項(xiàng)目名稱(chēng)： 超高速低功耗光子信息處理集成芯片與技術(shù)基礎(chǔ)研究 首席科學(xué)家： 陳建平 上海交通大學(xué) 起止年限： 托部門(mén)： 上海市科委 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 項(xiàng)目的總體目標(biāo) 針對(duì)下一代信息網(wǎng)絡(luò)的重大需求，通過(guò)各參與單位在光電子、半導(dǎo)體材料與器件、信息網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域所具有的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)的交叉融合，在 超高速 、 低功耗 、 集成 化 光子信息處理器件的理論、設(shè)計(jì)、制備等核心技術(shù)方面取得重大進(jìn)展和突破，研制出 具有 原創(chuàng)性 的 100Gb/s、 低功耗和集成化 光子信息處理 芯片 原型；同時(shí)帶動(dòng)高 水平研究基地的建設(shè)，促進(jìn)光子信息學(xué)科的發(fā)展；培養(yǎng)出具備創(chuàng)新能力和多學(xué)科綜合素質(zhì)的集成光子信息處理器件相關(guān)領(lǐng)域高水平研究隊(duì)伍和優(yōu)秀人才；提高我國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的內(nèi)涵和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。 五年 預(yù)期目標(biāo) 通過(guò) 五年 的深入研究，本項(xiàng)目預(yù)期取得以下重要進(jìn)展和成果： （ 1） 在若干重要基礎(chǔ) 理論研究方面取得突破 ：半導(dǎo)體材料中光子載流子相互作用增強(qiáng)機(jī)理 ； 集成 條件下折射率變化效應(yīng)的選擇性 增強(qiáng)和 調(diào)控理論 等。 （ 2） 提出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超高速、低功耗光子信息處理集成芯片完整的設(shè)計(jì)方法；提出 光子器件建庫(kù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)， 建立開(kāi) 放式 和 光電子集成芯片研發(fā)平臺(tái)； 能在國(guó)內(nèi) 藝線(xiàn)上 批量 制 備 硅基光子信 息處理集成芯片 。 （ 3） 研制出 能滿(mǎn)足下一代網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)應(yīng)用需求、 具有創(chuàng)新性和實(shí)用化前景的 超 高速、低功耗 、 集成化光子信息處理原型器件 （包括波長(zhǎng)選擇光交換芯片、光緩存芯片、可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換芯片、時(shí)鐘恢復(fù)芯片、碼型轉(zhuǎn)換芯片和全光再生芯片） ，整體水平達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平： 工作速率 100 Gb/s，功耗與 相關(guān)功能的 件相比，下降 2數(shù)量級(jí)。 在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的 示范性演示 。 （ 4） 在 )、 ）、 國(guó)際光通信和光子信息領(lǐng)域重要刊物上發(fā)表論文 300 篇以上；每年在 表數(shù)篇論文，爭(zhēng)取有邀請(qǐng)報(bào)告或 文；在國(guó)內(nèi)舉辦 2有 較大 國(guó)際影響的 光子信息處理 學(xué)術(shù)會(huì)議；力爭(zhēng)在 權(quán)或受理發(fā)明專(zhuān)利 20 項(xiàng)以上。 （ 5） 形成高水平 光子 信息處理集成器件和技術(shù)研究的協(xié)作平臺(tái)； 在 光子信息處理 領(lǐng)域 培養(yǎng) 出 優(yōu)秀青年教師 和研究骨干 ， 新增國(guó)家自然科學(xué)基金委 杰出青年基金 獲得者、教育部長(zhǎng)江特聘教授、中科 院百人計(jì)劃 2 ；培養(yǎng)碩士生 100 名，博士生 50 名 以上 。 三、研究方案 總體學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目的總體學(xué)術(shù)思路是根據(jù) 新一代 信息 網(wǎng)絡(luò) 的重大 需求， 緊扣 超 高速 、低功耗、 集成 化的 核心 思想 ， 發(fā)揮承擔(dān)單位國(guó)家 和省部 級(jí)科研基地在設(shè)備、研究條件和人才方面的優(yōu)勢(shì) ， 圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展 原創(chuàng)性的 理論和實(shí)驗(yàn)研究， 提出 并實(shí)現(xiàn) 新型集成光子信息 處理 器件及其制備 的創(chuàng)新方案。在承擔(dān)單位長(zhǎng)期合作所形成的默契基礎(chǔ)上，根據(jù)各自特點(diǎn)實(shí)行分工協(xié)作，確保項(xiàng)目總體目標(biāo)的完成。 技術(shù)途徑 ： 數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換芯片 ：光交換矩陣由光開(kāi)關(guān)基本單元通過(guò) 一定的級(jí)聯(lián)方式構(gòu)成。以 1616 矩陣為例，若要實(shí)現(xiàn)完全無(wú)阻塞則需要 15 級(jí)級(jí)聯(lián)，最少 240個(gè)開(kāi)關(guān)單元，每個(gè)開(kāi)關(guān)單元包含分束、相移、合束、波導(dǎo)、諧振腔等多種基本功能元件，總計(jì)光學(xué)元件數(shù)超過(guò) 1500 個(gè)，要實(shí)現(xiàn)如此規(guī)模的光電子集成是有非常大難度的。本項(xiàng)目擬采用可重構(gòu)無(wú)阻塞的 構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是光開(kāi)關(guān)單元數(shù)量可大幅度減 少，不足是不同路由會(huì)導(dǎo)致各 信道 的插入損耗不均勻，這個(gè)問(wèn)題可在2R/3R 中解決。 這樣，只需要 56 個(gè)基本開(kāi)關(guān)單元， 7 級(jí)級(jí)聯(lián)即可。盡管如此，這對(duì)芯片設(shè)計(jì)和工藝制作而言仍然是巨大挑戰(zhàn)。 本項(xiàng)目 將以微環(huán)諧振器構(gòu) 成 22數(shù)字式 波長(zhǎng)選擇光開(kāi)關(guān)單元。具有波長(zhǎng)選擇功能的光開(kāi)關(guān)在構(gòu)成交換矩陣時(shí)不需要合波 /分波器，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、增加了靈活性。 數(shù)字式 調(diào)諧方式則 可避免繁瑣的波長(zhǎng)鎖定技術(shù)，擬采用折射率 微調(diào) 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)： 將 具有 選擇性諧振耦合的 開(kāi)關(guān) 單元 設(shè)計(jì) 在 定的 長(zhǎng) 上 ， 然后 通過(guò)改變折射率 ，使諧振腔對(duì)該波長(zhǎng)失諧 ，從而達(dá)到 開(kāi)或關(guān)的 目的，避免了光波長(zhǎng)的 大范圍快速調(diào)諧 和鎖定的難題 。 