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2011CB301700-超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究.doc

2011CB301700-超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技…

humaoxuanhn
2018-09-05 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《2011CB301700-超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究doc》,可适用于医药卫生领域

项目名称:超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究首席科学家:陈建平上海交通大学起止年限:至依托部门:上海市科委教育部二、预期目标项目的总体目标针对下一代信息网络的重大需求通过各参与单位在光电子、半导体材料与器件、信息网络等领域所具有的基础和优势的交叉融合在超高速、低功耗、集成化光子信息处理器件的理论、设计、制备等核心技术方面取得重大进展和突破研制出具有原创性的Gbs、低功耗和集成化光子信息处理芯片原型同时带动高水平研究基地的建设促进光子信息学科的发展培养出具备创新能力和多学科综合素质的集成光子信息处理器件相关领域高水平研究队伍和优秀人才提高我国信息网络技术的内涵和国际竞争力。五年预期目标通过五年的深入研究本项目预期取得以下重要进展和成果:()在若干重要基础理论研究方面取得突破:半导体材料中光子-载流子相互作用增强机理集成条件下折射率变化效应的选择性增强和调控理论等。()提出具有自主知识产权的超高速、低功耗光子信息处理集成芯片完整的设计方法提出光子器件建库规范和标准建立开放式InP基和Si基光电子集成芯片研发平台能在国内CMOS工艺线上批量制备硅基光子信息处理集成芯片。()研制出能满足下一代网络核心节点应用需求、具有创新性和实用化前景的超高速、低功耗、集成化光子信息处理原型器件(包括波长选择光交换芯片、光缓存芯片、可调谐波长转换芯片、时钟恢复芯片、码型转换芯片和全光再生芯片)整体水平达到当时国际先进水平:工作速率(Gbs功耗与相关功能的OEO器件相比下降个数量级。在此基础上实现系统功能的示范性演示。()在IEEE(JLT、PTL、JQE等)、OSA(OL、OE、JOSA等)、AIP(PRL、APL、PR)等国际光通信和光子信息领域重要刊物上发表论文篇以上每年在OFC、ECOC发表数篇论文争取有邀请报告或Postdeadline论文在国内举办次有较大国际影响的光子信息处理学术会议力争在NaturePhotonics等刊物上发表论文。授权或受理发明专利项以上。()形成高水平光子信息处理集成器件和技术研究的协作平台在光子信息处理领域培养出优秀青年教师和研究骨干新增国家自然科学基金委杰出青年基金获得者、教育部长江特聘教授、中科院百人计划人培养硕士生名博士生名以上。三、研究方案总体学术思路本项目的总体学术思路是根据新一代信息网络的重大需求紧扣超高速、低功耗、集成化的核心思想发挥承担单位国家和省部级科研基地在设备、研究条件和人才方面的优势围绕关键科学问题开展原创性的理论和实验研究提出并实现新型集成光子信息处理器件及其制备的创新方案。在承担单位长期合作所形成的默契基础上根据各自特点实行分工协作确保项目总体目标的完成。技术途径:数字式波长选择光交换芯片:光交换矩阵由光开关基本单元通过一定的级联方式构成。以(矩阵为例若要实现完全无阻塞则需要级级联最少个开关单元每个开关单元包含分束、相移、合束、波导、谐振腔等多种基本功能元件总计光学元件数超过个要实现如此规模的光电子集成是有非常大难度的。本项目拟采用可重构无阻塞的Benes结构其优点是光开关单元数量可大幅度减少不足是不同路由会导致各信道的插入损耗不均匀这个问题可在RR中解决。这样只需要个基本开关单元级级联即可。尽管如此这对芯片设计和工艺制作而言仍然是巨大挑战。本项目将以微环谐振器构成(数字式波长选择光开关单元。具有波长选择功能的光开关在构成交换矩阵时不需要合波分波器极大简化了系统结构、增加了灵活性。数字式调谐方式则可避免繁琐的波长锁定技术拟采用折射率微调方法来实现:将具有选择性谐振耦合的开关单元设计在ITUT规定的DWDM波长上然后通过改变折射率使谐振腔对该波长失谐从而达到开或关的目的避免了光波长的大范围快速调谐和锁定的难题。