速率；研究基于電吸收調(diào)制器（EAM）實(shí)現(xiàn)高性能、低插入損耗光判決的新結(jié)構(gòu)；揭示超高速光信號(hào)時(shí)鐘恢復(fù)和再生對(duì)惡化容限的規(guī)律，結(jié)合項(xiàng)目研究的時(shí)鐘恢復(fù)器件實(shí)現(xiàn)全光3R 再生。研究無(wú)源非線性周期性光 導(dǎo)結(jié)構(gòu)中電磁耦合特性和光子能 帶工程，研究摻雜和光學(xué)偏置提高非線性效應(yīng)、降低閾值功率的機(jī)理；研究介質(zhì)中周期性色散控制對(duì)多信道之間交叉相位調(diào)制（XPM）的影響，無(wú)源非線性介質(zhì)與梳狀濾波相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高速、多波長(zhǎng) NRZ 信號(hào)的全光 2R 再生，探索無(wú)源非 線性介質(zhì)對(duì)高階調(diào)制信號(hào)再生的新機(jī)理。