1、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： 2011.1 至 2015.8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 100Gb/s、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
2、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：（1）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。（2）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。（3）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
3、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100 Gb/s，功耗与相关功能的 O-E-O器件相比，下降 2-3 个数量级。在此基 础上，实现系 统功能的示范性演示。（4）在 IEEE(JLT、PTL、JQE 等)、OSA（OL、 OE、JOSA 等）、AIP（PRL、APL、PR）等国 际光通信和光子信息领域重要刊物上发表论文 300 篇以上；每年在 OFC、ECOC 发表数篇论文，争取有邀请报告或 Post deadline 论文；在国内举办 2-3 次有较大国际影响的光子信息处理学术
4、会议；力争在 Nature Photonics 等刊物上发表论文。授 权或受理发明专利 20 项以上。（5）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 2-4 人；培养硕士生 100 名，博士生 50 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
5、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 1616 矩阵为 例，若要 实现完全无阻塞 则需要 15 级级联，最少 240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 1500 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2R
6、/3R 中解决。 这样，只需要 56 个基本开关单元，7 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 22 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 ITU-T 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
7、性电光效应(Pockels effect)，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 p-i-n 二极管，这样，充放 电时间能大大缩短，可将开关时间降至 100ps 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
8、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 1550nm 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
9、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=16，则输入、输出端口数 为 16 的芯片实际上具有 256256 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 100Gb/s，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：（1
10、）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。 （2）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
11、，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 100Gb/s 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 SOA-MZI 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 40Gb/s工作速率（理论上限约为 80
12、Gb/s 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 100Gb/s 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
13、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
14、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（ flip chip）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 100GHz 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（100Gb/s 光传输系统要求其均方根 值小于 420fs），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
15、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 100Gb/s 信号的时钟恢复，首先要设计自脉动频率为 100GHz 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 40GHz 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 10GH
16、z 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
17、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
18、 1550nm 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 100Gb/s 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 100G 高速时钟恢复，须对饱和吸收区进行精心设计，尽
19、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100GHz 、时间抖动200fs的全光时钟恢复器件。全光 2R/3R 再生芯片
20、：基于 SOA 的 XGM/XPM 效应实现 100Gb/s 信号 3R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
21、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 100Gb/s 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 EAM-MZI 作为高速光判决 门，来实现全光 3R 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 SO
22、A，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 2R 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
23、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 2R 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
24、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
25、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 100Gb/s 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：1） 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 100G(b/s 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
26、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 p-i-n 二极管减少载流子存储和释放时间，使开关速度达到 10 ps 量级。 2） 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
27、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
28、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 2R再生。3） 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 1、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：
