（微电子学与固体电子学专业论文）硅基光波导开关研究.pdf

摘要 随着集成电路的飞速发展，传统的电互连技术在速度、带宽、功耗等方面遭 遇了一系列瓶颈，严重的制约了集成电路的发展。片上光互连为这一技术难题的 解决提供了一种可行的方案。基于s o i 平台的硅光子技术，以其低廉的成本，广 泛的材料来源，以及与现有的微电子加工平台良好的兼容性等方面的优势，在片 上光互连系统的实现上有着得天独厚的优势，引起了学术界、产业界的广泛关注 并在近十年得到了突飞猛进的发展。片上互连技术中的关键即把传统分立的光通 信元器件在利用商业的c m o s 工艺线在单片上实现，构建片上光网络，并和现 有集成电路集成。在片上光网络中，和光源的产生、信号的调制、光网络路径切 换、信号探测的相对应的关键元器件分别为激光器、光调制器、光开关、光探测 器。本文的研究目的是设计并制作高性能光开关单元和基于多个光开关单元组合 的多功能硅基光子集成器件。本文的贡献和创新主要在以下五个方面： 1 设计分析和研制了一系列2 2 硅基电光开关单元器件。利用国内杭州士 兰o 8 g m 的商业c m o s 线制备了一种基本的2 2 型光开关单元器件； 并利用 i m eo 1 8 9 r nc m o s 线制作了改进的级联兼具监测，衰减功能模块的2 2 型光开 关，实验测得：开关的速度小于6 8 n s ，在可变衰减器的辅助下，串扰可低于2 4 5 d b ， 对应的最大功耗为3 0 4 m w ，同时可以对光开关输出端口的光功率进行监测；针 对硅基开关中存在的串扰问题，设计了一种级联型的串扰极低的光开关，理论上 串扰低于4 0d b 。 2 设计分析和研制了1 x n 型硅基多路光开关单元器件。采用士兰o 8 g r n 商 业c m o s 工艺线制作了1x 3 型低串扰电光开关，串扰小于2 1 1d b ，消光比大于 2 1 1 d b ，开关的速度小于1 5 3n s ，功耗小于1 2 8m w 。 3 针对多路开关中的相移臂过多，控制复杂的问题，提出了一种n xn 型 单一组合相移臂控制热光多路开关，仅需要控制一个单一组合相移臂即可完成所 有开关状态的切换，结构简单，紧凑，控制方便等特点。采用i m eo 1 8 - g r nc m o s 工艺线制作了单一组合相移臂控制的3 x 3 型热光开关速度小于2 0 舻，最大热功 耗为9 7 5m w ，平均串扰1 1 1d b ，该设计方案可以扩展到更多的端口也不需要 增加额外的相移臂。 1 1 1 4 设计分析和研制了一种多功能光子集成器件一一四端口高速马赫曾德型 电光路由器，它由4 个级联1 3 电光开关构成，可以实现4 个端口中任意2 个 端口的同时链接，同时兼具广播功能，任何一个端口的信号都可以被均匀的广播 到其他三个端口。采用o 1 8 i x r nc m o s ：r - e 线制作了此器件，在链接模式下，速 度小于：5 5n s ，功耗小于2 0m w 。 5 理论上分析了一种偏振无关的基于填充电光聚合物的十字狭缝波导的电 光相移臂，可为未来设计高速，低功耗，低偏振相关的电光开关服务，并给出了 一种简单可行的加工制作方法。 i v 关键词：片上光互连硅光子学c m o s 工艺光波导开关光路由器 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ep e r f o r m a n c eo fi n t e g r a t e d c i r c u i t sa r eg r a d u a l l yb e i n gc o n s t r a i n e db yt h el i m i t a t i o no fm e t a l - b a s e de l e c t r i c a l i n t e r c o n n e c t s t h eo n - c h i pp h o t o n i c sn e t w o r ko f f e r sa no p p o r t u n i t yt oa d d r e s s t h e p r o b l e mb e c a u s eo fi t sh i g hb a n d w i d t h ，l o wp o w e ra n d ，s h o r tl a t e n c y t h es i l i c o n p h o t o n i c st e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gp l a t f o r mf o rt h eo n c h i pp h o t o n i c s n e t w o r k ss i n c ei ti s c o