电光效应响应速度快是提高光交换速度的重要途经但硅材料本身缺乏线性电光效应(Pockelseffect)本项目拟采用两种途径来解决这一问题。第一种方案是通过载流子色散效应来调节折射率。这种调节方式的响应速度相对较慢为此将通过增加复合中心减小载流子的寿命消除载流子抽取过程中的“拖尾”现象提高速度并通过光学结构(光波导与器件)和电学结构(调制区)的优化设计增大光场与电场的有效交叠面积来增强等离子色散效应,降低功耗。由于在本项目中折射率仅需微调因此微环谐振腔的控制将采用反向偏置pin二极管这样充放电时间能大大缩短可将开关时间降至ps之内并大幅度降低驱动功率。第二种方案是采用复合波导结构。电光聚合物具有很强的非线性系数折射率可以通过电场直接调节响应速度快。然而直接利用电光材料(如具有极高非线性效应的电光聚合物)制作波导在nm波段损耗很大。硅基波导的折射率高有很强的光限制能力工艺上与CMOS兼容可实现微纳尺寸的波导结构。本项目拟采用硅材料作为波导芯层以电光聚合物作包层形成复合波导结构充分利用两者各自的互补优势制作高速、低功耗光开关矩阵。光子器件的高密度集成存在热效应会使谐振波长发生漂移。拟通过在硅波导芯层开一个缝隙在其中填充聚合物以增加电光调谐效率并利用聚合物具有和硅相反的热光系数减小热效应。通过优化器件结构设计使聚合物负热光效应能抵消硅材料正热光效应从而获得无热漂移的谐振实现非热敏的波长选择和调控。通过上述方法实现的光交换矩阵还存在一个很大的优势就是其信道交换规模要比物理端口数量大N倍(N为交换矩阵所能支持的波长数量)!如果N=则输入、输出端口数为的芯片实际上具有(的信道交换规模。当然这种交换模式是有阻塞的这一问题可通过快速可调谐波长变换芯片来解决。连续可调的硅基光缓存芯片:延时带宽积是反应器件缓存能力的主要性能指标它与器件的结构、控制及工作方式有关。本项目所研究的光子信息处理器件工作速率高达Gbs因此必须大幅度提高器件的延时带宽积。拟采用以下方法来提高延时带宽积:()多级复合微环阵列超谐振腔结构。通过合理设计谐振腔之间的耦合强度控制微环结构的模式分裂获得所需的带宽另外多环谐振增加了有效光程也增加光延时。()调节群速度色散。由于微环谐振器的串联结构与并联结构具有符号相反的三阶色散通过结构上的合理设计可使两者的三阶色散相互抵消从而增加带宽。在调谐方面拟采用向谐振腔注入载流子的方法改变谐振腔的谐振频率或者谐振腔之间的耦合强度重组超谐振模式实现延迟量的大范围连续可调。在多级复合微环阵列超谐振腔结构中超谐振模有很多重组方式需要进行深入研究选择最佳方式。在此基础上对波导结构进行优化设计使需要注入的载流子数量最少从而降低器件功耗、增加集成度。高速可调谐波长变换芯片:本项目拟采用SOA中的超快非线性效应与可调谐激光器配合来实现可调谐波长变换。相关课题负责人在以往工作中曾提出瞬态啁啾跃变机理并采用SOA结合其他分立器件实现了Gbs以上的全光波长转换。本项目将在这一研究基础上针对以往面临的信噪比弱、功率代价高等不足提出改进方案。由于涉及多种不同材料和能带结构实现的不同功能单元集成化一直是个国际性难题。目前国际上波长变换集成芯片多采用SOAMZI结构因其非线性效应涉及带间跃迁过程、载流子恢复较慢因而只能实现Gbs工作速率(理论上限约为Gbs左右)。为克服载流子恢复较慢引起的速率限制拟利用瞬态啁啾跃变等超快非线性效应来配合增益调制和相位调制过程以获得Gbs以上的工作速率。项目将重点研究SOA中载流子、增益和折射率变化的超快非线性过程如双光子吸收、光谱烧孔、载流子加热效应等。利用基于SOA的干涉仪结构通过深入研究交叉增益相位调制过程中伴随的超快折射率变化过程以及所对应的啁啾动态变化过程完善SOA的超快理论模型优化得到最适合干涉结构的SOA器件。在此基础上研究实现瞬态啁啾跃变提取的具体方案通过蓝移光滤波技术或者红移光滤波技术实现超高速波长变换对蓝移或红移光滤波器的参数进行优化提高器件性能并降低功耗。在可调谐激光器方面拟采用带定向耦合器的半导体环形激光器和布拉格光栅的调谐结构。将半导体环形激光器中定向耦合器的一端制作成布拉格光栅用于锁定环形激光器特定波长的输出。通过注入载流子调节光栅的周期改变环形激光器的激射波长实现波长调谐。与常规的多段分布反馈反射(DBR)结构相比该方案具有结构简单、集成工艺难度低和调谐电流低等特点容易实现器件的低功耗。在器件制作方面改进半导体器件制备关键工艺研究最佳的器件结构通过优化量子阱的个数和引入合适的应变在有源区外引入限制层改善载流子变化动态特性加大带内跃迁过程增强SOA中包括瞬态啁啾跃变在内的超快非线性效应。