電光效應(yīng)響應(yīng)速度快，是提高光交換速度的重 要途經(jīng) ， 但硅材料本 身缺乏線(xiàn)性電光效應(yīng) (本項(xiàng)目擬采用兩種途徑來(lái)解決這 一問(wèn)題 。第一種方案是通過(guò)載流子色散效應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)折射率。這種調(diào)節(jié)方式的響應(yīng)速度相對(duì)較慢，為此將 通過(guò)增加復(fù)合中心減小載流子的壽命 ，消除載流子抽取過(guò)程中的“拖尾”現(xiàn)象 ，提高速度；并 通過(guò)光學(xué)結(jié)構(gòu)（光波導(dǎo)與器件）和電學(xué)結(jié)構(gòu)（調(diào)制區(qū)）的優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大光場(chǎng)與電場(chǎng)的有效交疊面積 ， 來(lái)增強(qiáng)等離子色散效應(yīng) , 降低功耗 。由于在本項(xiàng)目中，折射率僅需微調(diào)，因此微環(huán)諧振腔的控制將采用 反向 偏置 樣，充放電時(shí)間能大大縮短，可將開(kāi)關(guān)時(shí)間降至 100內(nèi)，并大幅度降低驅(qū)動(dòng)功率。第二種方案是采用復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。電光聚合物具有很強(qiáng)的 非線(xiàn)性系數(shù)，折射率可以通過(guò)電場(chǎng)直接調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度快。 然而直接利用電光材料（如具有極高非線(xiàn)性效應(yīng)的電光聚合物）制作波導(dǎo)，在 1550段損耗很大。硅基波導(dǎo)的折射率高，有很強(qiáng)的光限制能力，工藝上與 容，可實(shí)現(xiàn)微納尺寸的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 本項(xiàng)目 擬采用硅 材料作為 波導(dǎo) 芯層，以 電光 聚合物作包層，形成復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ，充分利用兩者各自的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，制作高速、低功耗光開(kāi)關(guān)矩陣 。光子器件的高密度集成存在熱效應(yīng)，會(huì)使諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移。 擬通過(guò) 在硅波導(dǎo)芯層開(kāi)一個(gè)縫隙，在其中填充 聚合物，以 增加電光調(diào)諧效率，并利用 聚合物具有和硅相反的熱光 系數(shù)減小熱效應(yīng) 。 通過(guò)優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使聚合物負(fù)熱光效應(yīng)能抵消硅材料正熱光效應(yīng)，從而獲得無(wú)熱漂移的諧振，實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控。 通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)的光交換矩陣還存在一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是其信道交換規(guī)模要比物理端口數(shù)量大 N 倍（ N 為交換矩陣所能支持的波長(zhǎng)數(shù)量）！如果 N=16，則輸入、輸出端口數(shù)為 16 的芯片實(shí)際上具有 256256 的信道交換規(guī)模。當(dāng)然，這種交換模式 是有阻塞的，這一問(wèn)題可通過(guò)快速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換芯片來(lái)解決。 連續(xù)可調(diào)的硅基光緩存芯片 ： 延時(shí)帶寬積是 反應(yīng) 器件緩存能力的 主要 性能指標(biāo)，它與器件的結(jié)構(gòu)、控制及 工作方式有關(guān)。本項(xiàng)目所研究的光子信息處理器件工作速率高達(dá) 100Gb/s，因此必須大幅度提高 器件 的延時(shí)帶寬積。 擬采用 以下方法來(lái) 提高延時(shí)帶寬積： （ 1） 多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)。 通過(guò)合理設(shè)計(jì) 諧振腔之間的 耦合強(qiáng)度， 控制微環(huán)結(jié)構(gòu)的模式分裂，獲得所需的帶寬；另外，多環(huán)諧振增加了有效光程，也增加光延時(shí) 。（ 2）調(diào)節(jié)群速度色散 。 由于 微環(huán)諧振 器 的串聯(lián)結(jié)構(gòu) 與 并 聯(lián) 結(jié)構(gòu) 具有符號(hào)相反的三階色散， 通過(guò)結(jié)構(gòu)上的合理設(shè)計(jì)，可使 兩者的 三階色散 相互 抵消 ， 從而增加帶寬。 在調(diào)諧方面，擬采用 向諧振腔注入載流子的方法， 改變諧振腔的 諧振頻率或者諧振腔 之間的耦合強(qiáng)度 ， 重組 超諧振模 式，實(shí)現(xiàn)延遲量的大范圍連續(xù)可調(diào)。在多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)中， 超諧振模有很多重組方式，需要進(jìn)行深入研究，選擇最佳方式。在此基礎(chǔ)上，對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使需要注入的載流子數(shù)量最少，從而降低器件功耗、增加集成度。 高速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換芯片 ：本項(xiàng)目擬采用 的 超快 非線(xiàn)性效應(yīng) 與可調(diào)諧激光器配合 來(lái)實(shí)現(xiàn) 可調(diào)諧 波長(zhǎng)變換。 相關(guān)課題負(fù)責(zé)人在以往工作中曾提出 瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理 ，并采用 合其他分立器件，實(shí)現(xiàn)了 100Gb/s 以上的 全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。 本項(xiàng)目將在這一研究基礎(chǔ)上，針對(duì)以往面臨的信噪比 弱、功率 代價(jià) 高 等不足，提出改進(jìn)方案 。由于涉及多種不同材料和能帶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的不同功能單元，集成化一直是個(gè)國(guó)際性難題。目前國(guó)際上波長(zhǎng)變換 集成 芯片多采用 構(gòu)，因其 非線(xiàn)性 效應(yīng)涉及帶間躍遷過(guò)程、 載流子恢復(fù)較慢 ，因而只能實(shí)現(xiàn) 40Gb/論上限約為 80Gb/s 左右）。 為克服載流子恢復(fù)較慢 引起的速率限制，擬利用瞬態(tài)啁啾躍變等超快非線(xiàn)性效應(yīng)來(lái)配合增益調(diào)制和相位調(diào)制過(guò)程 ，以獲得100Gb/s 以上的工作速率。 