m p a t i b l ew i t ht h ec m o sp r o c e s sa n dc a p a b l eo fd e n s e i n t e g r a t i o n i nt h er e c e n td e c a d e ，t h es i l i c o np h o t o n i c sh a sa t t r a c t e dm u c hm o r e a t t e n t i o n ，w i t n e s s e db yt h ed e m o n s t r a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c es i l i c o np h o t o n i c s d e v i c e s t h ek e yo ft h ei m p l e m e n to fp h o t o n i c sn e t w o r k - o n - c h i pi st of a b r i c a t et h e t r a d i t i o n a ld i s c t e t eo p t i c a ld e v i c e so n a o n ec h i p a sw ek n o w n ，t h el a s e r , p h o t o d e c t o r , m o d u l a t o r , s w i t c ha r et h eb a s i ce l e m e n t si nt h et h eo n c h i pp h o t o n i c sn e t w o r k s t h e p u r p o s eo f t h eo u rw o r ki st od e s i g na n df a b r i c a tt h eh i g h - p e r f o r m a n c es w i t c he l e m e n t a n dm u l t i f u n c t i o np h o t o n i c i n t e g r a t e d d e v i c e sb a s e do nc o m b i n a t i o no fs w i t c h e l e m e n t t h ec o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o n so fo u rw o r ka r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 d e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e das e r i e so f2 2o p t i c a ls w i t c h f 1 ) w ed e m o n s t r a t ea b a s i s2x2s w i t c he l e m e n t w h i c hi sf a b r i c a t e db yt h eo 8 - p r nc o m m e r c i a lc m o s t e c h o n o l g y ( 2 ) w ed e m o n s t r a t e da2 2o p t i c a ls w i t c h ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t ha f u n c t i o n a lm o d u l e ：v a r i a b l eo p t i c a la t t e n u a t o ra n do p t i c a lm o n i t o r i nt h ev o a o p e r a t i o nm o d e ，t h el o w e s tc r o s s t a l ka n dm a xp o w e rc o n s u m p t i o no ft h es w i t c ha r e a b o u t - 2 4 5d ba n d3 0 4m w i nt h eo p t i c a lm o n i t o ro p e r a t i o nm o d e ，t h eo p t i c a lp o w e r c a nb em o n i t o r e d ( 3 ) d e s i g n e da2 2m a c h - z e h n d e re l e c t r o - o p t i c a ls w i t c hw i t ha u l