针对InP基和Si基材料在有源和无源器件中各自优势在优化单元器件结构的基础上拟采用混合集成用倒装方式(flipchip)把InP基有源器件嵌入到以无源器件为主的Si基母板上并采用非对称双波导技术制作模斑转换器改善波导间的耦合效率。同时探索整片键合方式利用低温氧等离子辅助晶片键合技术将InP有源结构整片键合到Si晶片上。全光时钟恢复芯片:对于GHz或更高速率的全光时钟恢复集成芯片最关键的性能指标是时间抖动(Gbs光传输系统要求其均方根值小于fs)其次是幅度抖动。本项目提出的多段式自脉动激光器其时间抖动取决于诸多因素包括与激光器内腔膜的相位相关性以及腔内载流子和光子的弛豫震荡等。国际上有关超高速时钟恢复集成器件的研究尚处于实验探索阶段目前还没有比较完整的理论因此首先要在理论上突破研究激光器模式、光信号注入锁定、载流子与光子相互作用等动力学过程并结合实验结果完善相关理论建立模型。要实现Gbs信号的时钟恢复首先要设计自脉动频率为GHz左右、具有注入锁定功能的自脉动激光器。本项目根据自脉动产生机理拟采用放大反馈激光器结构该激光器具有较宽的调谐范围(对我们所研制的GHz放大反馈激光器的测试结果表明其本征自脉动频率具有的调谐范围可达GHz左右)因此有较大的设计和制作容差便于批量化生产。器件由DFB区、相区和半导体光放大器区构成器件的自脉动频率与各段的有效折射率和长度密切相关通过合理设计各个区的长度来实现所要的集成器件的自脉动频率。在此基础上确定集成器件的有源区材料结构以及单片集成采用的集成工艺研究自脉动激光器的时钟恢复性能(时间抖动、抵御恶化信号的能力、连零码的码型效应等)与输入信号光波长、偏振态、码型的关系。特别是针对时间抖动研究其与有源区材料结构、器件结构之间的关联规律以及与注入信号和外部工作条件之间的关系,探明注入信号引起的腔内谐振的物理机制由此来指导时钟恢复集成器件的优化设计。时钟恢复的幅度抖动主要是由于注入信号通过交叉增益调制导致载流子浓度的波动而引起。所以幅度抖动与注入信号的码型以及功率密切相关。将通过提高多段激光器腔模相位相关性降低拍频线宽来减小时钟的幅度抖动。在器件制作中拟采用选择区域外延生长及具有自主专利技术的量子阱混杂实现DFB区以及相位调节区和放大器区的带隙波长偏调。为了减小不同区域之间由于折射率的微小差别引起的界面反射对自脉动的扰动拟采用倾斜界面结构减小界面光的反射。采用折射率耦合光栅和增益耦合光栅相结合的复合耦合使DFB区具有更稳定的激射模式以实现更好的自脉动性能。为减小偏振依赖性激光器的有源区材料拟采用渐变张应变结构即以无应变的nm厚体材料为中心层以张应变量逐渐增大而厚度逐层减薄(以小于逐层的弹性形变临界厚度为准)的方式向两边对称扩展或者采用压应变的量子阱和张应变的准体材料相混和做有源区从而实现对注入光信号的偏振不灵敏。通过改变量子阱的数量应变以及光子限制层来研究时钟恢复的时间抖动与材料之间的关系并从理论上来加以分析验证。以此来指导器件的优化。为进一步改善时间抖动将探索研究含可饱和吸收体的多段式激光器确保器件的时间抖动满足Gbs的要求。该器件用于时钟恢复的基本原理是碰撞脉冲锁模在高速工作时可以实现低抖动的时钟恢复。要实现G高速时钟恢复须对饱和吸收区进行精心设计尽量减小吸收区的长度降低电容来提高频率在可饱和吸收区的材料设计方面可在有源区量子阱材料中加入应变或者掺入杂质来减小载流子扫出时间从而获得窄脉冲实现高速率。探索采用低维量子点结构做有源区材料量子点中由于较强的四波混频效应增强了激射模式的相关性使量子点模式锁定激光器具有窄的拍频线宽从而实现更低时间抖动的时钟。这种方案具有实现起来相对简单、时延抖动小的特点它的不足是拍频频率调谐困难工艺容差相对较小需要从原理和工艺上深入研究探索括展调谐范围的方法。通过以上技术方案的实施实现时钟频率(GHz、时间抖动(fs的全光时钟恢复器件。全光RR再生芯片:基于SOA的XGMXPM效应实现Gbs信号R再生存在较严重的码型效应为此本项目将从机理上深入研究半导体功能材料、器件中传输光波与载流子非线性相互作用的一般规律特别是器件中光生载流子动态变化导致的折射率变化及其对光波特性的影响为解决码型效应问题本项目采用XGC(交叉增益压缩)改善信号质量。将输入信号分成两路其中一路与恢复的高质量时钟信号通过SOA的XGM效应获得反码(一般含有较严重的码型效应)。然后将这路信号与另一路输入信号同时注入至第二个SOA这样进入SOA的信号光功率几乎是恒定的利用两束光信号之间的超快XPM等非线性作用辅以SOA中的XGC克服载流子寿命(有限恢复时间)引起的码型效应改善光判决门的平坦度、边带陡降程度。