用硅基激光器提高数据容量限制

硅基光电子材料在信息通信领域的应用随着信息技术的发展和普及，通信设备的使用已经变得越来越广泛。

作为现代通信的重要载体，光电子技术在通信领域中有着日益重要的地位。

光电子材料是光电子技术中的重要组成部分。

其中，硅基光电子材料因其重要的应用价值和广泛的应用前景，成为了最受关注的种类之一。

一、硅基光电子材料的概述硅基光电子材料是使用硅原料制成的光电子材料。

随着多晶硅、单晶硅和氮化硅等硅基材料的应用，硅基光电子材料的性能和应用领域也得到了不断拓展。

硅基光电子材料有着许多优异的性质。

首先，硅材料是一种光和电的双重响应性材料，可以完成光电子转换。

此外，硅基材料易于加工和制备，而且具有高温稳定性和与半导体制作工艺兼容等优点。

因此，硅基光电子材料不仅在通信领域得到了广泛应用，而且在计算机、电子设备、太阳能电池等领域也有着极高的应用前景。

二、硅基光电子材料在通信领域的应用由于硅基光电子材料具有双重响应性和高流明输出等特点，在通信领域得到了广泛应用。

1. 光纤通信光纤通信是一种高速、大容量、低耗能的通信方式，由于硅基光电子材料的高流明输出和光学增益效应，硅基光电子材料在光纤通信中得到了广泛应用。

硅基光电子材料不仅可以实现高速、长距离数据传输，而且可以提供更高的数据传输速率和更低的误码率，因此在现代通信中有着广泛的应用。

2. 光电子集成电路光电子集成电路是光学和电子学相结合的电路。

硅基光电子材料是制作光电子集成电路的重要材料之一。

硅基光电子材料可以用于制作高能效、高密度、大带宽的光电子集成电路，同时也具有可重复性和可靠性等优点，因此受到了广泛的关注和应用。

3. 激光器硅基光电子材料也被用于激光器的制造。

硅基材料用作激光器材料可以有效地增强激光器的性能。

硅基激光器具有性能稳定、耐用和重量轻等特点，在现代的通讯系统、制造业和医学等领域中得到广泛应用。

三、硅基光电子材料的未来前景随着物联网、5G和光计算等新技术的发展，硅基光电子材料的应用前景广阔。

光芯片技术路径随着信息技术的快速发展，对高速、大容量数据传输的需求越来越迫切。

光通信作为一种高速、大带宽的传输方式，受到了广泛关注。

而光芯片作为光通信的核心组成部分，其技术发展也备受瞩目。

本文将从光芯片技术的发展路径出发，探讨其发展历程和未来发展方向。

一、传统光芯片技术传统的光芯片技术主要采用硅基材料，通过微电子工艺将光学器件集成在芯片上。

硅基光芯片具有制造成本低、集成度高等优势，但其本身的光学特性并不理想，在高速传输和大容量数据处理方面存在一定的限制。

为了克服硅基光芯片的局限性，研究人员开始探索新型材料和结构，以提高光芯片的性能和功能。

二、新型材料的应用1. 砷化镓（GaAs）砷化镓材料具有优良的光电性能，可以用于制作高速光调制器和探测器。

通过将砷化镓材料和硅基材料进行复合，可以实现硅基光芯片与光纤之间的高效耦合，提高光通信系统的传输效率。

2. 氮化镓（GaN）氮化镓材料具有优异的光学和电学性能，被广泛应用于LED和激光器等光电器件中。

将氮化镓材料应用于光芯片中，可以实现高速数据传输和高密度集成。

3. 磷化铟（InP）磷化铟材料具有优良的光电性能，是制作高速调制器和光放大器的理想材料。

将磷化铟材料与硅基材料相结合，可以实现光芯片的高速传输和低功耗。

三、新型结构的设计1. III-V/Si混合集成结构将III-V族元素（如磷化铟等）的光电器件与硅基芯片进行混合集成，可以充分发挥两者的优势，并实现高速、低功耗的光通信。

2. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）VCSEL是一种新型的激光器结构，具有体积小、功耗低、调制速度快等优点。

