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硅光子学:光电子学与微电子学的联姻
电子信息
2018-01-03 12:59
作者  甘甫烷 余明斌 武爱民 李伟 祁明浩

中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队围绕“微电子和光电子的融合”,基于互补金属氧化物半导体工艺技术,在硅光子加工工艺平台、高性能硅基光器件、硅基光子集成等方面取得了一系列意义重大的进展。

在半个世纪左右的时间里,硅基技术一直是半导体芯片产业的绝对主角。它打下了坚实的基础,使得硅集成芯片等颠覆了人类的生活方式和生活面貌。然而随着新一代信息技术的发展和信息量的不断提升,对硅集成芯片之间高密度光通信和光交换的要求越来越迫切,传统的以电子学金属互连技术为基础的方法已经越来越难以为继。而硅光子技术能够与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容,实现微电子与光电子的融合,以光子取代电子实现大规模光子集成,成为解决集成电路持续发展遇到的速率和功耗两大瓶颈的理想方案,是发展高端中央处理器、高性能计算机和高速光通信的下一代关键技术。

例如,硅光子技术能够实现高性能计算机超节点间、芯片间以及片上光互连,包括电路板间的数据传输,以及芯片间和芯片内的光传输,在超级计算机的研发中扮演着重要角色。除此之外,硅光子技术在相控阵激光雷达中也日益表现出重要的应用潜力。因此,硅光子技术有巨大的产业化前景,硅基光子学也成为国际前沿科技研究的竞争热点。

硅光子学的主要研究内容按侧重点来分可以归为两个方向:高性能硅光子器件的研究——在微纳尺度实现原理和工艺创新,研制尺寸更小、性能更好的硅光子器件;大规模硅基光子集成研究——通过硅基片上集成方法和集成工艺的创新,实现多功能的光子芯片。需要指出的是,这两类研究仅仅是侧重点不同,实际上的界限并没有那么泾渭分明,比如硅基光子器件的研究通常也会考虑如何使其更有利于集成的问题,而对硅基光子集成芯片的研究同样离不开高性能器件的研制。

近年来,硅光子学取得了长足的进步。硅基光子集成技术需要多种元器件,最核心的器件包括激光器、调制器、探测器等。其中硅基片上激光器是最具挑战性的研究难题,目前硅基激光器通常采用以下技术:在硅或氧化硅中掺铒;混合键合集成III-V族材料;采用高浓度掺杂锗材料;利用表面等离子激元。日本的科研小组采用混合键合技术将1.3um砷化铟/砷化镓量子点激光器和硅波导制作在一起,获得了最低的阈值电流密度。麻省理工学院采用高浓度掺杂锗制作了电泵浦激光器,对锗施加拉应力,可大幅降低激光器的阈值电流。加州大学伯克利分校研究团队研制了纳米硅波导等离子激光器,使辐射效率大大增强,达到35%,并成功将不同频率的激光束复用到单根波导中。

在调制器方面,过去的几年中,驱动电压、功耗、比特率关键性能指标都取得了一系列突破。美国Kotura公司在2010年成功实现了功耗10 fJ/bit、速率12.5 Gbit/s 的调制。仅1V的低驱动电压保证了它完全可以由当前的CMOS 电路直接驱动,而不需要额外的驱动设计。2011年,美国Oracel实验室将这种结构的速率提升至25 Gbit/s,功耗降至7 fJ/bit,并且集成了热电极对工作波长进行调节。中国科学院半导体研究所针对这种结构的调制器也做了很多有特色的研究工作,包括采用交趾型的掺杂图案来降低光刻时由套刻误差导致的pn结位置偏差对器件性能的影响,以及用串联双环结构来增加带宽和提高消光比等。

在探测器方面,一种方法是在硅上面通过外延生长或键合引入III-V族材料来实现1550nm波段的探测。例如,加州大学圣芭芭拉分校研制了由绝缘体上硅(SOI)脊形波导和III-V族化合物组成的混合集成波导型探测器。比利时根特大学开展了将苯并环丁烯(BCB)作为III-V族/硅半导体材料键合中间层的相关研究工作,成功实现了光电探测器与SOI光波导的片上集成。另外一种方法是外延生长锗材料来制作探测器。美国桑迪亚国家实验室和麻省理工学院采用130nm CMOS工艺线制作了高集成度的45GHz带宽波导型锗探测器,响应度为0.8A/W。美国Kotura和Oracle公司的研究团队采用纵向p-i-n结制作了波导耦合的锗探测器,带宽为36GHz,响应度为0.95A/W。法国的科研团队利用横向p-i-n结制作了波导耦合锗探测器,带宽估计可达到120GHz,响应度为0.8A/W。在国内,中国科学院半导体研究所、中国科学院上海微系统所、清华大学、浙江大学、华中科技大学、厦门大学等单位开展了锗材料外延生长、低温键合等工作。