探索采用低维量子点结构来缩短SOA载流子恢复时间、改善动态特性实现Gbs的交叉增益压缩。鉴于EAM(电吸收调制器)较SOA具有所需的载流子浓度低、恢复时间快码型效应小特点可采用EAMMZI作为高速光判决门来实现全光R再生。此方案的基本原理是利用EAM中交叉饱和吸收效应导致传输光的非线性相位变化而实现利用MZI结构将此相位转化成强度变化结合本项目研究的时钟恢复功能便可实现对数据光信号的判决(相当于“与”的功能)。相比于SOA该器件的相移特性还可以在电信号的控制下改变从而增加了这种结构的灵活性和可重构性。为了增强半导体材料中光子-载流子相互作用将针对量子阱材料和结构对激子吸收的影响进行深入研究揭示材料特性与非线性效应的内在关联规律实现非线性效应选择性增强或控制减少对注入功率的要求提高工作速率、降低功耗。通过优化设计和带隙偏调技术增加激子吸收效应降低光吸收饱和功率减小载流子逃逸时间从而在低光功率条件下获得高非线性效应。在上述研究基础上通过混合集成方式实现全光再生芯片。在多波长R再生方面,拟通过周期性光导结构中掺入功能材料(比如磁光材料)实现左、右旋偏振态之间的周期性转换,从而改变光子带隙结构。上述结构通过引入适当的偏置可增强波导的可调性并提高非线性效应从而降低输入信号的阈值功率有效减少系统功耗。通过分析、计算和实验对比建立相应的理论模型来确定最佳偏置方式。利用这种掺杂周期波导带隙结构的可调滤波特性控制不同波长的色散可抑制不同波长信道之间的交叉相位调制从而实现高速、多波长全光R再生。全光码型变换芯片:在研究有源波导中载流子与光子相互作用、载流子与声子相互作用过程与半导体能带形状关系的基础上探索量子阱量子点材料、器件结构以及工作条件对有源波导中带间过程和带内过程引起非线性效应的影响以此探明加快载流子恢复和增强超快非线性效应的途径。借鉴电信号处理中的分析方法分析有源波导中的各种非线性作用过程与信号光谱变换的精确对应关系分析不同滤波过程对信号光谱变换的作用通过优化滤波过程实现高速的码型变换。针对多信道码型变换的要求对有源波导的增益和折射率变化谱进行优化选择增强控制光对有源波导的影响抑制多信道之间的相互调制实现高速的多信道码型变换功能。在优化单元器件结构(InP基有源波导和Si基延时干涉仪等)的基础上深入研究材料带隙漂移的内在机理探索量子阱混杂和选择性外延生长实现不同带隙半导体材料的单片集成。利用半导体有源波导和延时干涉仪形成的梳状滤波器相结合精确控制延时干涉仪的延时差和相位差使得梳状传输谱的梳状间隔与输入的信道间隔相对应并有适当的偏移实现Gbs甚至更高速率的多信道全光码型转换。同时利用对应的功能结构实现多信道高阶调制信号的码型转换或者相位再生。创新点与特色:面向下一代信息网络应用的光子信息处理器件必须是高速、多波长、低功耗和集成化本项目针对这一需求提出了相应研究方案和实现方法具有如下创新和特色:)在增强光子载流子超快相互作用、加快载流子恢复方面提出新机理和新方法把器件速度提高至G(bs或Hz)以上包括:·通过优化量子阱材料(阱和垒的个数、尺寸以及适当的应变)和器件结构(引入载流子库层等)增强载流子和光子的相互作用加快载流子的恢复。·采用基于交叉增益压缩的新方法有效消除有源器件中载流子有限恢复时间造成增益波动而导致的码型效应。·在光开关器件中提出新型波导结构和调谐方式并通过反向偏置pin二极管减少载流子存储和释放时间使开关速度达到ps量级。)通过非线性效应的增强和选择性调控提高器件的灵活可控性降低功耗包括:·提出采用能带剪裁的方法结合混合应变量子阱新结构优化能带形状改变载流子与声子以及载流子与光子相互作用时间增强半导体材料中的带内跃迁过程从而达到增强非线性效应的目的减小输入光或控制光的功率降低器件功耗。·采用选择性谐振耦合增强提高硅基波导器件的等离子色散效应实现光信道的高速、低功耗切换提出采用硅电光聚合物复合波导结构优化结构设计增强非线性效应增加开关消光比提高工作速度降低开关器件功耗。·针对全光缓存中延时带宽乘积和延迟量大幅度连续可调的应用需求采用多级复合微环阵列超谐振腔结构通过控制微环结构的模式分裂大幅度提高延时带宽积采用注入载流子方式调节谐振器Q值和微环间耦合通过超谐振模式的重组实现延迟量的大范围连续可调。·采用多段灵活可控的时钟恢复集成器件新结构提高双模频率差、双模强度方面的调节灵活性增加调谐范围。