t r - l o wc r o s s t a l k t h ec r o s s t a l ko ft h es w i t c hi sa sl o w a s - 4 0 d bi nt h e o r y 2 w ep r e s e n ta1 3m a c h - z e h n d e rb a s e de l e c t r o o p t i cs w i t c hi ns i l i c o n w h i c h e m p l o y so n l yt w op - i np h a s es h i r e r sa n dp o s s e s sas i m p l ec o n t r o lm a n n e r a v e r a g e c r o s s t a l kl e v e la n de x t i n c t i o nr a t i oa r e - 21 9d ba n d2 2 9d br e s p e c t i v e l ya t155 0 - n m w a v e l e n g t h t h ei n f l u e n c e so ff r e ec a r r i e ra b s o r p t i o n ( f c a ) a n df a b r i c a t i o ne r r o ro n t h ec r o s s t a l ko ft h es w i t c ha r ea n a l y z e da c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n de x p e r i m e n t a l v r e s u l t s 3 w er e p o r tt h ee x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o no fa3 x 3t h e r m o o p t i c a ls w i t c hi n s i l i c o n o n i n s u l a t o r b yc o n t r o l l i n gas i n g l ec o m b i n e dp h a s es h i f t e r , l i g h tf r o ma n y i n p u tw a v e g u i d ec a nb ed i r e c t e dt oa n yo u t p u tw a v e g u i d e ，s h o w i n gas i m p l ec o n t r o l m a n n e ra n dh i g h l yi n t e g r a t e ds t r u c t u r ea sc o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lm u l t i 。w a y o p t i c a ls w i t c h e s f u r t h e r m o r e ，t h ep r o p o s e do p t i c a ls w i t c hc a ne x p a n d e dt ob e lx n a n dn x no p t i c a ls w i t c hw i t h o u te x t r ap h a s es h i f t e r t h es w i t c hi sf a b r i c a t e db y c m o st e c h n o l o g y i ne x p e r i m e n t ，f u l l3 x3s w i t c h i n gf u n c t i o n a l i t yi sd e m o n s t r a t e da t w a v e l e n g t ho f1 5 5l a r n ，w i t ha na v e r a g ec r o s s t a l ko f 一1 1 1d ba n dp o w e rc o n s u m p t i o n o f9 7 5 r o w 4 w ed e m o n s t r a t e daf o u r - p o r te l e c t r o - o p t i c a lm a c h - z e h n d e ro p t i c a ls w i t c hi n s i l i c o n o n i n s u l a t o rf o ro n - c h i pp h o t o n i cn e t w o r k i te m p l o