将VCSEL应用于光芯片中，可以实现高速数据传输和集成光学互连。

3. 光子晶体光波导光子晶体光波导是一种具有周期性折射率的结构，可以实现光的高效传输和控制。

将光子晶体光波导应用于光芯片中，可以实现高速、高密度的光通信。

四、未来发展方向随着信息技术的不断进步，光芯片技术也将不断发展。

硅基光波导开关技术综述涂鑫;陈震旻;付红岩【摘要】硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍,并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结;然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术,特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面;最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望,其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)010【总页数】15页(P1-15)【关键词】光开关;硅光子学;光互连;光子集成【作者】涂鑫;陈震旻;付红岩【作者单位】清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055;清华大学,清华-伯克利深圳学院,深圳 518055【正文语种】中文1 引言近年来,互联网通信数据容量每年以50%—60%的速度迅速增长,人们对带宽的需求越来越大.运营商在电信长途骨干网和城域网建设中遇到了电交换的瓶颈：电交换设备单机容量达到上限；5G网络的回传时延指标对交换节点的性能提出了更严格的要求；网络节点的电交换设备功耗高达万瓦,耗电量接近了许可极限,耗电量的80%源自光电/电光转换和电交换开关.因此光交换技术的优势日益凸显,基于波长选择开关(wavelengthselective switch,WSS)和自由空间微电子机械系统(micro-electromechanical system,MEMS)的光开关技术已被部署用于关键网络节点的可重构光分插复用(reconfigurable optical add-drop multiplexer,ROADM)设备中,实现了波长和端口通道毫秒量级的数据链路切换时间[1-3].在短距数据中心网络中,经常需要根据动态需求进行网络重构.目前,数据中心网络中的重配置主要是由高速电交换开关来完成：输入光信号被转换成电信号,在电域完成交换之后再被转换回光信号输出.尽管电学信号的放大、整形和同步技术成熟,但是光/电/光(O/E/O)转换通常需要光收发器,即用于光/电转换的接收机和用于电/光转换的发射机,这给交换系统带来极大的转换功耗.同时,由于电交换与光波分复用技术(wavelength division multiplexing,WDM)不兼容,每条光链路都要通过复用器、解复用器以及多路O/E/O的转换,这就增加了交换节点的数据链路重构的复杂性和硬件成本.光交换与电交换相比,无需进行O/E/O转换,且对数据比特率、信号格式和协议是透明的,具有更低的功耗和硬件成本优势.虽然光开关的速度(从纳秒到毫秒取决于不同技术方案)仍然比电开关的速度慢(亚纳秒),但是它可以处理通信中缓慢变化的数据部分(例如数据流和长分组数据包),同时指定电交换来处理通信中的突发数据部分(例如短分组数据包),并各自发挥自身优势,有望成为未来数据中心网络最具潜力的交换技术[4].此外,随着云计算的出现、物联网的发展以及人工智能的兴起,具有高带宽和大数据传输容量的动态数据交换技术将广泛地用于高性能的数据密集型计算中,服务于健康信息学、网络安全、市场营销、金融和国防等领域[5].这类应用场景要求开关芯片可实时处理大量具有随机性和探索性的数据,实现对频繁的短消息纳秒量级的快速交换.然而在过去二十年内,集成电路芯片中的带宽快速增长受到了管脚密度和金属引线等电子瓶颈.芯片功耗正以每三年翻倍的速率增长,并持续趋近电子器件的功耗所能够承受的温度极限,大部分能耗集中在主板的电信号传输线和O/E/O转换过程.因此,采用新的微处理器架构和光交换技术有望显著改善片上互连的带宽和时延特性.未来百亿亿次浮点运算要求功耗降低到pJ/b量级,成本控制在¢/Gb/s量级[6],采用传统的电信号交换技术将无法满足,光信号交换将为解决该通信需求提供新的途径与方案.由此可见,无论是数千公里的电信网络交换还是几厘米的计算机核间并行计算,都需要光开关技术来实现特定数据流配置的业务模式.近些年几种典型的光开关被广泛地研究,包括MEMS[7]、硅上液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)[8]、铌酸锂波导[9]、III-V族半导体光放大器[10]、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[11]和微环谐振器(micro-ring resonator,MRR)[12].与铌酸锂、III-V族平面波导回路芯片和MEMS平台相比,基于绝缘衬底上的硅(silicon-on-insulator,SOI)平台的硅基光电集成芯片具有以下优势：1)体积只有传统二氧化硅器件的1/1000,器件密度高；2)能够与III-V族有源光器件和互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)电路实现单片集成；3)加工工艺与先进微电子技术共享成熟的CMOS技术制造平台,波导侧壁粗糙度可控制在纳米量级以内；4)可以采用12英寸SOI晶圆量产,器件成本可降低到IIIV族器件的1/3以下[13]；5)热光效应和等离子体色散等非线性效应强,驱动功耗低；6)硅材料在通信波段透明且响应速率快,极高带宽、超快传输与调制速率；7)与电子器件相比,硅光器件采用近红外光信号传输数据,不受电磁波干扰,具有高抗干扰性和高可靠性.此外,与传统的基于单一工艺和单一材料的光学器件相比,硅基光电集成芯片的材料与工艺的多元化特点决定了它的丰富功能,不仅实现了光开关集成回路(包括波导、相移器、探测器和模斑耦合器等),还实现了电子集成回路(晶体管和电容、放大电路等),从而节约了单个元器件的封装成本.本文首先回顾近年来硅基光波导开关的发展现状,对不同原理和结构的硅基光波导开关的特点进行分析和总结,包括MZI型、MRR型和MEMS驱动波导型.随后介绍自己最新的研究成果,分析影响开关矩阵性能的关键技术.最后,对硅基光波导开关技术研究的技术挑战进行分析,并提出了硅基光波导开关技术未来的潜在研究方向.2 硅基光波导开关引擎2.1 MZI型MZI型光开关单元是最简单的大宽带干涉型开关引擎.由于其不受信道间隔和网格配置的限制,非常适用于WDM系统中的多波长复用光链路的空间端口切换场景.典型的MZI型2×2光开关单元如图1(a)所示,由两个50：50的分束器和两个长度相同的波导组成,并在其中一臂上制作电极,利用硅的热光效应或者注入载流子产生的等离子色散效应,改变一臂的波导折射率,形成相移器.当两臂光信号的相位差达到0或π,输出端口的光信号发生相干相长或相干相消,实现光信号切换.热光波导开关可以实现亚微秒至毫秒量级的端口切换,适用于大型数据中心间互联(Data Center Interconnection,DCI).由于硅在室温下具有较高的热光系数=1.86×10¯4/K[14],因此硅波导热光开关比二氧化硅热光开关具有更高的效率.热光相移器的相移Δφ 可以表示为图1 (a)MZI型2×2光开关单元结构示意图.硅基波导开关相移器的横截面图(b)金属薄膜热电极热光相移器；(c)掺杂波导热光相移器；(d)空气隔离层的热光相移器；(e)注入载流子型电光相移器Fig.1.(a)Schematic of 2×2 MZI switch cell.Cross-sections of waveguide phase shifters：(b)Thermo-optic phase shifter using a metal heater；(c)thermo-optic phase shifter using a doped resistiveheater；(d)suspended thermo-optic phase shifter using a metal heater (e)carrier injection phase shifter.其中λ 是波长,ΔT 是相移器上热调谐的温度改变量,L是相移器的长度.