·针对DWDM应用需求采用半导体有源波导和梳状滤波器实现多信道的码型转换在周期性光导结构中掺入功能材料改变光子带隙结构通过控制不同波长的色散抑制不同波长信道之间的交叉相位调制实现多波长全光R再生。)针对不同材料和应用灵活采用单片集成、混合集成工艺实现高性能集成芯片包括:·根据CMOS工艺特点设计Si基集成器件充分利用CMOS成熟工艺使器件具有借助国内生产线进行批量制备的潜力。·采用选择区域生长结合量子混杂技术在InP衬底上灵活得到高质量、大范围的多种带隙波长量子阱材料制备具有不同功能和结构的光子信息处理集成器件。·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优势实现高速、低功耗光子信息处理集成芯片。课题设置:本项目根据研究内容和研究目标以及不同功能的光子信息处理集成器件在材料和工艺方面的特点各参与单位的研究条件、优势和特色设置五个课题。课题、选择性谐振耦合增强机理及光交换与光缓存集成芯片研究预期目标:·建立微纳尺寸硅基波导和复合波导结构中光的模式传播、选择性谐振耦合与快速调控理论模型建立CMOS工艺制作硅基光子信息处理集成芯片的标准化光子器件库和设计平台能在国内CMOS工艺线上批量制备硅基光子信息处理集成芯片·研制出具有数字式波长选择功能的光交换芯片切换时间在ps量级矩阵规模为((可重构无阻塞)信道串扰(dB功耗(fJbit研制出大延时带宽积的级联微环缓存原型器件延迟达ns量级连续可调。研究内容:·研究微纳尺寸SOI波导和新型硅-聚合物复合波导中光的传播特性和模式耦合特征研究采用选择性谐振耦合增强机制实现数字式波长选择交换的机理、结构和关键参数研究高速、低功耗、可重构无阻塞光交换矩阵的设计方法·研究基于光子能带理论的光延迟新机理和增大延迟带宽积的新方法研究多级复合微环阵列中超谐振模式重组以及通过注入载流子等方式实现延迟量大范围连续可调的方法·研究通过波导尺寸和结构的优化设计、高速光子学器件与高频电学驱动的匹配和集成化设计增强等离子色散和光学非线性效应提高工作速率降低驱动电压和功率减少串扰和偏振相关性损耗研究采用硅-聚合物复合波导实现非热敏的波长选择和调控的方法·研究CMOS标准工艺制作光交换和光缓存芯片时SOI光子回路与结构间的光学耦合、交叉与隔离降低传输损耗的表面处理方法光学波导与电学工艺兼容等问题。经费比例:承担单位:上海交通大学、中国科学院半导体研究所课题负责人:陈建平学术骨干:李智勇、周林杰、叶通、李运涛、余金中、李新碗课题、受迫谐振模式控制机理及时钟恢复集成芯片研究预期目标:·揭示半导体量子阱与量子点材料及半导体集成器件中光子-载流子超快相互作用的动力学规律建立能实现灵活能带剪裁的InP基单片集成技术平台·研制出多段自脉动时钟恢复芯片恢复时钟的频率(GHz频率调谐范围>GHz时间抖动(fs功耗(fJb。研究内容:·研究多段自脉动激光器的材料、结构等特征参数与器件本征谐振频率(自脉动频率)之间的关系及其受控特性研究实现自脉动频率大范围调谐的机制建立完整理论模型·研究多段自脉动激光器中光波模式之间的增益、折射率调制效应以及外界光注入情况下器件中光波模式的受迫谐振、相位同步及锁定规律研究输入信号波长、偏振态、码型(特别是长零码)对注入锁定过程的影响·研究恢复时钟的时间抖动与激光器内腔膜的相位、腔内载流子和光子的弛豫震荡等之间的内在关系研究注入载流子浓度波动引起时钟幅度抖动的机理以及通过提高多段激光器腔模相位相关性减小幅度抖动的方法·研究利用量子阱混杂和选择区域外延、对接生长等方法解决有源器件和无源器件的单片集成问题。经费比例:承担单位:北京邮电大学、中国科学院半导体研究所课题负责人:赵玲娟学术骨干:王圩、洪小斌、林金桐、程远兵、周代兵课题、超快非线性光控光机理及全光RR再生集成芯片研究预期目标:·建立Gbs光RR再生理论体系和实验平台验证本项目研制的光再生器件性能提出超高速、低功耗RR集成器件设计和制作方案·实现Gbs恶化信号的R再生恶化信号再生后误码率<功耗<pJb实现多波长R再生工作速率(Gbs信道数(恶化信号再生后误码率<功耗<fJb。研究内容:·研究半导体集成器件中载流子和光子相互作用的动力学规律和超快非线性效应的增强和控制研究利用器件中光致超快非线性效应实现信号判决的新机理研究利用交叉增益压缩来改善再生信号质量的机制研究利用上述光判决门以及本项目研制的时钟恢复等器件实现全光R再生·研究量子阱材料和结构对激子吸收的影响揭示材料特性与非线性效应关联的内在规律通过优化设计增加激子吸收效应降低光吸收饱和功率减小载流子逃逸时间从而在低光功率条件下获得高非线性效应在此基础上研制出全光R再生集成器件·研究无源非线性周期性光导结构中电磁耦合特性和光子能带工程研究掺杂和光学偏置提高非线性效应、降低阈值功率的机理研究无源非线性介质中色散控制对多信道之间交叉相位调制的影响无源非线性介质与梳状滤波相结合实现高速、多波长全光R再生的新机理。