在硅光子集成方面,国际上的研究更是活跃。2015年7月,美国投资6.1亿美元成立国家集成光子学创新机构,由政府、学术界、企业界等124家单位组成,其中包括IBM、英特尔等50家企业,麻省理工学院、加州大学圣芭芭拉分校、斯坦福大学等20多家大学、33个学院,以及16个组织。2015年12月,加州大学伯克利分校、麻省理工学院、科罗拉多大学等在《自然》杂志报道了基于硅基光子技术的芯片级光电集成微处理器,能够实现逻辑处理、存储和互连等功能。2016年2月,欧盟启动了ICT-STREAM项目,研究用于E级计算机系统光互连的硅基光子芯片,采用32通道激光器阵列和单通道50Gbps的速率实现1.6Tbps的收发光引擎和25.6Tbps的路由光引擎,用于CPU之间的数据交换。2016年7月美国,J.E.鲍尔斯(J.E. Bowers)研究组报道了首个(8×8×40)Gbps的硅基片上光网络芯片。

然而,硅基集成光子学在如何实现高速、低能耗、高密度集成的研究方面还面临诸多挑战,硅光子器件尺寸过大和高密度集成困难仍是绕不开的难题。为此,中国科学院上海微系统与信息技术研究所的研究团队围绕“微电子和光电子的融合”,基于CMOS工艺技术,在硅光子加工工艺平台、高性能硅基光器件、硅基光子集成等方面取得了一系列意义重大的进展。

硅光子加工工艺平台

经过近半个世纪的发展,集成电路制造工艺发展到目前极大规模的纳米技术时代,已经商用的集成电路线宽已经达到22nm及以下。与之相比,商用程度最高的埋入型二氧化硅光波导集成器件,其波导宽度仍在微米量级,比集成电路的线宽大两个数量级,导致器件尺寸很大,集成度非常低。因此,需要发展与大规模集成电路工艺技术(CMOS技术)相兼容的硅基光子学,把光子器件与各种逻辑控制和驱动电路集成在硅材料上。目前,美国、欧洲、新加坡等地纷纷开展了基于CMOS工艺技术的硅基光子学研究,并建立了一系列硅基光器件工艺平台。

为加快产业化进程,研究团队与上海宏力半导体制造有限公司先进的大规模集成电路(指CMOS)商用工艺生产线合作,基于0.13μm CMOS技术,采用248nm光刻技术,建立了整套利用CMOS工艺进行硅基微纳光电器件和光电集成的工艺平台。基于此平台,研究团队已经具备加工世界先进水平硅光子器件的能力。比如,研究团队研制的单模硅纳米线光波导对TE模式和TM模式的传输损耗分别为2.4±0.2dB/cm和0.59±0.32dB/cm,达到了世界先进水平。通过该工艺平台,研究团队设计并实现了各种硅基光电器件,如光栅耦合器、低损耗滤波器、多模干涉分光器/合光器等无源器件,以及可调光衰减器、高速硅基光电调制器等有源器件,为硅光子学研究打下了坚实基础。

超低损耗分光器/合光器

分光器/合光器用来实现分光/合光功能,是许多光电子器件(如硅基光电调制器)的重要组成部分。衡量分光器/合光器优劣的主要标准是附加损耗,即器件本身所产生的损耗。为了减小多模干涉耦合器的插入损耗,研究团队设计了锥形输入/输出波导,通过优化输入/输出端口与多模波导之间的匹配减小其插入损耗。设计及加工的多模干涉耦合型分光器如图1所示。经过测试,单个MMI分光器/合光器的插入损耗在0.06dB,这是迄今为止损耗最低的MMI器件(IEEE Photonics Journal,2012)。