热电极通常有两种结构[15],一种是位于硅波导上方的金属薄膜热电极(TiN,Pt,W等),如图1(b)所示.注入的电流产生的焦耳热通过波导的包覆层二氧化硅传递给硅波导,并改变其温度和折射率.这种金属薄膜热电极的热效率受到包覆层热导率和热电极与波导的间距的限制,开关功耗通常在毫瓦量级.另一种是在脊型波导的中心进行轻掺杂,两侧部分刻蚀平台区重掺杂,形成欧姆接触电阻,如图1(c)所示.这种热电极,由于直接与硅波导的光信号模场中心重合,具备更快的时间响应特性和更高的热效率,但掺杂材料对光信号会产生吸收,因此损耗更高.由于硅光集成芯片能耗大部分来自于热光相移器,降低热调谐功耗能够提升器件密度,一种有效的手段是在热电极附近通过各向同性硅刻蚀工艺引入空气隔离槽,如图1(d)所示,使加热的波导臂悬空,降低硅波导向四周的热耗散.然而,空气隔离槽提升加热效率的同时延长了热光相移器的时间响应常数.因此需要器件结构优化设计,获得开关时间与功耗之间的平衡.与热光波导开关不同的是,电光型波导开关可以实现纳秒量级的端口切换,适用于数据中心内网络(Data Center Network,DCN)交换和微处理器片上的互连.注入载流子型相移器是正向偏置的PIN结二极管,如图1(e)所示.根据等离子色散效应[16,17],硅的折射率变化可以写成其中ΔN 和ΔP 是电子和空穴的载流子浓度变化量.同时,载流子浓度的改变也影响硅的吸收系数,即其中Δα 是系数的改变量,由(2)式和(3)式可以看出,当ΔN 和ΔP 增大(即正向偏置)时硅波导的折射率会降低,同时注入的载流子引起吸收系数的增大,导致光功率的损耗变大,从而MZI的两臂光信号损耗不相同,引起串扰的恶化.另一方面,由于硅的热光效应,正向偏置产生的热效应会增加硅波导的折射率,与注入载流子引起的折射率变化趋势相反,因此降低调制效率.为了改善此问题,人们提出采用推拉的双臂驱动设计[18,19]：即将两臂的初始相位差设置成π/2,在两臂上分别通过注入载流子的方式产生附加的±π/2 的相位差,从而实现光信号端口切换所需的0或π 的相位差.与传统的单臂驱动设计相比,双臂驱动的两臂上施加的驱动电流更小,引入的损耗和串扰更低.此外,PIN结二极管还常与热光相移器集成,用于补偿工艺容差带来的相位差,而不引入额外的损耗.表1中列举了典型的MZI光开关研究现状.为了降低功耗,Fang等[20]采用隔离槽技术使得热光开关的功耗分别降低至0.5 mW,开关速度达到0.3 ms；Dong等[21]采用4 mm长的螺旋波导相移器有效降低了偏置电流,注入载流子开关功耗仅0.6 mW；Lu等[22]采用折叠波导相移器增加了热电极与波导的接触长度,热光开关功率低值50 μW.为了扩大光学带宽,Watts等[23]和Chen等[24]分别提出绝热耦合器和弯曲耦合器,使光学带宽超过100 nm.为了降低串扰,Suzuki等[25]提出采用可调谐3 dB耦合器去动态弥补另一个3 dB耦合器的加工误差,从而获得—50 dB的超低串扰；Dupuis等[26]报道了一种一臂内嵌MZI相移器,另一臂集成可调衰减器的光开关,这种结构通过内嵌MZI和可调衰减器的损耗平衡,在保持两臂损耗相同的前提下实现相位从0到π 的调谐,从而实现了—34.5 dB的串扰.在我们最新的工作中[26],在IME的220 nm×500 nm SOI硅波导的平台上,采用标准的TiN热电极相移器,通过对多次折叠波导和空气隔离槽结构的优化,实现了两种情况下的热光硅波导开关单元：1)引入空气隔离槽层：开关时间1.34 ms,开关功耗0.5 mW；2)无空气隔离槽层：开关时间70 μs,开关功耗10 mW.2.2 MRR型与MZI型光开关不同,MRR型光开关单元是具有波长选择性的谐振型开关引擎[28],其谐振波长与谐振腔的尺寸关系如下：其中R是谐振器半径,neff是模式的有效折射率,m是模式的阶数,λ是谐振波长.由于谐振特性可以增强相位,它具有更低的功耗和更小的体积,受到大家的关注.典型的MRR型2×2光开关单元如图2(a)所示,由输入—直通波导、上载—下载波导和可调谐的微环组成.当WDM系统中的信道间隔和网格配置与微环谐振器的自由光谱程相和谐振频率适配时,波长交换可以通过热光效应或者等离子体色散的电光效应调谐MRR的相移器进行实现.如图2(b)所示,当输入光信号的波长λ2落入微环的谐振波长时,可以从下载端口输出；同时非谐振光信号波长λ1和上载端口输入的相同波长λ2’的光信号从直通端口输出,实现波长交换.尽管微环谐振器型光开关功耗低、体积小,但是实际应用中需要克服两个主要技术障碍：第一,单个微环的滤波谱线呈现洛伦兹线性,限制了光信号带宽和信道间串扰；第二,微环的谐振波长对芯片环境和加工误差非常敏感,实时锁定谐振波长,不受温度和激光器波长漂移是实际应用的关键保障.表2总结了近年来MRR型光开关单元的代表成果.为了增大带宽,级联微环的结构常常用来整形滤波谱线,实现近似矩形的两边陡直中间平顶的滤波窗口[29-33]和宽带无中断的调谐[34].近期,Lu等[35]提出了一种MRR与MZI相结合的结构,上臂耦合的MRR工作在波长λ1,下臂耦合的MRR工作在波长λ2.当调谐其中一个MRR的波长到(λ1+λ2)/2时,两臂产生π的相位差,开关状态发生改变.这种结构结合了MRR的共振增强和MZI的双光束干涉原理,具有更小的功耗.常用的稳定谐振波长方法包括被动型和主动型两类.被动型采用负热光系数的材料(例如聚合物[36,37],TiO2[38,39])与硅波导相结合,降低材料对环境温度的热敏感性.主动型则是将硅基波导上各种形式的光探测器与反馈算法相结合,实施调节微环的谐振波长以确保开关输出光强最大[40,41].随着片上光系统的扩容和模分复用的广泛研究,基于MRR的模式光开关技术也被提出,采用多模波导和模式转换实现不同阶数的模式之间的交换,进一步增加了片上光交换系统的容量[42-44].表1 业界MZI型硅基波导光开关的代表成果Table parison table of MZI optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构相移器类型相移器长/μm 开关时间功耗/mW损耗/dB串扰/dB[18]2015IBM电光PIN2504 ns11—23 [19]2013CAS电光PIN400——31 [20]2011IME热光TiN1000144 μs0.490.3—23 [21]2010Kotura电光PIN40006 ns0.63.2—16 [22]2015UBC热光TiN4270780 μs0.053.3—26 [23]2013MIT热光掺杂硅～102.4 μs12.70.5—20 [24]2016ZJU热光TiN20——20 [25]2014AIST热光TiN～15010 μs300.5—50 [26]2016IBM电光PIN2504 ns—2—34.5 [27]2016Huawei热光TiN2501340/70 μs0.5/100.5—22图2 (a)MZI型光开关单元结构图示意图；(b)波长开关路径Fig.2.(a)Schematic ofa MRR switch cell；(b)switching paths.2.3 MEMS驱动波导型无论是MZI型还是MRR型光开关,都是基于光波导中光强的干涉与谐振原理实现信号传播路径改变,因此相位对工艺容差和环境的敏感性限制了单级开关的串扰和损耗,从而影响开关矩阵的规模.近期,一类新型的基于硅光子平台的静电MEMS驱动波导型光开关被广泛研究,相关代表成果如表3所示.Seok等[45]提出的在双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,通过静电调节两层波导形成的平行平板驱动器之间的垂直间隙来切换光信号.由于光信号总是在底层波导中传播,除非需要切换到其他路径,因此光信号重定向的功能与光开关节点处的直通传输的功能解耦,损耗和串扰不会在交换结构中积累.此外,上层波导和底层之间添加的止动部件实现了数字型驱动,简化了控制并实现了相当低的光学串扰.该器件在42 V的驱动电压下具有0.91 μs的切换时间和超过300 nm的带宽和—60dB的串扰.Abe等[46]和Takahashi等[47]采用水平梳齿驱动器实现了驱动电压更低、微秒量级切换速度的可动方向耦合器[46]与微环谐振器[47],是一种新型低串扰的波长选择性光开关.近期,Briere等[48]在硅基旋转型梳齿驱动器平台上集成低传输损耗的氮化硅波导,通过端面耦合实现了低于—40 dB串扰的1×N光开关.由于该器件采用端面对接耦合,具有超宽带的特性.