经费比例:承担单位:清华大学、电子科技大学课题负责人:娄采云学术骨干:武保剑、许渤、邱昆、章恩耀课题、超快光谱变换与控制机制及多信道全光码型变换集成芯片研究预期目标:·揭示半导体有源波导和器件中光子与载流子之间的超快非线性相互作用规律揭示各种光致非线性效应与信号光谱精确变换的对应关系建立完善的器件机理和优化设计理论分析物理模型·研究出半导体有源波导和延时干涉仪的混合集成原型器件实现不同调制格式(NRZ、RZ、DPSK、DQPSK等)之间的转换工作速率Gbs信道数(误码率小于功耗fJb。研究内容:·研究混合应变量子阱、量子点结构特性参数与载流子变化动态特性及超快非线性效应之间的内在关联规律探索从材料、结构和工作条件等方面改善高速动态特性、增强超快非线性效应的方法·研究新型半导体材料及功能结构中非线性效应选择性增强的机理研究光致非线性效应实现信号光谱精确变换的机理和物理模型·研究高阶调制码型(DPSK、DQPSK、QAM等)和NRZRZ之间的变换研究高阶调制码型转换中的相位再生问题研究半导体有源波导与梳状滤波相结合实现超高速多波长常用码型和高阶调制码型变换·研究InP基半导体有源波导和延时干涉仪的单片集成结构和制作工艺研究延时干涉仪中延时量的精确控制和相位差的调节实现多信道码型转换集成芯片。经费比例:承担单位:华中科技大学、中国科学院微电子研究所课题负责人:张新亮学术骨干:余宇、董建绩、黄德修、周静涛、张轩雄课题、瞬态啁啾跃变机理及可调谐波长变换集成芯片研究预期目标:·建立功能集成材料中瞬态啁啾跃变和载流子注入调谐非线性增强的理论模型·研制出快速可调谐全光波长转换芯片工作速率(Gbs调谐速度ns量级调谐范围nm功耗<fJb。研究内容:·研究功能材料(量子阱量子点体材料)和结构对非线性啁啾跃变和折射率变化的影响揭示材料结构与非线性效应的内在关联规律及增强非线性的机理·研究采用瞬态啁啾跃变机理实现超高速波长转换的关键技术和集成解决方案·研究采用载流子注入实现高速调谐新结构研究实现大范围调谐及波长稳定的新方法·研究采用InP基和Si基混合集成方式实现可调谐波长变换集成芯片制作工艺研究混合集成中的有源和无源功能器件的集成、材料兼容问题、模式调谐与稳定、波长精确控制、热扩散和能耗控制等问题实现可调谐波长变换集成器件原型。经费比例:承担单位:上海交通大学、电子科技大学课题负责人:刘永学术骨干:邹卫文、林媛、张尚剑、吴龟灵各课题间相互关系:上述五个课题覆盖了未来光子信息处理集成器件和技术领域需要解决的三个基本科学问题。各课题既有一定的相对独立性又有紧密的内在联系构成了如图所示的有机整体共同解决下一代光网络核心节点中的交换和再生问题。课题研究目标所设定的超高速、低功耗光子信息处理集成芯片和技术将为提升我国信息技术科技水平、在信息网络和经济结构发生转变的关键时期占领战略制高点提供技术支撑。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年)项目启动开展深入调查研究分析国内外光通信骨干网及其关键支撑器件的发展趋势进一步明确项目定位和目标)围绕超高速、低功耗系统地开展集成化光子信息处理器件理论研究)研究光电子器件设计方法和规范初步建立InP基和硅基光子信息处理集成芯片设计平台)完成基本功能和单元器件的设计开展相关工艺和制备研究)召开年度总结会议检查各课题进展情况落实下年度工作计划。)在提高光子信息处理集成芯片工作速度、降低功耗的理论研究方面取得实质性进展提出能够有效指导器件设计和工艺实现的新机理和新方法)建立InP基和硅基光子信息处理集成芯片设计平台设计并制备基本功能和单元器件)在理论工作取得突破的基础上发表学术论文篇。第二年)深入开展光子信息处理集成器件理论研究通过模拟仿真和实验研究相结合的方法验证项目所提出的新机理和新方法的有效性完善光子信息处理集成芯片设计平台)全面开展光子信息处理集成器件的设计工作完成首批器件的制备工作(包括借助国内CMOS工艺线进行流片))进行器件性能测试对比项目目标分析优势与不足总结两年来的工作提出后三年工作规划)根据科技部安排召开项目中期检查会议根据各课题进展情况以及专家和科技部意见落实后三年计划和下年度工作。)