項(xiàng)目 將重點(diǎn)研究 載流子、增益和折射率 變化 的超快非線(xiàn)性過(guò)程，如雙光子吸收、光譜燒孔、載流子 加 熱效應(yīng)等。利用 基于 干涉儀 結(jié)構(gòu) ，通過(guò) 深入研究 交叉增益 /相位調(diào)制 過(guò)程中伴隨的超快折射率變化過(guò)程 以及所對(duì)應(yīng)的啁啾動(dòng)態(tài) 變化 過(guò)程，完善 超快理論模型 ，優(yōu)化得到最適合干涉結(jié)構(gòu)的 在此基礎(chǔ)上，研究實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)啁啾躍變提取的具體方案，通過(guò)藍(lán)移光濾波技術(shù)或者紅移光濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)超高速波長(zhǎng)變換 ， 對(duì)藍(lán)移或紅移光濾波器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高器件性能 并 降低功耗。在可調(diào)諧激光器方面，擬采用帶定向耦合器的半導(dǎo)體環(huán)形激光器和布拉格光柵的調(diào)諧結(jié)構(gòu)。將半導(dǎo)體環(huán)形激光器中定向耦合器的一端制作成布拉格光柵，用于鎖定環(huán)形激光器特定波 長(zhǎng)的輸出。通過(guò)注入載流子調(diào)節(jié)光柵的周期，改變環(huán)形激光器的激射波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。與常規(guī)的多段分布反饋反射（ 構(gòu)相比， 該方案 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成工藝難度低和調(diào)諧電流低等特點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)器件的低功耗。 在器件制作方面，改進(jìn) 半導(dǎo)體器件制備關(guān)鍵工藝，研究最佳的器件結(jié)構(gòu)， 通過(guò)優(yōu)化量子阱的個(gè)數(shù) 和引入合適的應(yīng)變 ，在有源區(qū)外引入限制層，改善載流 子變化動(dòng)態(tài)特性， 加大 帶內(nèi)躍遷過(guò)程，增 強(qiáng) 包括 瞬態(tài)啁啾躍變 在內(nèi) 的超快非線(xiàn)性效應(yīng)。 針 對(duì) 和 材 料在有源和無(wú)源器件中各 自 優(yōu)勢(shì)，在優(yōu)化單元器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 擬采用混合集成 ，用倒裝方式 （ 把 有源器件 嵌入 到以 無(wú)源器件為主的 母板上 ，并 采用非對(duì)稱(chēng)雙波導(dǎo)技術(shù)制作模斑轉(zhuǎn)換器改善波導(dǎo)間的耦合效率。 同時(shí)探索整片鍵合方式 ， 利用低溫氧等離子輔助晶片鍵合技術(shù) ， 將 源結(jié)構(gòu)整片鍵合到 片 上。 全光時(shí)鐘恢復(fù) 芯片 ： 對(duì)于 100更高速率的全光時(shí)鐘恢復(fù)集成芯片，最關(guān)鍵的性能指標(biāo)是時(shí)間抖動(dòng)（ 100Gb/s 光傳輸系統(tǒng)要求其均方根值小于 420其次是幅度抖動(dòng)。本項(xiàng)目提出的多段式自脈動(dòng)激光器，其時(shí)間抖動(dòng)取決于諸多因素，包括與激光器內(nèi)腔膜的相位相關(guān)性，以及腔內(nèi)載流 子和光子的弛豫震蕩等。國(guó)際上有關(guān)超高速時(shí)鐘恢復(fù)集成器件的研究尚處于實(shí)驗(yàn)探索階段，目前 還沒(méi)有比較完整的理論，因此首先要在理論上突破 ，研究激光器模式、光信號(hào)注入鎖定、載流子與光子相互作用等動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果完善相關(guān)理論，建立模型。 要實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 信號(hào)的時(shí)鐘恢復(fù)，首先要設(shè)計(jì)自脈動(dòng)頻率為 100右、具有注入鎖定功能的自脈動(dòng)激光器。本項(xiàng)目根據(jù)自脈動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理，擬采用放大反饋激光器結(jié)構(gòu)，該激光器具有較寬的調(diào)諧范圍（對(duì)我們所研制的 40大反饋激光器的測(cè)試結(jié)果表明，其本征自脈動(dòng)頻率具有的調(diào)諧范圍可 達(dá) 10右），因此有較大的設(shè)計(jì)和制作容差，便于批量化生產(chǎn)。 器件由 、相區(qū)和半導(dǎo)體光放大器區(qū)構(gòu)成，器件的自脈動(dòng)頻率與各段的有效折射率和長(zhǎng)度密切相關(guān)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)各個(gè)區(qū)的長(zhǎng)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)所要的集成器件的自脈動(dòng)頻率。 在此基礎(chǔ)上確定集成器件的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)以及單片集成采用的集成工藝；研究自脈動(dòng)激光器的時(shí)鐘恢復(fù)性能（時(shí)間抖動(dòng)、抵御惡化信號(hào)的能力、連零碼的碼型效應(yīng)等）與輸入信號(hào)光波長(zhǎng)、偏振態(tài)、碼型的關(guān)系。特別是針對(duì)時(shí)間抖動(dòng)，研究其與有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)、器件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，以及與注入信號(hào)和外部工作條件之間的關(guān)系 , 探 明 注入信號(hào)引起的腔內(nèi)諧振的物理機(jī)制， 由 此來(lái)指導(dǎo)時(shí)鐘恢復(fù)集成器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。時(shí)鐘恢復(fù)的幅度抖動(dòng)主要是由于注入信號(hào)通過(guò)交叉增益調(diào)制， 導(dǎo)致 載流子濃度的波動(dòng)而引起。所以幅度抖動(dòng)與注入信號(hào)的碼型以及功率密切相關(guān)。將通過(guò)提高多段激光器腔模相位相關(guān)性，降低拍頻線(xiàn)寬，來(lái) 減小 時(shí)鐘的幅度抖動(dòng)。在 器件制作中， 擬 采用選擇區(qū)域外延生長(zhǎng) 及 具有自主專(zhuān)利技術(shù) 的 量子阱混雜 ， 實(shí)現(xiàn)以及相位調(diào)節(jié)區(qū) 和放大器區(qū) 的帶隙波長(zhǎng)偏調(diào)。 為了減小不同區(qū)域之間由于折射率的微小差別引起的界面反射對(duì)自脈動(dòng)的擾動(dòng)，擬采用傾斜界面結(jié)構(gòu)，減小界面光的反射。采用 折 射率耦合光柵和增益耦合光柵 相結(jié)合的復(fù)合耦合使 實(shí)現(xiàn)更好的自脈動(dòng)性能。 為 減小 偏振 依賴(lài)性 ，激光器的有源區(qū)材料擬采用漸變張應(yīng)變結(jié)構(gòu)，即以無(wú)應(yīng)變的 1550體材料為中心層，以張應(yīng)變量逐漸增大而厚度逐層減?。