然而缺点是由于可移动部件的质量很大,响应时间较慢(约300 μs),而且驱动电压高达约118 V.表2 业界MRR型开关的代表成果Table parison table of MRR optical waveguide switch cells.参考文献年份研究机构损耗/dB串扰/dB功耗/mW开关时间带宽/nm[30]2011Columbia U——12——2.78 ns0.56[31]2009HKUST1.64—11～0.11.3 ns0.45 [32]2012IME4.3—10371 ns0.8 [33]2014TU/e2—2012017 μs0.8 [34]2009Cornell U2—9.817.47 ns0.48 [35]2014SJTU3.4—200.69(电光)2.3(热光)414 ps0.48表3 业界MEMS驱动波导型开关的代表成果Table parison table of MEMS optical waveguide switch cells.研究机构UC Berkeley[45]TohokuU[46]Tohoku U[47]Aeponyx Inc[48]驱动电压/V422628.2118开关时间/μs0.9118——300插入损耗/dB0.4712.614.8带宽/nm300——0.5宽带串扰/dB—60—17—32.9—403 硅基光波导开关矩阵在过去的几年中,硅基光电子集成技术得到了迅猛发展.随着CMOS工艺和晶圆技术的不断提升,在一块芯片上类似于电子集成电路那样单片集成数千个光子器件单元的愿景逐渐变成现实.不少研究机构和电信设备公司在硅基光电子集成平台上对大规模的硅基波导光开关矩阵进行了广泛的实用化研究.本节总结了业界大规模硅基光波导开关矩阵的代表成果,主要是基于上述三种光开关引擎的扩展应用.3.1 MZI型开关矩阵2011年至2015年期间,两种基于MZI技术的8×8硅波导光开关被Nakamura等[49,50]提出.它们作为转发聚合器(transponder aggregator)中的波长上传/下载开关矩阵,在城域网ROADM交换节点中具有无色、无方向和无冲突(colorless,directionless,contentionless,CDC)的功能.两种开关矩阵均采用1.5 μm厚的脊型硅波导层的SOI平台,通过热光调谐不仅实现了微秒级切换速度且偏振无关的开关特性,还使芯片与光纤之间的耦合变得更简单.2012年,Chen和Chen[51]报道了一种基于MZI的8×8硅波导光开关,这是首次在220 nm薄硅波导层SOI平台上实现的光开关矩阵,验证了高密度的光开关单元、交叉波导和脊型波导转化器等无源器件的集成.开关矩阵总面积为8 mm×8 mm,采用空气隔离槽提高热光相移器调谐效率,整块芯片的驱动功耗只有0.07 W,同时通过switch-&-select拓扑架构实现了片上最低损耗为4 dB,任意两个端口之间的串扰低于—30 dB.2014年,Dupuis等[52]和Lee等[53]分别报道了基于MZI型的4×4[52]和8×8[53]电光开关矩阵与数字型CMOS逻辑驱动电路的集成方案.这是第一个在90 nm硅光子集成工艺平台上实现光子芯片与CMOS逻辑驱动芯片单片集成的成果报道.驱动芯片包括标准逻辑单元,形成串行—并行接口,用于寻址连接到基于逆变器的驱动器的每个开关单元,并直接驱动开关电极.光子芯片包括电光相移器、热光补偿器和交叉波导等无源器件.8×8芯片总面积为0.675 mm2,开关时间为5 ns,总驱动功率小于50 mW.2015年,32×32的热光硅基波导光开关矩阵被Tanizawa等[54]第一次报道.此开关芯片是在45 nm CMOS工艺线上采用12寸SOI晶圆完成加工,芯片之间保持良好的一致性.开关矩阵总共包含1024个开关单元和961个方向耦合器型波导交叉,各条光路损耗具有良好的一致性.通过LGA转接板实现倒装焊电封装,芯片的总面积仅为11 mm×25 mm,是传统32×32 PLC芯片的1/46.芯片通过FPGA控制热光相移器,采用脉冲宽度调制驱动方式,开关时间为30 μs.2016年,Lu等[55]报道了MZI型16×16 Benes架构的电光开关,可以通过热光调谐补偿工艺容差和环境变化带来的相位差.随后,目前业界端口数最多的MZI型32×32的电光开关矩阵[56]和64×64的热光开关矩阵芯片[57]被Qiao等报道.他们通过优化算法,在矩阵的中间级设置数目尽可能少的片上光电监控器,用于优化开关路径和驱动状态,并在电光开关中采用推拉的双臂驱动设计来将片上损耗降低到18.5 dB,串扰为—15 dB.近期,我们报道了基于优化的Hybrid Dilated Benes拓扑架构的32×32热光开关[58].采用这种独创的新型拓扑架构,相同规模的光开关矩阵所需开光单元更少并获得更低的串扰.光开关芯片采用IME的8英寸晶圆工艺平台进行加工,总面积为12 mm×12 mm,包含 448个热光开关单元,1856个波导交叉,864个片上光电二极管监视器和68个模斑转换器.热光相移器和光电二极管通过FPGA和模数转换DAC 驱动控制,用于开关单元的自动初始化和驱动电流的实时校准,以此保持最低的串扰.芯片的电学封装采用金属引线键合方式实现1560个焊盘与CBGA陶瓷基座的连接,并且通过CuW衬底和TEC进行散热控制；光学封装采用68芯保偏光纤,通过PLC连接器与硅光子芯片对接耦合,耦合损耗小于3.2 dB.开关矩阵中最短光路的片上损耗为13 dB,99%的端口之间串扰低于—20 dB,采用隔离槽技术开关时间为1.4 ms,总功耗小于1 W.同时,我们还实现了支持双偏振光信号的16×16热光开关[59],用于400 Gb/s PDM-16QAM光传输系统中上传/下载波长信号.这是目前端口数最大的基于偏振分集技术的双偏硅基波导光开关,整个芯片包括416个热光开关单元,896个片上光电二极管监视器,48个偏振旋转分束器和48个模斑转换器,总面积为12.5 mm×12.5 mm.直通信号的偏振相关损耗小于0.3 dB,差分群速度时延小于0.1 ps,上载信号的偏振相关损耗小于1.1 dB,差分群速度时延小于3 ps. 3.2 MRR型开关矩阵2009年,首个5×5的微环谐振器型硅基波导光开关的设计方案被Poon等[31]提出.它基于cross-bar拓扑架构,其中单个微环半径为20 μm,矩阵的总面积仅为0.1 mm×0.1 mm,与相同规模的MZI开关矩阵相比降低约2个数量级.微环集成了PIN二极管电光相移器,采用载流子注入驱动,开关时间达到1.3 ns,信道间串扰低至—11 dB.由于光开关中采用多模干涉交叉器件替代传统的平面交叉,因此具有更低的损耗和串扰,可以用于单波长或者符合微环谐振器自由光谱程的WDM系统的波长路由.2014年,DasMahapatra等[33]报道了基于高阶耦合微环单元的热光8×7微环谐振器型光开关.每个开关单元采用五阶级联的微环结构和平面二维阵列式热电极,将光学带宽提升至100 GHz,自由光谱程为350 GHz.考虑到各条光路上的微环个数不同,路径相关损耗在14.5—22 dB之间.光开关矩阵的性能和可扩展性受到损耗的限制.2015年,Yang等[60]实现了具有最少开关数的可重构无阻塞四端口微环光路由器.这个4×4交换芯片仅包含四个微环,在所有路由状态下,信道间串扰低于—15 dB.近期,一种1×N/N×1空间波长(解)复用器与低损耗的光纤或2D平面交叉波导转接板组装的方式被Nikolova等[61]提出.基于switch-&-select拓扑架构,波长(解)复用器包含N个硅基微环谐振器和与之耦合的总线波导,用于上传/下载波长信号.这种设计的特点是每条光路仅包含两个微环谐振器,并且只产生二阶串扰.实验结果表明,8×8的硅基微环光开关损耗为10 dB,串扰低至—39 dB.然而,对于未来更大端口的单片集成而言,平面交叉波导转接板越来越复杂,因此可能限制其实际应用前景.3.3 MEMS驱动波导型开关矩阵上述MZI和MRR的开关矩阵中的光路都存在损耗和串扰的逐级积累的缺点.近年来一种基于MEMS驱动器与硅基波导耦合器相结合的新型光开关技术得到迅猛发展.采用2.3节中介绍的Seok等[45]提出的双层硅光子平台中的垂直波导绝热耦合器,这种开关矩阵有效地利用了crossbar架构的无源交叉网格传输光信号,解决了各级开关单元的损耗和串扰的逐级积累问题,从而提升了端口数的可扩展性能.2016年,规模为64×64的MEMS驱动波导型光开关被率先报道[45].它包含4096个开关单元,片上最大传输损耗为3.7 dB,开关时间为0.91 μs,串扰低于—60 dB.最近,规。