完善光子信息处理集成芯片设计平台完成首批器件的设计和制备工作速度达到Gs以上功耗接近项目目标所规定的量级其他指标达到或接近项目目标)发表学术论文篇申请国家发明专利项)完成项目中期检查。第三年)根据器件测试数据在总结前阶段工作基础上进一步完善光电子器件设计方法和规范建成InP基和硅基光子信息处理集成芯片设计平台)开展项目研究目标所规定的光子信息处理集成器件的设计工作包括:光开关矩阵芯片光缓存芯片、光时钟恢复芯片、光码型转换芯片、光波长转换芯片和全光RR再生系统开展器件制备的前期制备工作部分器件进行工艺制备)搭建超高速光子信息处理测试平台研究光子信息处理集成芯片的封装技术解决常规光纤和微纳光波导之间的高效耦合。)完成项目的主要理论工作在国际高水平刊物上发表论文篇在本领域重要学术会议上发表论文包括邀请报告)完成项目器件的设计工作通过模拟仿真验证器件性能能够达到设计要求)完成部分器件制备给出光子信息处理集成芯片评价体系搭建Gbs测试平台)申请发明专利项部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划。第四年)进行项目各类器件的制备(包括基于国内标准CMOS工艺的流片))开展器件性能的测试与评价根据测试结果完善设计方法和工艺流程对未到达设计要求的器件在修改、完善设计方法和工艺流程的基础上完成项目器件的最终设计和制备)初步建立光交换实验平台和光再生实验平台验证部分器件的性能。)完成项目主要器件的制备)完成器件的性能测试主要指标到达或接近本任务书要求:速度Gbs功耗≤pJb)发表学术论文篇申请发明专利项部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划。第五年)全面完成项目各项任务包括理论工作和器件制备、性能测试)进行器件功能的实验演示和验证)总结项目研究工作对该领域的发展和进一步工作提出建议)在科技部统一规划下完成项目验收工作。)发表学术论文篇申请发明专利项部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划)全面完成项目各项研究工作指标达到本任务书要求)完成项目总结和结题验收工作对下阶段发展提出建设性意见。一、研究内容在下一代光通信骨干网络中光子信息处理主要是实现信息交换和信号再生两大功能前者需要光交换矩阵、光缓存和可调谐波长转换等器件和技术后者需要时钟恢复、码型转换和RR再生等器件和技术如图所示。图中经过长距离传输的DWDM光信号进入光网络节点进行信号的再生和交换。对时钟分量很弱或不适合直接进行光信号处理的码型需要先进行码型转换。在码型转换和时钟恢复的基础上实现光信号的RR再生以便于进一步交换和传输。光开关矩阵实现信号的路由和交换缓存可以解决冲突竞争的问题可调谐波长转换可以提高交换的灵活性进一步降低阻塞率。再生和交换之后的光信号再转换成适合传输的码型在光纤线路中继续传输。考虑到骨干网普遍采用DWDM技术以及今后将会采用高阶调制方式提高传输性能和(在波特率不变的情况下)单信道传输容量码型转换和R再生等器件必须具备多信道以及高阶码型的转换和再生能力。本项目将结合下一代网络发展的重大需求和国内外发展趋势借鉴相关研究经验积累充分发挥参与单位的优势和工作基础在突破关键科学问题的基础上围绕交换和再生两大应用目标实现超高速、低功耗、集成化的光子信息处理器件。具体的研究内容包括:()高速大容量光交换矩阵基础技术及芯片研究高速、低功耗数字式波长选择光交换矩阵:研究微纳尺寸SOI波导和新型硅-聚合物复合波导中光的传播特性和模式耦合特征研究采用等离子色散效应、硅-聚合物复合波导电光效应实现硅基波导折射率的高速调节研究采用波长选择性谐振耦合增强机制实现高速数字式波长选择(光开关基本单元的机理和设计方法研究SOI高速光子器件高密度集成的热效应问题以及采用硅-聚合物复合波导实现非热敏的波长选择和调控的途径研究通过材料和结构的优化设计增强等离子色散效应和硅-聚合物复合波的非线性效应降低驱动电压和功率减少串扰和偏振相关性损耗研究大规模高速、低功耗、可重构无阻塞光交换矩阵的设计方法研究采用CMOS标准工艺制作光交换芯片时SOI光子回路结构间的光学耦合、交叉与隔离降低传输损耗的表面处理方法光学波导与集成电路工艺兼容高速光子学器件与高频电学驱动的匹配等问题实现高速、低功耗的数字式波长选择光交换芯片。