ㄒ孕∮谥饘拥膹椥孕巫兣R界厚度為準(zhǔn)）的方式向兩邊對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展，或者采用壓應(yīng)變的量子阱和張應(yīng)變的準(zhǔn)體材料相混和做有源區(qū)， 從而 實(shí)現(xiàn)對(duì)注入光信 號(hào)的偏振不靈敏。通過(guò)改變量子阱的數(shù)量 /應(yīng)變以及光子限制層來(lái)研究時(shí)鐘恢復(fù)的時(shí)間抖動(dòng)與材料之間的關(guān)系，并從理論上來(lái)加以分析驗(yàn)證。以此來(lái)指導(dǎo)器件的優(yōu)化。 為 進(jìn)一步改善時(shí)間抖動(dòng)，將探索 研 究 含可飽和吸收體的多段式激光器， 確保器件的時(shí)間抖動(dòng)滿(mǎn)足 100Gb/s 的要求。 該器件用于時(shí)鐘恢復(fù) 的 基本原理是碰撞脈沖鎖模，在高速工作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)低抖動(dòng)的時(shí)鐘恢復(fù)。要實(shí)現(xiàn) 100G 高速時(shí)鐘恢復(fù)，須對(duì)飽和吸收區(qū)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，盡量減小吸收區(qū)的長(zhǎng)度，降低電容來(lái)提高頻率；在可飽和吸收區(qū)的材料設(shè)計(jì)方面，可在有源區(qū)量子阱材料中加入應(yīng)變或者摻入雜質(zhì)來(lái)減小載流子掃出時(shí)間，從而獲得窄脈沖，實(shí)現(xiàn)高速率。探索采用低維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)做有源區(qū)材料，量子點(diǎn)中由于較強(qiáng)的四波混頻效應(yīng)，增強(qiáng)了激射模式的相關(guān)性，使量子點(diǎn)模式鎖 定激光器具有窄的拍頻線(xiàn)寬，從而實(shí)現(xiàn)更低時(shí)間抖動(dòng)的時(shí)鐘。這種方案 具有實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單、時(shí)延抖動(dòng)小的特點(diǎn)， 它的不足是 拍頻頻率調(diào)諧困難，工藝容差相對(duì)較小 ，需要從原理和工藝上深入研究，探索括展調(diào)諧范圍的方法 。通過(guò)以上技術(shù)方案的實(shí)施，實(shí)現(xiàn) 時(shí)鐘頻率 100間抖動(dòng) 200 全光時(shí)鐘恢復(fù)器件。 全光 2R/3R 再生 芯片 ： 基于 應(yīng)實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 信號(hào) 3此，本項(xiàng)目將從機(jī)理上深入研究半導(dǎo)體功能材料、器件中傳輸光波與載流子非線(xiàn)性相互作用的一般規(guī)律，特別是器件中光生 載流子動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致的折射率變化及其對(duì)光波特性的影響； 為 解決碼型效應(yīng)問(wèn)題 ，本項(xiàng)目 采用 叉增益壓縮）改善信號(hào)質(zhì)量。將輸入信號(hào)分成兩路，其中一路與 恢復(fù)的高質(zhì)量時(shí)鐘信號(hào) 通過(guò) 應(yīng)獲得反碼（ 一般含 有較嚴(yán)重的碼型 效應(yīng) ）。然后將這路信號(hào)與另一路輸入信號(hào)同時(shí)注入至第二個(gè) 樣進(jìn)入 信號(hào)光功率幾乎是恒定的， 利用兩束光信號(hào)之間的超快 非線(xiàn)性作用 ，輔以 的 服載流子壽命（ 有限 恢復(fù)時(shí)間）引起的碼型效應(yīng)，改善光判決門(mén) 的平坦度、邊帶陡降程度。 探索采用低維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)縮短流子恢復(fù) 時(shí)間、改善動(dòng)態(tài)特性，實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 的交叉增益壓縮。 鑒于 電吸收調(diào)制器 ）較 有 所需的載流子濃度低、恢復(fù)時(shí)間快，碼型效應(yīng)小 特點(diǎn)，可采用 為高速光判決門(mén)，來(lái)實(shí)現(xiàn)全光 3R 再生。此方案的基本原理是利用 交叉飽和吸收效應(yīng)導(dǎo)致傳輸光的非線(xiàn)性相位變化而實(shí)現(xiàn)， 利用 構(gòu) 將此相位 轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度變化， 結(jié)合本項(xiàng)目研究的時(shí)鐘恢復(fù)功能，便可 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)光信號(hào)的 判決（相當(dāng)于“與”的功能） 。 相比于 器件的相移特性 還 可以在電信號(hào)的控制下改變， 從而 增加了這種結(jié)構(gòu)的靈活性和可重構(gòu)性 。 為了 增強(qiáng)半導(dǎo)體材料 中光子載流子相互作用， 將針對(duì) 量子阱材料和結(jié)構(gòu)對(duì)激子吸收的影響 進(jìn)行深入 研究，揭示材料 特性 與非線(xiàn)性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律 ， 實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性效應(yīng)選擇性增強(qiáng)或控制，減少對(duì)注入功率的要求，提高工作速率、降低功耗 。 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì) 和帶隙偏調(diào)技術(shù)， 增加激子吸收效應(yīng)，降低光吸收飽和功率，減小載流子逃逸時(shí)間，從而在低光功率條件下獲得高非線(xiàn)性效應(yīng)。 在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)混合集成方式實(shí)現(xiàn)全光再生芯片。 在多波長(zhǎng) 2R 再生方面 , 擬 通過(guò)周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中摻入功能材料（比如磁光材料），實(shí)現(xiàn)左、右旋偏振態(tài)之間的周期性轉(zhuǎn)換 , 從而改變光子帶隙結(jié)構(gòu)。上述結(jié)構(gòu)通過(guò)引入適當(dāng)?shù)钠?，可增?qiáng)波導(dǎo)的可調(diào)性并提高非線(xiàn)性效應(yīng)，從而降低輸入信號(hào)的閾值功率，有效減少系統(tǒng)功耗。通過(guò)分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，建立相應(yīng)的理論模型，來(lái)確定最佳偏置方式。利用這種摻雜周期波導(dǎo)帶隙結(jié)構(gòu)的可調(diào)濾波特性，控制不同波長(zhǎng)的色散，可抑制不同波長(zhǎng) 信道之間 的 交叉相位調(diào)制 ，從而實(shí)現(xiàn)高速、多波長(zhǎng)全光 2R 再生 。 