y sf o u r 1x3s w i t c h i n g e l e m e n t sa n di th a st w oo p e r a t i o nm o d e s ：r o u t e rm o d ea n db r o a d c a s tm o d e t h e o p t i c a lp a t hc a nb eb u i l tb e t w e e na n yt w op o r t si nt h er o u t e rm o d e i nt h eb r o a d c a s t m o d e ，t h el i g h tc a nb eb r o a d c a s tt oo t h e rt h r e ep o r t sa n de a c hp o r th a st h ea u t h o r i t yt o r e c e i v eo rr e j e c tt h eo p t i c a ls i g n a l t h es w i t c hi sf a b r i c a t e db yt h ec m o st e c h n o l o g y t h es w i t c h i n gf u n c t i o n a l i t yi sd e m o n s t r a t e d ，w i t hc r o s s t a l kl e v e l sl o w e rt h a n 9 d b ， a n dn a n o s e c o n d sr e s p o n s e ( 5 5n s ) 5 w ed e s i g nac r o s s s l o tw a v e g u i d ef i l l e dw i t he l e c t r o - o p t i c a lp o l y m e ri s p r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l a r i z a t i o n - i n s e n s i t i v ea r ea n a l y z e db yu t i li z i n gf d m e t h o d b yb a l a n c i n g t h ee l e c t r i cf i e l di nt h ec r o s s - s l o t ，i tc a na c h i e v e p o l a r i z a t i o n i n d e p e n d e n tm o d u l a t i o n k e yw o r d s ：o n - c h i pi n t e r c o n n e c t s ，s i l i c o np h o t o n i c s ，c m o st e c h n o l o g y , o p t i c a l w a v e g u i d es w i t c h e s ，o p t i c a lr o u t e r v i 致谢 2 0 0 7 年7 月1 3 日，我来到浙江大学玉泉校区，开始了五年研究生生活，五 年过去了，在老师，同学的帮助下，收获良多。在我关掉测试台，背上背包即将 离开的时候，千言万语，太多的感谢要表达。 感谢我的授业恩师江晓清老师。江老师理论功底扎实，视野宽广，思维敏捷。 江老师在理论上对我高屋建瓴的指导，实验上给我提供一次次流片机会，测试上 全力支持我购买仪器，支持我参加一次次的学术会议，才有了本文中的成果。可 惜我生性驽钝，跟不上江老师思路，实验结果也很难让恩师满意，希望恩师谅解。 感谢德高望重的王明华老师，王老师治学严谨，淡泊名利，数十年如一日的 奋战在科研岗位，对我影响很大，我将一生以王老师为榜样，为科研贡献自己的 青春。感谢对我的工作提出了很多宝贵指导意见的杨建义老师，杨老师见解深刻， 看问题一针见血，和杨老师讨论总能在最迷茫的时候找到问题的症结所在。感谢 做事严谨，知识渊博的周强老师，也是我的工艺，实验的启蒙老师，本文中所有 硅基光开关的测试都离不开周老师的具体指导。感谢李锡华老师，郝寅雷老师多 年的关心和照顾。感谢对我关心的李宇波老师，在测试后期我身体感到不适的时 候，李老师的照料让我的身体扛过最难熬的日子。感谢朱玉莲和张国荣老师多年 的对我实验测试工作的支持和照顾。 感谢所有对我实验测试工作给予帮助的兄弟姐妹们。感谢仿真，计算功力深 厚的余辉博士，周海峰博士，两位师兄在理论计算方面的指点总让我醍醐灌顶， 茅塞顿开。周海峰师兄在论文写作方面的给予的指导，让我受益匪浅；感谢实验 测试能力极强的王帆博士，师兄毫无保留的教会我实验测试技能；感谢戚伟博士， 工艺方面给予很多无私的指导。