ns量级连续可调硅基光缓存:研究光波在SOI微纳波导结构中的传播和耦合特征研究基于光子能带理论的光延迟新机理研究具有超大延时带宽积、延迟量大范围(ns量级)连续可调的多级复合微环阵列超谐振腔结构研究多级复合微环阵列中的超谐振模式特征以及通过注入载流子等方式对超谐振模进行重组的方法实现延迟量大范围连续调节研究利用该可调光缓存芯片与高密度集成的SOI光延迟线级联实现大容量缓存的方法研究电子束光刻以及深紫外光刻、等离子体干法刻蚀等CMOS工艺制备硅基低损耗微纳光波导和微环谐振器的工艺技术设计和实现具有超大延迟量的连续可调硅基微环谐振腔光缓存芯片。高速可调谐波长变换:研究SOA中载流子和增益的超快非线性效应与折射率变化的对应关系以及相应的啁啾动态过程研究功能材料和结构(量子阱量子点体材料)对非线性啁啾跃变和折射率变化的影响揭示材料结构与非线性效应的内在关联规律及增强非线性啁啾的机理建立超快理论模型。研究通过材料和结构参数的优化增强超快非线性效应研究采用瞬态啁啾跃变机理实现超高速波长转换的新方案及方案的优化并研究优化后的方案在集成环境下的实现途径研究采用注入载流子实现高速、低功耗调谐的新结构研究实现大调谐范围和波长稳定的新方法研究采用InP基和Si基混合集成方式实现可调谐波长变换集成芯片的实现方法和制作工艺研究混合集成中有源和无源功能器件的集成、材料兼容问题、模式调谐与稳定、波长精确控制、热扩散和能耗控制等问题实现可调谐波长变换集成芯片。()高速多信道光信号再生基础技术和芯片研究高速全光时钟恢复:研究集成器件材料、结构等特征参数与器件本征谐振频率(自脉动频率)之间的关系及其受控特性研究多段自脉动激光器中光波模式之间的增益、折射率调制效应外界光注入情况下光波模式的受迫谐振、相位同步及锁定规律以及产生注入锁定的自脉动临界条件研究自脉动激光器对输入信号的波长、偏振态、码型的敏感度研究增益耦合与折射率耦合光栅相结合所形成的复合光栅结构对激光器激射模式进而对其自脉动性能的影响研究恢复出的时钟的时间抖动与器件材料、结构的关联规律研究注入载流子浓度波动引起时钟幅度抖动的机理研究通过提高多段激光器腔模相位相关性、降低拍频线宽减小幅度抖动的方法研究自脉动频率调谐增强机制扩大自脉动频率的调谐范围。在单片集成方面研究灵活使用量子阱混杂、选择区域外延生长以及对接生长等技术解决器件的工艺设计和制作问题并研究不同集成技术对时钟恢复性能的影响提出实用化器件生产制作的优化方案。在以上研究的基础上重点突破新型多段自脉动激光器高速、集成化方面的技术难点研制出高速、低时间抖动、宽频率调谐范围的全光时钟恢复器件。全光码型转换:研究有源波导中载流子与光子相互作用、载流子与声子相互作用过程与半导体能带形状的关系探索研究量子阱量子点材料、器件结构以及工作条件对有源波导中带间过程和带内过程引起非线性效应的影响寻求加快载流子恢复和增强超快非线性效应的途径研究器件中光致非线性效应实现信号光谱精确变换的机理、物理模型和理论表征。在器件结构和材料参数优化设计的基础上研究InP基有源波导和延时干涉仪的单片集成工艺深入研究材料带隙漂移的内在机理探索量子阱混杂和选择性外延生长实现不同带隙半导体材料的单片集成。研究利用半导体有源波导和延时干涉仪形成的梳状滤波器相结合使梳状滤波器的谱间隔与输入信道的波长间隔相匹配实现多信道NRZ码的全光码型转换在此基础上研究利用对应的功能结构实现多信道高阶调制码型(包括DPSK、DQPSK、QAM等)的转换或者相位再生研究降低半导体光放大器中交叉增益调制(XGM)效应、实现选择性相位增强调制的途径改善多信道高速码型转换输出性能。全光RR再生:建立SOA用作信号再增强和判决时的载流子动态特性模型研究注入有源区的载流子在量子阱中的俘获及逃逸载流子和光子的相互作用动力学规律研究利用器件中光致超快非线性效应实现信号判决的新机理揭示其内在规律特性研究两个反相信号在饱和SOA中传输过程的光子动力学以及交叉增益压缩(XGC)效应探索利用SOA的XGC效应克服由于SOA载流子恢复时间限制造成的码型效应提高信号判决器件的开关效率和速率研究基于电吸收调制器(EAM)实现高性能、低插入损耗光判决的新结构揭示超高速光信号时钟恢复和再生对恶化容限的规律结合项目研究的时钟恢复器件实现全光R再生。研究无源非线性周期性光导结构中电磁耦合特性和光子能带工程研究掺杂和光学偏置提高非线性效应、降低阈值功率的机理研究介质中周期性色散控制对多信道之间交叉相位调制(XPM)的影响无源非线性介质与梳状滤波相结合实现高速、多波长NRZ信号的全光R再生探索无源非线性介质对高阶调制信号再生的新机理。图项目目标、科学问题与课题设置之间的关系图下一代网络核心节点光子信息处理功能结构示意图

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