全光碼型變換 芯片 ：在研究有源波導(dǎo)中載流子與光子相互作用、載流子與聲子相互作用過(guò)程與半導(dǎo)體能帶形狀關(guān)系的基礎(chǔ)上，探索量子阱 /量子點(diǎn)材料、器件結(jié)構(gòu)以及工作條件對(duì)有源波導(dǎo)中帶間過(guò)程和帶內(nèi)過(guò)程引起非線(xiàn)性效應(yīng)的影 響，以此探明加快載流子恢復(fù)和增強(qiáng)超快非線(xiàn)性效應(yīng)的途徑。借鑒電信號(hào)處理中的分析方法，分析有源波導(dǎo)中的各種非線(xiàn)性作用過(guò)程與信號(hào)光譜變換的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析不同濾波過(guò)程對(duì)信號(hào)光譜變換的作用， 通過(guò) 優(yōu)化濾波過(guò)程 ，實(shí)現(xiàn)高速的碼型變換 。針對(duì)多信道碼型變換的要求，對(duì)有源波導(dǎo)的增益和折射率變化譜進(jìn)行優(yōu)化選擇，增強(qiáng)控制光對(duì)有源波導(dǎo)的影響， 抑制 多信道之間的相互調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高速的多信道碼型變換功能。 在優(yōu)化單元器件結(jié)構(gòu) （ 有源波導(dǎo)和 延時(shí)干涉儀 等） 的基礎(chǔ)上，深入研究材料帶隙漂移的內(nèi)在機(jī)理，探索量子阱混雜和選擇性外延生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn) 不同帶隙半導(dǎo)體材料的單片集成 。 利用半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀形成的梳狀濾波器相結(jié)合， 精確 控制延時(shí)干涉儀的延時(shí)差和相位差，使得梳狀傳輸譜的梳狀間隔與輸入的信道間隔相對(duì)應(yīng)并 有適當(dāng)?shù)钠?，實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 甚至更高速率的 多信道全光碼型轉(zhuǎn)換 。同時(shí)利用對(duì)應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多信道 高階 調(diào)制信號(hào)的碼型轉(zhuǎn)換或者相位再生。 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： 面向下一代信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的光子信息處理器件必須是高速、多波長(zhǎng)、低功耗和集成化，本項(xiàng)目針對(duì)這一需求提出了相應(yīng)研究方案和實(shí)現(xiàn)方法，具有如下創(chuàng)新和特色： 1） 在增強(qiáng)光子 快載流 子恢復(fù)方面提出新機(jī)理和新方法，把器件速度提高至 100G(b/s 或 上 ，包括： 通過(guò)優(yōu)化量子阱材料（阱和壘的個(gè)數(shù) 、尺寸以及適當(dāng)?shù)膽?yīng)變 ）和 器件 結(jié)構(gòu) （引入載流子庫(kù)層等） ， 增強(qiáng)載流子和光子的相互作用 ，加快載流子的恢復(fù) 。 采用基于交叉增益壓縮的新方法，有效消除有源器件中載流子有限恢復(fù)時(shí)間 造成增益波動(dòng)而導(dǎo)致的碼型效應(yīng) 。 在光開(kāi)關(guān)器件中提出新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 和調(diào)諧方式 ， 并 通過(guò)反向偏置 開(kāi)關(guān)速度達(dá)到 10 級(jí) 。 2） 通過(guò)非線(xiàn)性效應(yīng)的增強(qiáng)和選擇性調(diào)控，提高器件的靈活可控性，降低功耗 ，包括： 提出采用能帶剪裁的方法，結(jié)合混合應(yīng)變量子阱新結(jié)構(gòu)， 優(yōu)化能帶形狀，改變載流子與聲子以及載流子與光子相互作用時(shí)間， 增強(qiáng)半導(dǎo)體材料中的帶內(nèi)躍遷過(guò)程，從而達(dá)到增強(qiáng)非線(xiàn)性效應(yīng)的目的，減小輸入光或控制光的功率，降低器件 功 耗。 采用選擇性諧振耦合增強(qiáng)提高硅基波導(dǎo)器件的等離子色散效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光信道的高速、低功耗切換 ； 提出采用 硅 合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng) 非線(xiàn)性 效應(yīng) ，增加開(kāi)關(guān)消光比 ，提高工作速度， 降低開(kāi)關(guān)器件功耗。 針對(duì)全光緩存中 延時(shí)帶寬乘積 和延遲量大幅度連續(xù)可調(diào) 的應(yīng)用需求 ，采用 多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔 結(jié)構(gòu) ， 通過(guò) 控制微環(huán)結(jié)構(gòu)的模式分裂， 大幅度提高延時(shí)帶寬積 ； 采用注入載流子方 式 調(diào) 節(jié)諧振 器 Q 值 和微環(huán)間耦合，通過(guò) 超諧振模式 的 重組 實(shí)現(xiàn) 延遲量的大范圍連續(xù)可調(diào)。 采用多段靈活可控的時(shí)鐘恢復(fù)集成器件新結(jié)構(gòu)，提高雙模頻率差、雙模強(qiáng)度方面的調(diào)節(jié)靈活性，增加調(diào)諧范圍。 針對(duì) 用需求，采用半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)多信道的碼型轉(zhuǎn)換；在周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中摻入功能材料，改變光子帶隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制不同波長(zhǎng)的色散，抑制不同波長(zhǎng) 信道之間 的 交叉相位調(diào)制 ，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)全光 2R 再生 。 3） 針對(duì)不同材料和應(yīng)用，靈活采用單片集成、混合集成工 藝，實(shí)現(xiàn)高性能集成芯片 ， 包括： 根據(jù) 藝特點(diǎn)設(shè)計(jì) 集成器件， 充分利用 熟工藝，使器件具有借助國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行批量 制備 的潛力。 采用選擇區(qū)域生長(zhǎng)結(jié)合量子混雜技術(shù) 在 底 上 靈活得到高質(zhì)量、大范圍的多種帶隙波長(zhǎng)量子阱材料，制備具有不同功能和結(jié)構(gòu)的 光子 信息處理 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優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗光子信息處理集成芯片 。 課題設(shè)置 ： 本項(xiàng)目根據(jù)研究?jī)?nèi)容和研究目標(biāo)，以及不同功能的光子信息處理集成器件在材料和工藝方面的特 點(diǎn)，各參與單位的研究條件、優(yōu)勢(shì)和特色，設(shè)置五個(gè)課 題。 