感谢任劳任怨的赵勇博士，在测试平台维护中做 出很多大量工作，无数个连续通宵测试的深夜，最困倦的时候总有赵勇在旁给我 打气提神。感谢李国熠硕士，不知疲倦的奋战数月为大家调试，维修点焊机。感 谢姜国敏硕士，在垂直耦合测试台的搭建中做出的突出贡献。感谢胡挺博士在更 换工艺线方面提出的关键意见，让我有机会在毕业前用上最好的工艺线流片。 感谢多年来一直照顾我，在找工作时给我很多指点的肖思淼博士，感谢和我 一起探讨人生，理想的刘仕景硕士，感谢和我一起度过博士生涯的同届魏玉欣， 陈伟伟博士，感谢一起度过许多欢乐时光的同学们：李陈刚，赵佳特，王翔，贾 文建，张大茂，彭博，王廷宇，郭伟峰，祁彪、郑伟伟、毛晓丹、陈献、王嘉明、 蒋峰、葛陆泉、邱晨、陈瑞宜、涂国辉、白刃、向微、李国熠、姜国敏、谷金辉、 江舒杭、王欢、喻平、徐超、杨冰、郭伟峰、郑斌、彭志鑫、董少杰、唐树明、 张鹏、肖熠、胡挺、邱晖晔、邵海峰、沈奥、鲁虹伟、骆康城、潘宏彬、裴重阳、 檀亚松、张滨、张文、周建雄、王国强等。谢谢你们陪我一起度过的青春中的最 美好的时光。 感谢我的父亲，母亲，感谢他们多年养育之恩和为我付出的心血。母亲知我 身体不好，常劝我少通宵测试。我一直欺骗她，心里倍感愧疚，希望母亲谅解。 感谢我的所有家人对我的多年来支持和理解! 感谢所有关心我成长，爱护我的亲 朋好友。谢谢你们! i i 图目录 图1 1 光互连模型2 图1 2 硅基发光的几种主要解决方案3 图1 3 国内外报道的典型的高速光调制器4 图1 4 代表性关于探测器的报道4 图1 5l u x t e r a ，i n t e l ，i b m 等发布的光互连模块4 图1 6 国内报道的2 x 2 型马赫曾德型电光开关5 图1 7 ( a ) i b m 发布的1 1 0 - r i m 带宽的电光开关；( b ) i b m 发布的温度，电压 不敏感的电光开关；( c ) k o y u t a 发布亚毫瓦功耗的电光开关7 图1 8 ( a ) 一种响应速度在亚微秒级的热光开关，( b ) 基于f r e e s t a n d i n g 结 构的功耗在亚毫瓦量级的热光开关7 图1 9 谐振型光开关8 图1 1 0 基于相变材料的自持性光开关8 图1 1 1 光开关矩阵的研究9 图1 1 2 国内外已经报道的典型路由器一9 图2 1 常规的干涉型光开关的基本结构1 9 图2 2 常用的耦合器示意图：( a ) n x n 型m m i 耦合器示意图；( b ) 奇数端口的 1 x n 型分路器示意图；( c ) 偶数端口的l x n 型分路器示意图2 0 图2 3 单模波导的t e ，和t m 的模场分布2 2 图2 4 器件的版图示意图：( a ) 版图整个版图，尺寸为( 7 3 2 5 1 x m x 7 3 2 5 l m a ) ， 其中，长方形的区域为2 x 2 开关，放大图如( b ) 中所示，小的矩形为 保护小块的局部示意图，如( c ) 所示。每个小块的尺寸为4 1 x m x 4 0 p , m ， 如( c ) 中黑色虚框所示。2 3 图2 5 器件的制作流程2 4 图2 6 ( a ) 晶片照片及刻蚀效果扫描电镜图( s e m ) ，( b ) 单模波导，( c ) 微 环电光调制器局部示意图，( d ) 相移臂截面图，( e ) 展宽波导，( f ) 过腐蚀 的热电极2 5 图2 7 ( a ) 模斑转换器的尺寸和( b ) 仿真的波导宽度和耦合效率的关系2 6 图2 8 测试系统示意图2 6 x i i 图2 9 归一化2 x 2 型电光开关的静态工作曲线：( a ) ：光从l 端口入射，( b ) ： 光从2 端口入射2 7 图2 1 0 反偏p i n 结的光电流现象，d 为有源区到波导的距离，l 为器件长度。 ( 来源：赵勇等实验数据 1 2 1 ) 2 8 图2 1 1 集成光功率监测和光功率可调衰减的功能模块的2 x 2 光开关2 9 图2 1 2 器件的单模波导的模场分布( a ) t e 模，( b ) t m 模式3 0 图2 1 3 ( a ) 倒锥耦合器的示意图和尺寸及模场分布，( b ) t e 模式( c ) t m 模 式3 0 图2 1 4 i m e 电光器件制作流程3 l 图2 1 5i m e 流片的刻蚀效果s e m 图( a ) ：微环，( b ) y 分叉；( c ) 定向耦合器； ( d ) 倒锥耦合器3 l 图2 1 6 工作在衰减模式下的光开关静态传输曲线j 3 2 图2 1 7 ( a ) 开关速度测试示意图；( b ) 光电流测试系统示意图一3 3 图2 18 光电流的测量：( a ) 固定光功率1 0 d b m ，不同反向偏压下的光电流， ( b ) 不同反向偏压下不同光功率对应的光电流。