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高速高效光调制器

硅基光调制器能够完成从电信号到光信号的转换功能,是光互连、光计算和光通信系统的关键器件之一。硅基电光调制器由于其结构工艺复杂和重要的电光转换功能,成为代表硅光子学发展水平的标志性器件。硅基光调制器的核心指标是调制速度、调制效率以及损耗。在硅基光调制器研究方面,研究团队提出了优化理论,通过共面映射技术和部分电容技术,将复杂的调制器结构等效为微波传输线解析模型,完全采用解析方法计算,显著降低了计算时间,并保证了较高的仿真精度,最终实现信号源输出阻抗、终端负载和调制器阻抗的匹配,减少了反射损耗。另外通过光波导结构和掺杂浓度的优化,实现了较低的光学损耗和较高的调制效率。2012年,研究团队研制出高速高效调制器(见图2),调制速率44Gbps,调制效率高达0.45V.cm(见图3), 而片上损耗只有3.9dB,属于国际领先水平。

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高密度光子集成方法和新原理

在硅基大规模光子集成时,微纳结构中光、热、电等多物理场耦合效应是基础性的物理难题;此外,受光学衍射效应等物理机制影响,硅光子器件对CMOS工艺的要求与标准半导体工艺尺寸并不完全一致。

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为此,研究团队提出了创新的研究思路和技术路线。针对多物理量串扰问题,研究团队通过引入螺旋形等新结构,实现热、光等场局域化,大幅度减少了热、光等串扰(见图4)。在此基础上,研究团队为解决利用分立器件搭建的传统微波光子系统体积大、功耗高、受外界环境影响大等缺点,提出利用硅基集成光子技术实现单片集成微波任意波形发生功能。该项研究在同一芯片上集成了信号调制、可调延时、信号通道化等功能,实现了轻量化、低功耗、多通道的微波光子芯片(见图5),是当时世界上集成度最高的硅光子芯片(《自然.通信》,2015,6:595)。该项研究为电子对抗、侦察等射频系统的轻量化、低功耗化打下坚实基础。特别值得一提的是,该芯片利用国内商用CMOS工艺平台制作,实现了硅基集成光芯片体系的自主可控。

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为突破当前光子集成的衍射限制,并为实现更高密度的超大规模光子集成提供新原理和新方案,研究团队突破了金属表面等离子体、波导、光子晶体等传统概念,发展了基于硅纳米粒子结构的全新光操控体系,打破光学衍射极限,发现并通过实验证实了零曲率半径的光束尖锐弯折操控现象(见图6)。与国际上最有代表性的几个研究对比,比如等离子激元结构(《自然.材料》,2003,2:229),以及金属谐振结构(《科学》,2001,292:77),本项研究具有更易集成、尺寸更紧凑以及损耗更低等优势,能在平面集成光学和硅基光电集成上发挥更大功用。以上理论发现成果发表在《物理快报》(Physical Review Letters,2011,106:203903)上。基于上述理论工作,研究团队开发出了高深宽比、高表面质量、全硅的纳米单排硅圆柱阵列,分别在远场和近场测试中得到了零曲率半径的弯折,实现了理论与实验工作的完美结合,成果发表在《纳米快报》(Nano Letters,2015,15,3:2055)上。这项工作发现并实验证实了零曲率半径的光束尖锐弯折操控机理,为未来实现更高密度的超大规模光子集成提供了新原理和新方案。

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硅光子学融合了CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性以及光子技术超高速率、超低功耗的优势,在诸多领域都展现出了巨大的潜力。但通往未来的路上依然充满挑战,以中国科学院上海微系统所研究团队为代表的研究力量已经在为迎接这些挑战进行着准备,研究团队在硅光子加工工艺平台、高性能硅基光器件、硅基光子集成等方面所取得的进步为硅光子技术的进一步发展铺平了道路,也让我们看到,硅光子技术为计算机和通信等领域带来颠覆性影响的未来并不遥远。

致谢:感谢国家重点研发计划重点专项项目“低损耗硅基微纳16信道波长复用/解复用器及32信道波长路由器研究”(项目编号:2017YFA0206403)和中科院重大战略先导专项项目“大规模光子集成芯片”(项目编号:XDB24020000)的支持。

作者:甘甫烷、余明斌、武爱民、李伟、祁明浩

(甘甫烷、余明斌,中国科学院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室研究员;武爱民、李伟,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室副研究员;祁明浩,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室研究员。)

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2017-12-29
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