課題 1、選擇性諧振耦合增強(qiáng)機(jī)理及光交換與光緩存集成芯片研究 預(yù)期目標(biāo)： 建立 微納尺寸硅基波導(dǎo) 和復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光的模式傳播、選擇性諧振耦合與快速 調(diào) 控理論模型 ；建立 藝制作硅基光子信息處理集成芯片的標(biāo)準(zhǔn)化光子器件庫(kù)和設(shè)計(jì)平臺(tái)，能在國(guó)內(nèi) 藝線(xiàn)上 批量制備硅基光子信息處理集成芯片 ； 研制出具有數(shù)字式波長(zhǎng)選擇功能的光交換 芯片 ，切換時(shí)間 在 10級(jí) ，矩陣規(guī)模為 1616（可重構(gòu)無(wú)阻塞）， 信道串?dāng)_ 耗 100 fJ/制出大延時(shí) 帶寬積的級(jí)聯(lián)微環(huán)緩存原型器件， 延遲達(dá) 1級(jí)， 連續(xù)可調(diào) 。 研究?jī)?nèi)容： 研究 微納尺寸 合物復(fù)合波導(dǎo)中光的傳播特性和 模式耦合特征；研究采用選擇性諧振耦合增強(qiáng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)字式波長(zhǎng)選擇交換的機(jī)理、結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)；研究高速、低功耗、 可重構(gòu)無(wú)阻塞 光交換矩陣的設(shè)計(jì)方法 ； 研究 基于光子能帶理論的光 延遲新機(jī)理 和增大延遲帶寬積的新方法 ； 研究多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列中超諧振模式重組以及通過(guò) 注入載流子 等方式實(shí)現(xiàn)延遲量大范圍連續(xù)可調(diào)的方法 ； 研究通過(guò)波導(dǎo)尺寸和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、高速光子學(xué)器件與高頻電學(xué)驅(qū)動(dòng)的匹配和集成化設(shè)計(jì) ，增強(qiáng)等離子色散和光學(xué)非線(xiàn)性效應(yīng)，提高工作速率，降低驅(qū)動(dòng)電壓和功率，減少串?dāng)_和偏振相關(guān)性損耗；研究采用硅聚合物復(fù)合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控的方法； 研究 準(zhǔn)工藝制作光交換和 光 緩存芯片時(shí)， 子回路與結(jié)構(gòu)間的光學(xué)耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處理方法，光學(xué)波導(dǎo)與電學(xué)工藝兼容等問(wèn)題 。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 課題負(fù)責(zé)人： 陳建平 學(xué)術(shù)骨干： 李智勇、周林杰、葉通、李運(yùn)濤、余金中、李新碗 課題 2、受迫諧振模式控制機(jī)理及時(shí)鐘恢復(fù)集成芯片研究 預(yù)期 目標(biāo)： 揭示半導(dǎo)體量子阱與量子點(diǎn)材料及半導(dǎo)體 集成器件 中光子載流子超快相互 作用的動(dòng)力學(xué)規(guī)律；建立能實(shí)現(xiàn)靈活能帶剪裁的 單片集成技術(shù)平臺(tái)； 研制出多段自 脈動(dòng) 時(shí)鐘恢復(fù)芯片，恢復(fù)時(shí)鐘的頻率 100率調(diào)諧范圍 10間抖動(dòng) 200 耗 200fJ/b。 研究?jī)?nèi)容： 研究多段自脈動(dòng)激光器的材料、結(jié)構(gòu)等特征參數(shù)與器件本征諧振頻率(自脈動(dòng)頻率 )之間的關(guān)系及其受控特性 ，研究實(shí)現(xiàn)自脈動(dòng)頻率大范圍調(diào)諧的機(jī)制 ， 建立完整理論模型 ； 研究多段自脈動(dòng)激光器中光波模式之間的增益、折射率調(diào)制效應(yīng)，以及外界光 注入情況下器件中光波模式的受迫諧振、相位同步及鎖定規(guī)律 ，研究 輸入信號(hào)波長(zhǎng)、偏振 態(tài) 、碼型 （特別是長(zhǎng)零碼）對(duì) 注入鎖定 過(guò)程的影響； 研究 恢復(fù)時(shí)鐘 的 時(shí)間抖動(dòng) 與 激光器內(nèi)腔膜的相位 、 腔內(nèi)載流子和光子的弛豫震蕩等 之間的內(nèi)在關(guān)系， 研究注入載流子濃度波動(dòng)引起時(shí)鐘幅度抖動(dòng)的機(jī)理 以及 通過(guò)提高多段激光器腔模相位相關(guān)性 減小 幅度抖動(dòng)的方法 ； 研究利用量子阱混雜和選擇區(qū)域外延、對(duì)接生長(zhǎng)等方法，解決有源器件和無(wú)源器件的單片集成問(wèn)題 。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 北京郵電大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 課題負(fù)責(zé)人： 趙玲娟 學(xué)術(shù)骨干： 王圩、 洪小斌、林金桐、程遠(yuǎn)兵、周代兵 課題 3、超快非線(xiàn)性光控光機(jī)理及全光 2R/3R 再生集成芯片研究 預(yù)期目標(biāo)： 建立 100Gb/s 光 2R/3R 再生 理論體系和 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證本項(xiàng)目研制的光再生器件性能， 提出超高速、低功耗 2R/3R 集成 器件設(shè)計(jì)和制作 方案； 實(shí)現(xiàn) 100Gb/s 惡化信號(hào)的 3R 再生，惡化信號(hào)再生 后誤碼率 10功耗 1pJ/b； 實(shí)現(xiàn) 多波長(zhǎng) 2R 再生，工作速率 100Gb/s， 信道 數(shù) 8，惡化信號(hào)再生 后誤碼率 10功耗 500fJ/b。 研究?jī)?nèi)容： 研究半導(dǎo)體集成器件中載流子和光子相互作用的動(dòng)力 學(xué)規(guī)律和超快非線(xiàn)性效應(yīng)的增強(qiáng)和控制；研究利用器件中光致超快非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)判決的新機(jī)理，研究利用交叉增益壓縮來(lái)改善再生信號(hào)質(zhì)量的機(jī)制； 研究利用 上述光判決門(mén)以及 本項(xiàng)目研制的時(shí)鐘恢復(fù)等器件實(shí)現(xiàn)全光 3R 再生 ； 研究量子阱材料和結(jié)構(gòu)對(duì)激子吸收的影響，揭示材料特性與非線(xiàn)性效應(yīng)關(guān)聯(lián)的內(nèi)在規(guī)律，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加激子吸收效應(yīng)，降低光吸收飽和功率，減小載流子逃逸時(shí)間，從而在低光功率條件下獲得高非線(xiàn)性效應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，研制出全光 3R 再生集成器件 ； 研究無(wú)源非線(xiàn)性 周期性光導(dǎo)結(jié)構(gòu)中電磁耦合特性和光子能帶工程，研究摻雜和光學(xué)偏置 提高非線(xiàn)性效應(yīng)、降低閾值功率的機(jī)理； 研究無(wú)源非線(xiàn)性介質(zhì)中色散控制對(duì)多信道之間交叉相位調(diào)制的影響 ， 無(wú)源非線(xiàn)性介質(zhì)與梳狀濾波相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高速、多波長(zhǎng)全光 2R 再 生的新機(jī)理 。