3 3 图2 1 9 超低串扰的干涉型的2 x 2 型电光开关3 4 图2 2 0 第一级两个输出端口的相位差和功率随相移臂的变化3 6 图2 2 12 x 2 低串扰开关的静态工作曲线( a ) 光从1 端口入射；( 2 ) 光从2 端口 入射。3 7 图2 2 2 超低串扰的马赫曾德型光开关显微镜照片3 7 图3 1 已经报道的多路光开关：( a ) lx 5 电光开关，( b ) 1x 8 电光开关，( c ) 1x 1 6 电光开关，( d ) l x 4 电光开关，( e ) l 4 热光开关，4 2 图3 21x 3 电光开关的示意图和各部分的传输矩阵4 3 图3 31 x 3 电光开关开关态和相位关系分别为光从( a ) 1 端1 2 输出；( b ) 2 端口 输出；( c ) 3 端口输出4 3 图3 4lx 3 开关的静态传输特性：( a ) p o r t l 输出；( b ) p o r t 2 输出；( c ) p o r t 3 输出4 4 图3 5 ( a ) 器件的显微镜照片，比例尺为5 0 0 p m ，图中标注虚线椭圆的区 域为弯曲波导区域，如( b ) 中所示，比例尺为5 0 岬，( c ) 图为单模波 导的扫描电镜图( s e m ) 。( d ) 图为器件的相移臂部分的p i n 结扫描电镜 图。( e ) 图为抛光后芯片的，经过粘合，电焊，固定在夹具上测试前的图 片4 5 图3 61x 3 型电光开关的静态工作曲线，包括3 个状态，分别为( a ) ：p o r t l 输出，( b ) ：p o r t 2 输出；( c ) ：p o l r t 3 输出4 6 图3 71 x 3 型电光开关的( a ) 速度测试示意图( b ) 上升沿和( c ) 下降沿。 z 7 图3 8 节选的不同偏振态下的器件的静态测试曲线一4 8 图3 91 3 光开关的拟合模型一4 8 图3 1 0 根据模型拟合后曲线和试验数据，其中：实线为拟合曲线，点为实 测数据。4 9 图3 1 1 串扰和相移臂长度的关系5 0 图3 1 2 器件串扰和参与干涉的三束光功率比值的关系5 0 图3 1 3 多路光开关示意图5 1 图3 1 4 单一组合相移臂控制的多路光开关示意图5 2 图3 1 5 单一组合相移臂控制3 x 3 热光开关示意图5 3 图3 16 器件的静态传输曲线，分别为：光从( a ) 1 端口入射，( b ) 2 端1 ：1 入射， ( c ) 3 端口入射。5 4 图3 1 7 单一组合相移臂控制的热光开关的b e a m p r o p 仿真图5 5 图3 18 ( a ) 单一组合相移臂控制的热光开关的版图，其电极布置的放大图如 ( b ) 所示。5 5 图3 19 ( a ) s 弯曲示意图；( b ) s 弯曲引入的额外的相位差5 6 图3 2 0i m e 热光器件制作工艺流程5 7 图3 2 1 ( a ) 芯片及夹具；( b ) 单模波导和热电极的示意图；( c ) 开关的显微 镜图；( d ) 热电极的显微镜照片，即( c ) 图中的椭圆区域；( e ) 3 3 m m i 局部扫描电镜照片( s e m ) ；( f ) 倒锥的s e m 照片5 8 图3 2 2 归一化的单一组合相移臂控制的热光电极的3 3 热光开关的静态传 输曲线，( a ) 光从1 端口入射；( b ) 光从2 端口入射；( c ) 光从3 端口 入射。5 9 图3 2 3 单一组合电极控制的3 x 3 热光开关的速度测试6 0 图3 2 4 深刻蚀空气槽降低热串扰6 l 图4 1 1 x 3 电光开关( i m e 制作) 的显微镜照片，工作带宽和静态传输特性 6 7 图4 2 四端口电光高速路由器6 7 图4 3 四端口宽带路由器版图6 8 图4 4 器件图片( a ) ：器件显微镜照片，其中黑色区域的局部放大图的照片 如( b ) 所示；( c ) 光路由器所用交叉结的s e m 图及( d ) f d t d 仿真图6 9 图4 5 路由模式下，四端口宽带电光路由器的工作带宽7 0 图4 6 广播模式下，n 端口发射到s ，e 端口的频谱响应。7 0 图4 7 器件的速度测试( a ) 器件响应，( b ) 驱动信号( 3 0 m ) 7 1 图4 8 ( a ) 单一组合相移臂控制的四端口热光路由器示意图；基于4 个共 2 种1 3 光开关，分别如( b ) ，( c ) 所示，电极对称布置。7 2 图5 1 狭缝波导及其模场示意图7 7 图5 2 狭缝波导模场分布：垂直狭缝波导的( a ) t e 模场和( b ) t m 模场，水 平狭缝波导的( c ) t e 模场和( d ) t m 模场。