《硅光子设计：从器件到系统》阅读记录目录一、基础篇 (3)1.1 光子学基础知识 (4)1.1.1 光子的本质与特性 (4)1.1.2 光子的传播与相互作用 (5)1.2 硅光子学概述 (6)1.2.1 硅光子的定义与发展历程 (7)1.2.2 硅光子学的应用领域 (9)二、器件篇 (10)2.1 硅光子器件原理 (11)2.2 硅光子器件设计 (13)2.2.1 器件的结构设计 (14)2.2.2 器件的工艺流程 (15)2.3 硅光子器件的性能优化 (16)2.3.1 集成电路设计 (17)2.3.2 封装技术 (18)三、系统篇 (20)3.1 硅光子系统架构 (21)3.1.1 系统的整体结构 (22)3.1.2 系统的通信机制 (23)3.2 硅光子系统设计 (25)3.2.1 设计流程与方法 (26)3.2.2 设计实例分析 (27)3.3 硅光子系统的测试与验证 (29)3.3.1 测试平台搭建 (30)3.3.2 性能评估标准 (31)四、应用篇 (31)4.1 硅光子技术在通信领域的应用 (33)4.1.1 光纤通信系统 (34)4.1.2 量子通信系统 (35)4.2 硅光子技术在计算领域的应用 (36)4.2.1 软件定义光计算 (37)4.2.2 光子计算系统 (38)4.3 硅光子技术在传感领域的应用 (39)4.3.1 光学传感器 (40)4.3.2 生物传感与检测 (41)五、未来展望 (42)5.1 硅光子技术的发展趋势 (43)5.1.1 技术创新与突破 (44)5.1.2 应用领域的拓展 (45)5.2 硅光子技术的挑战与机遇 (47)5.2.1 人才培养与引进 (48)5.2.2 政策支持与产业环境 (49)一、基础篇《硅光子设计：从器件到系统》是一本深入探讨硅光子技术设计与应用的专著，涵盖了从基础理论到系统应用的全面知识。

