【基金标书】2011CB301700-超高速低功耗光子信息处理集成芯片与技术基础研究

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： 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 和 光电子集成芯片研发平台； 能在国内 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 件相比，下降 2数量级。 在此基础上，实现系统功能的 示范性演示 。 （ 4） 在 )、 ）、 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 表数篇论文，争取有邀请报告或 文；在国内举办 2有 较大 国际影响的 光子信息处理 学术会议；力争在 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 ；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 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/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 定的 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 (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 样，充放电时间能大大缩短，可将开关时间降至 100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 1550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 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=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） 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，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 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 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 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/论上限约为 80Gb/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 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 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 超快理论模型 ，优化得到最适合干涉结构的 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（ 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 包括 瞬态啁啾跃变 在内 的超快非线性效应。 针 对 和 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 （ 把 有源器件 嵌入 到以 无源器件为主的 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 源结构整片键合到 片 上。 全光时钟恢复 芯片 ： 对于 100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 420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 100Gb/s 信号的时钟恢复，首先要设计自脉动频率为 100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 40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 10右），因此有较大的设计和制作容差，便于批量化生产。 器件由 、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 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 1550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 100间抖动 200 全光时钟恢复器件。 全光 2R/3R 再生 芯片 ： 基于 应实现 100Gb/s 信号 3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 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 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 样进入 信号光功率几乎是恒定的， 利用两束光信号之间的超快 非线性作用 ，辅以 的 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 电吸收调制器 ）较 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 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 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 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 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 （ 有源波导和 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 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 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 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 开关速度达到 10 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子色散效应，实现光信道的高速、低功耗切换 ； 提出采用 硅 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 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 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 艺特点设计 集成器件， 充分利用 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 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 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： 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 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 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 10级 ，矩阵规模为 1616（可重构无阻塞）， 信道串扰 耗 100 fJ/制出大延时 带宽积的级联微环缓存原型器件， 延迟达 1级， 连续可调 。 研究内容： 研究 微纳尺寸 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 准工艺制作光交换和 光 缓存芯片时， 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 2、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 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 100率调谐范围 10间抖动 200 耗 200fJ/b。 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 3、超快非线性光控光机理及全光 2R/3R 再生集成芯片研究 预期目标： 建立 100Gb/s 光 2R/3R 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 2R/3R 集成 器件设计和制作 方案； 实现 100Gb/s 恶化信号的 3R 再生，恶化信号再生 后误码率 10功耗 1pJ/b； 实现 多波长 2R 再生，工作速率 100Gb/s， 信道 数 8，恶化信号再生 后误码率 10功耗 500fJ/b。 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 3R 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 3R 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 2R 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 4、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（ ） 之间的转换 ； 工作速率 100Gb/s，信道 数 8， 误码率小于 10耗 500fJ/b。 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 （ ）和 Z 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 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： 17% 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 5、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 100Gb/s， 调谐速度 谐范围 40耗 500fJ/b。 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 和 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 5 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 。 图 5. 项目目标、科学问题与课题设置之间的关系 四、年度计划 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 1) 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 ； 2) 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； 3) 研究光电子器件设计方法和规范，初步建立 和硅基 光子信息处理集成芯片 设计平台 ； 4) 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； 5) 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 。 1) 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 ； 2) 建立 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 ； 3) 在理论工作取得突破的基础上发表学术论文50。 第 二 年 1) 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 ； 2) 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 艺线进行流片）； 3) 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； 4) 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。 1) 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 40G/s 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 ； 2) 发表学术论文 60，申请国家发明专利 4 3) 完成项目中期检查。 年度 研究内容 预期目标 第 三 年 1) 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 和硅基 光子信息处理集成芯片 设计平台； 2) 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2R/3R 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； 3) 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。 1) 完成项目的主要理论工作，在国际高水平刊物上发表论文 40，在本领域重要学术会议上发表论文，包括邀请报告； 2) 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； 3) 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 100Gb/ 4) 申请发明专利 4；部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划 。 第 四 年 1) 进行项目各类器件的制备（包括基于国内标准 艺的流片）； 2) 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； 3) 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 。 1) 完成项目主要器件的制备； 2) 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 100Gb/s，功耗 1pJ/b； 3) 发表学术论文 60，申请发明专利 4；部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划 。 年度 研究内容 预期目标 第 五 年 1) 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 ； 2) 进行器件功能的实验演示和验证； 3) 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； 4) 在 科技部统一规划下， 完成 项目 验收工作。 1) 发表学术论文 60，申请发明专利 3；部分骨干教师申请杰青、长江等人才计划； 2) 全面完成 项目 各项研究工作，指标达到本任务书要求； 3) 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 2R/3R 再生等器件和技术，如图 4 所示。 图中，经过长距离传输的 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 2R/3R 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 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 2R 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： （ 1）高速大容量光交换矩阵基础技术及芯片研究 图 4. 下一代 网络 核心 节点光 子 信息处理功能结构示意图 高速、低功耗数字式波长选择光交换矩阵 ：研究 微纳尺寸 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 22 光开关基本单元 的机理和设计方法；研究 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 准工艺制作光交换芯片时 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。 级连续可调 硅 基光缓存 ： 研究光波在 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（ 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 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 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 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