7 8 图5 3 狭缝波导的应用7 9 图5 4 单偏振模式芯片示意图一7 9 图5 5 十字狭缝波导的( a ) 示意图，( b ) 单模条件，及在( c ) 偏振分离，转换中 的应用，( d ) t e 模的模场分布；( e ) t m 的模场分布8 0 图5 6 基于填充电光聚合物的十字狭缝波导模型示意图8 0 图5 7 仿真流程示意图8 2 图5 8 不同电压组合下的有效折射率8 3 图5 9v l = 4 2v ，v 2 = 2 9 5v 时的( a ) 电位分布，x ，y 方向上的电场分量：( b ) e x ， ( c ) e y 。一8 4 图5 1 0 十字狭缝波导的制备流程8 4 表目录 表2 12 2 型光开关的性能表2 7 表2 3 目前报道的主要的干涉型硅基电光开关的串扰2 9 表2 42 2 开关工作参数汇总一3 3 表3 1 目前报道的单级多路光开关4 1 表3 2 相位组合和工作状态4 4 表3 3 不同工作状态下开关的功耗，串扰和消光比4 6 表3 4 目前报道的多路光开关需要的相移臂数目5 1 表3 5 单一组合相移臂控制的热光开关引线功能表5 7 表4 1 目前主要的光路由器的报道6 5 表4 21 3 电光开关性能汇总( 0 18 岬c m o s 工艺，i m e 代工) 6 7 表4 3 器件的工作模式和工作的相移臂6 8 表6 1 硅基光开关的研究历程和阶段成果9 0 表6 2 早期流片的3 大问题及解决9 2 1 绪论 1绪论 1 1 引言 在过去的几十年里，集成电路的发展一直依据着著名的摩尔定律 1 ，晶体 管的尺寸在不断缩小，芯片的集成度以几何数级的规律不断增长，性能也在不断 提升。与此同时，摩尔定律也不断地接受着挑战。通过缩小晶体管特征尺寸，提 高单核处理器性能的发展思路受到诸多限制而停滞不前。多核、众核处理器的设 计思路渐渐的成为未来高性能处理器性能提升的有效途径。2 0 0 1 年，i b m 首先 推出第一款商业化的双核处理器p o w e r 4 2 ；2 0 0 5 年，s u n 推出了单片集成的 八核处理器u l t r a s p a r c t l 3 ；随后，i n t e l 于2 0 1 0 年设计了4 8 核处理器的原型 4 】。但是，随着核数的不断增加，核内和核间的大量数据交换成为制约处理器 性能提升的瓶颈。一直以来，片上互联一直依赖的金属导线，并没有随着晶体管 尺寸的缩小得到同步的根本性的优化，芯片上的寄生电容和信号串扰以及互联线 的寄生效应越来越显著。电互连的延迟、带宽和功耗等问题日益凸显，传统的电 互连很难胜任未来多核芯片的海量数据交换的任务 5 。 一直以来，光做为信息传输的载体，有着天然的优势。光通讯也以其传输容 量大、信号损耗小、抗电磁干扰等特点。不仅在长距离通讯中显示出巨大的优势， 近些年也逐渐渗透到服务器、超级计算机机架之间等短距离通信领域。2 0 0 7 年， i b m 的b l u eg e n e p 超级计算机系统使用光纤连接各个机架。2 0 0 9 年，i n t e l 宣布下 一代计算机内部部件之间即将使用光纤互连 6 。随着片上电互联面临着难以逾 越的瓶颈，片上光互连的方案又重新走进人们的视野。早在1 9 8 4 年，g o o d m a n 曾提出过在v l s i 中集成采用光互连的想法【7 。最近几年，随着片上多核系统互 联和片上互联的挑战，光互连渐渐引起学术界和工业界的关注。光通信技术正从 短距离通信逐渐走向片上光通信。 浙江大学博士学位论文 1 2 硅基光子学的发展 图1 1 光互连模型 硅材料，一直以来是微电子工业的基石，大部分的半导体芯片是基于硅材料 制作的。作为光学材料，虽然单晶硅在通信波段的传输损耗很小 8 ，但在早期 并没有得到广泛应用。和已经在长距离光通信中得到广泛应用的铌酸锂、v 化合物半导体、玻璃等材料相比，硅材料一开始并不被看好。一方面由于硅是间 接带隙的半导体材料，在发光、探测方面先天处于弱势，另一方面，硅材料没有 一阶电光效应，难以高速有效进行相位调制。但是，随着对硅材料的认识不断加 深，在实现片上光互连，多核众核间互连等短距离大容量信息互连上，硅材料 却展现出先天的优势 9 】，主要表现在：1 硅光子器件的制作可以利用现有成熟 的微电子器件加工平台，具有以下优点：加工精度高，材料来源广泛，成本低廉， 适合大规模生产。2 由于和微电子器件采用同一加工平台，便于进行单片光电混 合集成。3 硅的氧化层，既是作为钝化，掩膜的理想材料，也是非常优良的光学 材料，传输损耗低，折射率为1 4 4 4 且随温度变化小，是非常理想的上下包层的 材料，高折射率差可以对光场进行较强的限制，意味器件尺寸可以得到进一步缩 小，变的更加紧凑。同时，近几年，随着人们对硅材料的认识不断深入，硅基发 光，探测，及相位调制等问题也到有效解决，大量的高性能的光源，探测器，调 制器，光开关等有源，无源器件被制作出来，一个个振奋人心的技术突破见诸报 道。 