在阅读这本书的基础篇时，我们可以对硅光子设计的核心概念有一个初步的了解。

自注入锁定窄线宽微腔激光器结构自注入锁定窄线宽微腔激光器是一种用于产生高质量光束的微纳光学器件，具有窄线宽和高单模输出特性。

它在光通信、光谱分析、生物医学成像等领域有着广泛的应用。

本文将介绍自注入锁定窄线宽微腔激光器的结构和工作原理。

自注入锁定窄线宽微腔激光器的结构由以下几个主要组成部分构成：微腔、波导、波长选择器和反射镜。

下面将对每个组成部分进行详细介绍。

1. 微腔：微腔是自注入锁定窄线宽激光器的核心组件，它是一个高品质因子的光学腔，通常采用硅、硅氮化物或硅基材料制造。

微腔通过光学波导与外部光源相连，形成一种光学共振腔，使光在腔内多次反射，从而增强光与物质相互作用的效果。

2. 波导：波导是将外部光源引入微腔的光学结构，通常采用单模波导或多模波导。

它具有较低的传输损耗和较高的模式选择能力，能够将光有效地耦合到微腔中。

3. 波长选择器：波长选择器用于选择微腔中的特定模式，并将其反馈到微腔中。

它可以是一个光纤光栅、光栅耦合器或布拉格反射镜等。

波长选择器具有高反射率和窄带宽的特性，能够选择出微腔中的谐振模式，并将其限制在微腔内。

4. 反射镜：反射镜用于形成微腔的光学反射结构，通常由高反射率的多层膜堆积组成。

反射镜具有高反射率和低散射损耗，能够将光有效地限制在微腔内，形成谐振模式。

自注入锁定窄线宽微腔激光器的工作原理如下：1. 光注入：外部光源通过波导耦合到微腔中，形成谐振模式。

波导和微腔之间的耦合效率和位置对光注入的影响很大。

2. 自注入锁定：微腔中的光与波导耦合的光发生相互作用，部分光被波导反射回微腔内，形成自注入。

自注入过程会改变微腔的谐振模式，使其趋向于与波导输入光的频率匹配。

3. 窄线宽输出：自注入锁定后，微腔中的光将被限制在特定的谐振模式中，形成窄线宽的输出。

由于谐振腔的高品质因子，光在微腔内多次反射，增强了光的相位一致性和干涉效应，从而得到高质量的输出光束。

总结起来，自注入锁定窄线宽微腔激光器结构包括微腔、波导、波长选择器和反射镜。

概念：硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术,用激光束代替电子信号传输数据,她是将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。

