硅基光子芯片可产生纠缠光子对

什么是硅光子？光子IC设计面临的挑战什么是硅光子？硅光子是一种利用光传输数据的IC技术，光通过光波导芯片进行传播（图1）。

硅光子最广为人知的用途是解决“高输入/输出带宽”应用问题。

例如，由于数据中心对带宽的需求持续增长，光纤收发器在电路板和IC芯片上的应用越来越密切。

不过，设计人员也将这种技术应用于生物传感器、医疗诊断和环境监测。

无论何种应用，光子IC总是需要集成到电子电路中，这就带来了一些独特的挑战。

光子集成电路（PIC）需要如下关键功能：•光的生成：利用激光或发光二极管（LED）作为外部光源，或者将其安装在IC上，甚至与IC密集地集成；后面两种情况越来越多。

•光的调制：用于切换或调制光载波上的数据流。

其原理是利用波导核心中电载流子（电子和空穴）的密度来调制光的相位，或者利用电吸收来调制光的振幅。

•分割、耦合与交叉：光在路由过程中，常常需要分割出部分光功率以供监控，与IC耦合和解耦，或者两个波导交叉。

•光的检测：采用对光强度敏感的光电二极管。

•波长滤波：滤除特定波长的光，或者利用单个光波导将多个波长加以合并。

•耦合到芯片周围的系统：采用连接到光纤、电路板级波导或自由空间光学元件的光“探针焊盘”。

图1：布置在波分复用链路中PIC的组件光子IC设计面临的挑战设计人员能够实际设计和仿真的功能远没有发挥硅光子技术的潜力。

造成此差距的原因是如下几个重大挑战：1. PIC的物理版图。

光子版图与电子版图大不相同。

光子器件常常包含曲线形状以定义光滑的波导弯曲。

为了避免传播损耗，此类波导需要满足最小弯曲半径要求。

光子电路版图通常是在一层上，而在单层上为复杂电路布线是很困难的，常常需要交叉互连，否则可能无法完成。

设计人员通常希望全面掌控版图的每一个细节，但同时也期望更高程度的自动化。

2. PIC的物理验证。

光子设计通常需要一套特殊的设计规则检查（DRC），由于波导的曲线路径，这些检查可能不容易实现。

一个很大挑战是版图与原理图的比较（LVS）验证。

硅基相移啁啾切趾光栅的光谱特性分析陈超毅;余建国;王任凡;罗颷【摘要】硅基相移光栅具有良好的波长选择性.文章通过相移光栅的耦合方程,利用Matlab软件进行仿真,分别讨论了不同相移大小和光栅长度对相移光栅的反射谱的影响;通过引入啁啾和切趾技术达到了拓宽带宽、抑制旁瓣和时延的目的.设计仿真出了一种带宽为0.18 nm、时延为-3795 ps/nm的硅基相移啁啾切趾光栅,为波长可控的耦合器、波长滤波器等的设计提供了理论依据.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】5页(P66-70)【关键词】相移光栅;啁啾系数;切趾技术;耦合模【作者】陈超毅;余建国;王任凡;罗颷【作者单位】北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;武汉电信器件有限公司,武汉 430205;武汉电信器件有限公司,武汉430205【正文语种】中文【中图分类】TN914基于硅材料的微电子技术在过去的几十年里取得了举世瞩目的成就,推动了信息技术的发展。

通过近半个世纪的积累,人们对于硅材料及其化合物有了深刻的了解和认识,硅元素也是人类最为了解的元素,这使得硅基工艺具有十分强大的生产能力。

要制作大规模、高集成的硅基光子集成芯片,光信号的输入和输出是关键所在。

硅基光栅研究则是制作光耦合器、光滤波器等无源器件的基础。

由于硅元素的间接带隙和中心反演对称结构,单晶硅作为光学材料一开始并不被人们看好。

但是,硅材料在近红外波段具有高折射率、低损耗以及优良的导光特性,加之硅基微纳技术的迅速发展,人们开始在硅材料上制作微观的光栅,并将其用于集成光路之中。

基于绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)制作的硅基光栅,工艺可与互补金属氧化物(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺相互兼容,能够实现大规模生产,大大降低了制作成本。

专题报告-1硅基光电子学（光子学）研究概况网络信息中心文献情报服务2007年6月硅基光电子学研究概况编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构的基本情况。

希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。

一、技术概述硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。

而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。

硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。

分别介绍如下：1. 硅基光子材料（1）硅基纳米发光材料目前的研究重点是如何有效地控制硅纳米晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳米结构。

制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳米结构生长；扫描探针显微术的表面纳米加工；全息光刻技术的纳米图形制备以及激光定域晶化的有序纳米阵列形成等。

（2）硅基光子晶体光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。

根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。

光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。

在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。

通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。

2. 硅基光子器件（1）硅基发光二极管作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管（Si-LED）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。

大磁场 ， 这有 损健 康 。 ” 第二种方法出现在 ５ Ｏ多年前 ， 主要使 用 能改 变光 的频 率 而不 是光 的偏 振 的 非线 性 光子 材 料 。但 这 种 方 法 也 有 问题 ， 为 因 集 成 电路 的基 本 组成 材 料硅 是 一 种线 性 材 料， 如果 计 算 机 打 算 使 用 由非 线 性 材 料 制 成 的光 隔离 器 ， 就 可 能 会 “ 岗” 那 么 ， 硅 下 ， 所有 计算 机技术 可 能都需 要修 改 。 冯 亮 团 队 设 计 出 一 种 新 的 光 学 波 导— — 个 ０ ８微 米 宽 、 输 送 光 的 硅 设 ． 能 备， 其使光能在一个 方 向采用对称模 式行 进， 而在 另一 个 方 向 上 采 用 非 对 称 模 式 行 进， 因为 不 同模 式 的 光 无 法 相 互 作 用 ， 因 此 ， 两束 光就被 隔离 开 ， 这 能穿过 彼此 。 在最新研究 中， 科学家们 首次用新 的 硅波导这种线性材料将光隔离出来 。尽管 该 研究 还 只 是 一 个 概 念 验 证 实 验 ， 科 学 但 家 们建 造 出了一 个 能被 集 成 到一 块 硅 芯 片 上 的光 隔 离 器 ， 隔 离 器 对 建 造 出纳 米 大 光 小的光子设备至关重要。 现在 ， 最先进 的光子 芯片 的数 据传输 率为 １Ｇ ／ ， ０ ｂ 秒 是个人 电脑 的几千倍 ， 下一 代光子芯片有望达到 ４ Ｇ ／ ０ ｂ 秒。但 因为这 些 光子芯 片没 有 内 置 光 隔 离 器 ， 比 电子 其 芯 片更简 单 ， 而且 也无 法 投 入 实 际应 用 ， 因 此 ， 于最 新研 究 的 光 隔离 器 有 望 加 速 光 基 子 芯片 的商业 化进程 。
激 光器 和 光栅 集 成 的新 型 硅芯 片