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 清華大學(xué)、電子科技大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 婁采云 學(xué)術(shù)骨干： 武保劍、許渤、邱昆、章恩耀 課題 4、超快光譜變換與控制機(jī)制及多信道全光碼型變換集成芯片研究 預(yù)期目標(biāo)： 揭示 半導(dǎo)體有源 波導(dǎo) 和器件中光子與載流子之間的超快非線(xiàn)性相互作用 規(guī)律 ， 揭示各種 光致非線(xiàn)性效應(yīng) 與 信號(hào)光譜精確變換的 對(duì)應(yīng)關(guān)系， 建立完善的器件機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論 分析物理模型； 研究 出半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延時(shí)干涉儀的混合集成原型器件， 實(shí) 現(xiàn)不同調(diào)制格 式（ ） 之間的轉(zhuǎn)換 ； 工作速率 100Gb/s，信道 數(shù) 8， 誤碼率小于 10耗 500fJ/b。 研究?jī)?nèi)容： 研究混合應(yīng)變量子阱 、量子點(diǎn)結(jié)構(gòu) 特性參數(shù)與載流子變化動(dòng)態(tài)特性及超快非線(xiàn)性效應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律，探索從材料、結(jié)構(gòu)和工作條件等方面改善高速動(dòng)態(tài)特性、增強(qiáng)超快非線(xiàn)性效應(yīng)的方法； 研究新型半導(dǎo)體材料及功能結(jié)構(gòu)中非線(xiàn)性效應(yīng)選擇性增強(qiáng)的機(jī)理， 研究光致非線(xiàn)性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)光譜精確變換的機(jī)理 和 物理模型 ； 研究 高階 調(diào)制 碼型 （ ）和 Z 之 間的變換；研究 高階 調(diào)制 碼型 轉(zhuǎn)換中的相位再生問(wèn)題；研究半導(dǎo)體有源波導(dǎo)與梳狀濾波相結(jié)合實(shí)現(xiàn)超高速多波長(zhǎng) 常用 碼型和 高階 調(diào)制 碼型 變換； 研 究 半導(dǎo)體有源波導(dǎo)和延 時(shí)干涉儀的單片集成結(jié)構(gòu)和制作工藝，研究延時(shí)干涉儀中延時(shí)量的精確控制和相位差的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多信道碼型轉(zhuǎn)換集成芯片 。 經(jīng)費(fèi)比例： 17% 承擔(dān)單位： 華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所 課題負(fù)責(zé)人： 張新亮 學(xué)術(shù)骨干： 余宇、董建績(jī)、黃德修、周靜濤、張軒雄 課題 5、瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理及可調(diào)諧波長(zhǎng)變 換集成芯片研究 預(yù)期目標(biāo)： 建立功能集成材料中瞬態(tài)啁啾躍變和載流子注入調(diào)諧非線(xiàn)性增強(qiáng)的理論模型 ； 研制出 快速可調(diào)諧 全光 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 芯片 ， 工作速率 100Gb/s， 調(diào)諧速度 諧范圍 40耗 500fJ/b。 研究?jī)?nèi)容： 研究 功能材料（量子 阱 /量子點(diǎn) /體 材料 ）和 結(jié)構(gòu)對(duì) 非線(xiàn)性啁啾躍變和折射率變 化 的影響，揭示 材料結(jié)構(gòu) 與非線(xiàn)性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律 及增強(qiáng)非線(xiàn)性的機(jī)理 ； 研究采用瞬態(tài)啁啾躍變機(jī)理實(shí)現(xiàn)超高速波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)和集成解決方案 ； 研究采用載流子注入實(shí)現(xiàn)高速調(diào)諧新結(jié)構(gòu)，研究實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)諧及波長(zhǎng)穩(wěn)定的新方 法 ； 研究采 用 和 混合集 成方式實(shí)現(xiàn) 可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成 芯片 制作工藝，研究混合集成中的 有源和無(wú)源功能器件的集成、材料兼容問(wèn)題、模式調(diào)諧與穩(wěn)定、波長(zhǎng)精確控制、熱擴(kuò)散和能耗控制等問(wèn)題， 實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧波長(zhǎng)變換集成器件原型 。 經(jīng)費(fèi)比例： 承擔(dān)單位： 上海交通大學(xué)、電子科技大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 劉永 學(xué)術(shù)骨干： 鄒衛(wèi)文、林媛、張尚劍、吳龜靈 各 課題間相互關(guān)系 ： 上述 五個(gè)課題覆蓋了 未來(lái)光子 信息處理 集成 器件和技術(shù)領(lǐng)域需要解決的三個(gè)基本科學(xué) 問(wèn)題。各課題既有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)成了如 圖 5 所示的有機(jī) 整體，共同解決 下一代 光網(wǎng)絡(luò) 核心 節(jié)點(diǎn)中的交換和再生問(wèn)題。 課題 研究 目標(biāo)所設(shè)定的 超高速、低功耗光子信息處理 集成芯片和技術(shù)將為提升 我國(guó)信息 技術(shù)科技水平、在信息網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的 關(guān)鍵時(shí)期占領(lǐng)戰(zhàn)略制高點(diǎn) 提供技術(shù)支撐 。 圖 5. 項(xiàng)目目標(biāo)、科學(xué)問(wèn)題與課題設(shè)置之間的關(guān)系 四、年度計(jì)劃 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1) 項(xiàng)目啟動(dòng)， 開(kāi)展深入調(diào)查研究，分析國(guó)內(nèi)外光通信骨干網(wǎng)及其關(guān)鍵支撐器件的發(fā)展趨勢(shì) ，進(jìn)一步明確項(xiàng)目定位和目標(biāo) ； 2) 圍繞超高速、低功耗， 系統(tǒng)地開(kāi)展 集成化光子信息處理器件理論研究； 3) 研究光電子器件設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，初步建立 和硅基 光子信息處理集成芯片 設(shè)計(jì)平臺(tái) ； 4) 完成基本功能 和 單元器件的設(shè)計(jì) ，開(kāi)展相關(guān)工藝和制備研究； 5) 召開(kāi)年度總結(jié)會(huì)議，檢查各課題進(jìn)展情況，落實(shí)下年度工作計(jì)劃 。 