硅光子架构主要由硅基激光器、硅基光电集成芯片、主动光学组件和光纤封装完成，使用该技术的芯片中，电流从计算核心流出，到转换模块通过光电效应转换为光信号发射到电路板上铺设的超细光纤，到另一块芯片后再转换为电信号。

硅光技术的发展：硅光技术基于1985年左右提出的波导理论，2005-2006年前后开始逐步从理论向产业化发展，Luxtera、Kotura等先行者不断推动技术和产业链的发展，形成了硅光芯片代工厂(GlobalFoundries、意法半导体、AIM等)、激光芯片代工厂(联亚电子等)、芯片设计和封装(Luxtera、Kotura等)较为成熟的Fabless产业链模式，也有Intel为代表的IDM模式，除激光芯片外，设计、硅基芯片加工、封测均自己完成)。

硅光技术的价值：硅光在国家安全布局上具有重要的战略价值。

1、传统光器件使用磷化铟做材料,只负责数据的交换,而不负责数据的处理和存储,因此安全价值仅限于保障通信不断,但是硅光使用硅作为材料,数据的处理、存储和交换全部在硅上面完成,如果技术完全被国外厂商垄断,后果不堪设想;2、受制于量子效应,通过制程改进来提升单核处理器计算性能的方式将会淡出,或者说摩尔定律进入失效期,唯一的解决方案是多核并行计算,根据吉尔德定律,带宽的增长速度至少是运算性能增长速度的 3 倍,因此硅光替代集成电路是必然。

硅光学技术的种类：硅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。

1、硅基光子材料包括：硅基纳米发光材料和硅基光子晶体2、硅基光子器件包括：硅基发光二极管；硅基激光器；硅基光探测器；硅基光调制器3、硅基光子集成和硅基芯片硅光PID技术优势: PID技术采用硅光子集成技术，利用统一的CMOS工艺平台，一举突破早期PID在集成度、性价比和功耗的诸多瓶颈。

硅基马赫曾德电光调制设计优化与实现周林杰;周砚扬;陆梁军【摘要】In this paper,the design optimization and experimental demonstration of single-drive push-pull silicon electro-optic modulators are presented. In order to improve the modulation efficiency and lower the optical propagation loss,the PN junction profile and doping concentrations are firstly optimized. Next,the impedance match,phase match and microwave loss are studied,and in particular,the influence of low-doping slab width,travelling-wave electrode (TWE) width and spacing on the modulator performance are analyzed. Following the comprehensive theoretical analysis and numerical simulation,the modulator performance measurements,including the optical transmission spectrum upon single-drive push-pull tuning,small-signal microwave signal response,and high-speed digital signal modulation are consequently carried out. The on-chip insertion loss of the modulators is around 7-9 dB and the half-wave voltage is 5 V. At a bias voltage of 0 V,the optimized modulator has a modulation bandwidth of >18 GHz. The microwave reflectivity at the entrance of the TWE is less than -20 dB,suggesting good impedance match. When the reverse bias voltage is increased to 4 V,the modulation bandwidth can exceed 30 GHz,allowing for realization of 56 Gbit/s on-off keying (OOK) and 40 Gbit/s binary phase-shift keying (BPSK) modulations.%对单端推挽驱动硅基调制器进行了优化设计和实验验证.为了获得较高的调制器性能,首先对PN结的结构参数和掺杂浓度进行了仿真优化,以提高调制效率并降低光传输损耗;其次,对行波电极的阻抗匹配、相位匹配和微波损耗予以了研究,重点分析了低掺杂平板区宽度、行波电极传输线宽度(TWE)和间距对调制性能的影响.在理论分析和仿真计算的基础上,对单端推挽驱动调制器进行了频谱测试、小信号响应测试和高速调制码型测试.调制器的片上插入损耗在7~9 dB,半波电压约为5 V.偏置电压为0 V时,优化后的调制器的带宽大于18 GHz,入射端反射系数低于-20 dB,行波电极具有较好的阻抗匹配.当反偏电压大于4 V时,调制器的带宽可增加到30 GHz以上,并且能实现56 Gbit/s的二进制强度(OOK)调制和40 Gbit/s的二进制相移键控(BPSK)调制.【期刊名称】《中兴通讯技术》【年(卷),期】2017(023)005【总页数】9页(P21-29)【关键词】电光调制器;硅基光电子;高速收发模块;光电子器件【作者】周林杰;周砚扬;陆梁军【作者单位】上海交通大学,上海200240;上海交通大学,上海200240;上海交通大学,上海200240【正文语种】中文【中图分类】TN929.5硅基电光调制器由于其综合性能出众，吸引了全球各高校、研究所和企业的持续关注。