在光源方面，虽然硅材料是间接带隙半导体材料，但是硅的拉曼放大系数比 s i 0 2 材料大】0 4 以上，为硅基发光提供了可能。目前，有代表性的解决方案有以 下几种，如图1 2 所示。2 0 0 5 年，i n t e l w r o n gh s 等人报道了世界首台硅基连 续激光器 1 0 】，并进行了一系列跟踪报道【11 1 2 ，优化了阈值电压并获得了更长 1 绪论 的波长。加州大学利用键合的办法制备混合型激光器【1 3 】，结合硅波导和化合物 半导体材料的双重优势，是解决光源问题的又一思路。麻省理工学院l i uj f 等人， 提出了硅基s i l x g e x s i 异质结结构的激光器件【1 4 ，完成了光泵浦的实验，并在 最近取得电泵浦的突破 1 5 。一旦实现室温下电泵浦的连续工作，意味着激光器 的制作将完全和c m o s _ t - 艺线兼容，将会具有里程碑的意义， ：，兰二。：i 舔刍l 豳。烹b 弓i ：鎏耄l 矗 豳掣“一”馨” 图1 2 硅基发光的几种主要解决方案 相对于激光器和探测器，调制器的研究相对成熟的较早。2 0 0 4 年，随着i n t e l 发布具有里程碑意义的首台g h z 调制器【1 6 】。之后，得益于电学结构的不断改进， 调制器的性能指标不断得到刷新。比较有代表性的是2 0 0 5 年英s u r r e y 大学gt r e e d 课题组提出了基于反偏p n 结的调制器 1 7 】。2 0 0 7 年i n t e l 在实验上成功验证 该设计的可行性，带宽2 0g h z ，数据传输速率达3 0g b s 1 8 】。这已经成为目前 高速电光调制器的主要解决方案。同时，由超快响应、大电光系数的电光聚合物 辅助的高速调制器也为设计提供了另外一种不同的思路【1 9 】 2 0 。在国内，调制 器的研究一直紧跟国外，2 0 1 2 年北京半导体所的研究小组也突破了2 5g b s 的调 制器技术【2 1 】 2 2 】。 l 筘s 一搋豢 霜 l n 瓣。i l ；矗蠢 ” i 窨 燃舞嚣 浙江大学博士学位论文 图1 3 国内外报道的典型的高速光调制器 在探测器的研究上，近年来，得益于品格大失配材料外延技术的进步，与 c m o s 2 e 艺完全兼容的锗硅探测器得到快速的发展。2 0 0 8 年，i n t e l 的y m k a n g 等人成功研制了增益带宽积高达3 4 0g h z 的g e s i a p d 探测器 2 3 。i b m 的s a s s e f a 等- 人于2 0 1 0 年也研制了一个雪崩型探测器，驱动电压仅为1 5 v ，速度大 于4 0 g h z 2 4 1 。 图1 4 代表性关于探测器的报道 关于光开关的研究，下面的章节会有详细的论述。我们从上文的介绍不难看 出：目前单元器件的性能日趋完善。典型的如探测器，光调制器已经有了较统一、 完善的解决方案，光源方面也有几种较成熟的方案可供选择。飞速发展的光器件 性能也使多种器件的集成一单片收发模块变成可能。2 0 0 7 年，著名的硅光子厂商 l u x t e r a 推出了4 0 g b s 的收发模块 2 5 1 。2 0 1 0 年，i n t e l 推出了传输速率高达5 0 g b s 的光互连模型 2 6 ，2 0 1 2 年，i b m 也发布了高达1 t s 的光互连演示模型 ：2 7 1 。 4 图1 5l u x t e r a ，i n t e l ，i b m 等发布的光互连模块 总之，在过去的二十年，尤其是近十年，硅光子取得了前所未有的飞速发展， 一黼麟兰。，* 逡 一龋一斌一 一 l 绪论 吸引了包括国内外很多企业和学校科研小组投入大量资源推动这方面的研究。这 其中包括i n t e l ，i b m ，l u x t e r a ，m i t , u c s b ，u c l a ，i m e c ，i m e 以及国内的许多研究 机构和高校。在国内，也涌现很多介绍硅光子学的优秀的专著 2 8 】 2 9 】。十年来 一个个振奋人心的研究成果，为短距离、超短距离的大容量信息交换铺平了道路。 1 3 硅基光开关的研究现状和发展趋势 1 3 1 硅基光开关的研究现状 如果说调制器、探测器、光源等为短距离大容量的光通信提供了信息高速公 路，那么光开关则是信息高速公路大容量通信的枢纽。因此，光开关一直是国内 外课题组和企业的重点研究对象。硅基光开关的实现和传统的光波导开关类似。 从开关类型上来看，主要可以分为干涉性和谐振型；从相位调制的机理上来看包 括电光型和热光型；从光开关端口数目上来看，目前1 2 ，2 2 型基本光开关单 元报道较多，也有多路开关单元和