硅基激光器原理
硅基激光器是一种基于硅材料的激光器。

通常情况下，硅材料是无法直接产生激光的，因为硅是间接带隙半导体材料，其能带结构限制了光子的辐射。

然而，通过一些特殊的结构设计和技术改进，硅基激光器可以实现激光输出。

硅基激光器的工作原理主要涉及硅材料和其他辅助材料，如掺杂材料和波导结构。

以下是硅基激光器的工作原理的概述：
1. 掺杂：硅材料通常较难实现直接辐射，因此使用掺杂技术来改变硅的能带结构。

通过掺入适当的杂质，例如磷(P)或铜(Cu)，可以实现更直接的能带结构，从而改变硅的光特性。

2. 波导结构：硅基激光器通常采用波导结构来增强光的传输和反射。

波导可以通过控制硅层的折射率来实现，从而将光限制在硅波导中。

3. 注入电流：在硅波导中，注入电流可以通过电子和空穴的复合来产生光子。

通过应用合适的电场和电流，可以激发掺杂材料中的电子和空穴，并在注入区域产生光。

4. 反射和放大：波导结构中的反射镜将光反射回注入区域，增强光子的发射。

同时，掺杂材料中的激发态可以通过受激辐射放出更多的光子，实现光的放大。

5. 反馈和振荡：当放大的光超过一定程度时，反射镜的反射将形成正反馈回路。

在正反馈的作用下，光能量可以在波导中被
反复反射和放大，最终形成激光输出。

值得注意的是，硅基激光器的制造和工作原理相对复杂，通常需要特殊的技术和设备来实现。

然而，由于硅材料的丰富性和成熟的半导体工艺，硅基激光器在集成光子学和光通信等领域具有巨大的潜力。

万方数据　万方数据３期燕路等：硅基光子器件研究进展及其在光陀螺与光通信中的应用５４９的ｐ－ｉ—ｎ结构有效地降低了自由载流子的有效寿命，他们采用标准微电子工艺制作了第一个连续波长硅基拉曼激光器。

激光器结构如图１所示［２７。

脊型波导是在未掺杂的ＳＯＩ结构Ｓｉ的［１００１表面上：通过标准的光刻和蚀刻工艺制成，在其两侧的平板分别注入硼和磷形成ｐ－ｉ—ｎ结构，反偏的ｐ－ｉ—ｎ二极管大大降低了ＴＰＡ引发的载流子吸收。

当给它加反偏电压时，ＴＰＡ产生的电子一空穴由于受到ｐ－ｉ－ｎ结构的电场作用，被迅速地清除出了波导区，因此有效载流子寿命随着反偏压的增强而减小。

这一结构成功得到｜ｒ稳定的边模抑制比为５５ｄＢ，线宽小于８０ＭＨｚ的单模激光输出。

其激光阈值依赖于反偏电压，波长可通过改变抽运波长调节。

图１第一个连续硅基拉曼激光器结构示意图∞３Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔＣＷｓｉｌｉｃｏｎＲａｍａｎｌａｓｅｒＣ２７】硅基拉曼激光的实现是硅激光领域内的重要突破，但足它仍然只实现了红外波段激光，未能实现可见光波段激光。

在Ｉｎｔｅｌ报道了他们的拉曼激光后，Ｓｔｅｃｌｄ研究组阳８］寅布，他们研制成功世界卜第一个可见光波段的硅激光器。

他们在硅衬底上用分子束外延技术生长了Ｅｕ３＋掺杂的多层ＡＩＧａＮ结构，实现了室温下阈值约为１１７ｋＷ／ｃｒｎ２，波长６２０ｎｌｎ的激光输出。

２００８年，Ｒｏｎｇ研究组乜列又报道了级联式拉曼激光，利用受激拉曼散射的级联效应将硅基拉曼激光波长拓展至１６８６ｎｍ和１８４８ｎｍ。

这一激光器采用环形谐振腔和１５５０ｎｍ光抽运，实现了稳定的、连续的、输出功率超过５ｍＷ、线宽小于２．５ＭＨｚ的１８４８ｎｍ二阶级联激光，为实现更高阶拉曼激光铺平了道路。

尽管上述研究已经取得突破性进展，但是仍然面临一个问题：即以上述及的激光器都需要抽运光激发，若想将硅基激光器完全地单片集成，就必须实现载流子注入（电抽运）形式的激光光源。

硅基氮化铝的用途硅基氮化铝（Aluminum Nitride，简称AlN）是一种重要的宽禁带半导体材料，具有优异的热导率、电绝缘性能和机械强度，因此在电子器件、光学器件和热管理领域具有广泛的应用。

下面将从这三个方面详细介绍硅基氮化铝的用途。

一、电子器件领域硅基氮化铝在电子器件领域的应用主要体现在集成电路（IC）封装和功率电子器件上。

1. IC封装领域：硅基氮化铝可以作为IC封装中的热界面材料，用于提高功率器件的散热效果。

其高热导率能够有效地将器件产生的热量传导到散热装置，使器件能够在高功率工作状态下稳定运行。

2. 功率电子器件领域：硅基氮化铝可以应用于功率电子器件的散热系统中，用于改善器件的热管理性能。

功率电子器件在高功率工作时会产生大量热量，过高的温度会降低器件的工作效率和寿命，而硅基氮化铝作为散热材料的应用可以有效地提高散热效果，提升器件的可靠性和性能。

二、光学器件领域硅基氮化铝在光学器件领域的应用主要集中在高功率激光器的散热设计和光学材料方面。

1. 激光器散热设计：硅基氮化铝的高热导率和优良的导热性能使其成为高功率激光器的理想散热材料。

激光器在高功率工作时容易发热，如果不能及时散热，会导致激光器温度过高，甚至产生热失控现象。

硅基氮化铝的应用可以有效地将激光器的热量传导到散热系统，保持激光器的工作温度在可接受范围内，提升激光器的工作稳定性和寿命。

2. 光学材料：硅基氮化铝由于其良好的光学性能，可以作为一种优质的光学材料用于制备各种光学器件，如窗口、镜片、棱镜等。

硅基氮化铝具有宽带隙特性，具有较高的透光性，特别适用于紫外光和高能量光的工作环境。

另外，硅基氮化铝还具有优异的机械强度和热稳定性，可以满足光学器件对材料的高要求。

三、热管理领域硅基氮化铝在热管理领域的应用主要是基于其优异的热导率和电绝缘性能。

1. 热界面材料：硅基氮化铝是一种优质的热界面材料，可以用于提高电子器件和散热器之间的热传导效率。