1) 在提高光子信息處理集成芯片工作速度、降低功耗的理論研究方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，提出能夠有效指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)的新機(jī)理和新方法 ； 2) 建立 和硅基 光子信息處理集成芯片 設(shè)計(jì)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并制備 基本功能和 單元器件 ； 3) 在理論工作取得突破的基礎(chǔ)上發(fā)表學(xué)術(shù)論文50。 第 二 年 1) 深入開(kāi)展 光子信息處理 集成 器件 理論研究，通過(guò)模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，驗(yàn)證項(xiàng)目 所提出的新機(jī)理和新方法的有效性，完善 光子信息處理集成芯片 設(shè)計(jì)平臺(tái) ； 2) 全面開(kāi)展光子信息處理集成器件的設(shè)計(jì)工作， 完成 首批器件的制備工作（包括借助國(guó)內(nèi) 藝線(xiàn)進(jìn)行流片）； 3) 進(jìn)行器件性能測(cè)試，對(duì)比項(xiàng)目目標(biāo)，分析優(yōu)勢(shì)與不足；總結(jié)兩年來(lái)的工作，提出后三年工作規(guī)劃； 4) 根據(jù)科技部安排，召開(kāi)項(xiàng)目中期檢查會(huì)議，根據(jù)各課題進(jìn)展情況以及專(zhuān)家和科技部意見(jiàn)，落實(shí)后三年計(jì)劃和下年度工作。 1) 完 善 光子信息處理集成芯片 設(shè)計(jì)平臺(tái) ； 完成首批器件的設(shè)計(jì)和制備，工作速度達(dá)到 40G/s 以上，功耗接近項(xiàng)目目標(biāo)所規(guī)定的量級(jí)，其他指標(biāo)達(dá)到或接近項(xiàng)目目標(biāo) ； 2) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利 4 3) 完成項(xiàng)目中期檢查。 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 1) 根據(jù)器件測(cè)試數(shù)據(jù)，在總結(jié)前階段工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善光電子器件設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，建成 和硅基 光子信息處理集成芯片 設(shè)計(jì)平臺(tái)； 2) 開(kāi)展項(xiàng)目研究目標(biāo)所規(guī)定的光子信息處理集成器件的設(shè)計(jì)工作，包括：光開(kāi)關(guān)矩陣芯片，光緩存芯片、光時(shí)鐘恢復(fù)芯片、光碼型轉(zhuǎn)換芯片、光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換芯片和全光2R/3R 再生系統(tǒng)，開(kāi)展器件制備的前期制備工作，部分器件進(jìn)行工藝制備； 3) 搭建超高速光子信息處理測(cè)試平臺(tái)； 研究光子信息處理集成芯片 的封裝技術(shù)，解決常 規(guī)光纖和微納光波導(dǎo)之間的高效耦合。 1) 完成項(xiàng)目的主要理論工作，在國(guó)際高水平刊物上發(fā)表論文 40，在本領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文，包括邀請(qǐng)報(bào)告； 2) 完成項(xiàng)目器件的設(shè)計(jì)工作，通過(guò)模擬仿真，驗(yàn)證器件性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求； 3) 完成部分器件制備，給出光子信息處理集成芯片評(píng)價(jià)體系，搭建 100Gb/ 4) 申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利 4；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、長(zhǎng)江等人才計(jì)劃 。 第 四 年 1) 進(jìn)行項(xiàng)目各類(lèi)器件的制備（包括基于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 藝的流片）； 2) 開(kāi)展器件性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，完善設(shè)計(jì)方法和工藝流程；對(duì)未 到達(dá)設(shè)計(jì)要求的器件，在修改、完善設(shè)計(jì)方法和工藝流程的基礎(chǔ)上，完成項(xiàng)目器件的最終設(shè)計(jì)和制備； 3) 初步建立光交換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和光再生實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證部分器件的性能 。 1) 完成項(xiàng)目主要器件的制備； 2) 完成器件的性能測(cè)試，主要指標(biāo)到達(dá)或接近本任務(wù)書(shū)要求：速度 100Gb/s，功耗 1pJ/b； 3) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利 4；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、長(zhǎng)江等人才計(jì)劃 。 年度 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 五 年 1) 全面完成項(xiàng)目各項(xiàng)任務(wù)，包括理論工作和器件制備、性能測(cè)試 ； 2) 進(jìn)行器件功能的實(shí)驗(yàn)演示和驗(yàn)證； 3) 總結(jié)項(xiàng)目 研究工作，對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)一步工作 提出建議； 4) 在 科技部統(tǒng)一規(guī)劃下， 完成 項(xiàng)目 驗(yàn)收工作。 1) 發(fā)表學(xué)術(shù)論文 60，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利 3；部分骨干教師申請(qǐng)杰青、長(zhǎng)江等人才計(jì)劃； 2) 全面完成 項(xiàng)目 各項(xiàng)研究工作，指標(biāo)達(dá)到本任務(wù)書(shū)要求； 3) 完成 項(xiàng)目 總結(jié)和結(jié)題驗(yàn)收工作 ；對(duì)下階段發(fā)展提出建設(shè)性意見(jiàn) 。 一、研究?jī)?nèi)容 在下一代光通信骨干網(wǎng)絡(luò)中，光子信息處理主要是實(shí)現(xiàn) 信息 交換和信號(hào)再生兩大功能，前者需要光交換矩陣、光緩存和可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換等器件和技術(shù)，后者需要時(shí)鐘恢復(fù)、碼型轉(zhuǎn)換和 2R/3R 再生等器件和技術(shù)，如圖 4 所示。 圖中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)?信號(hào)進(jìn)入光 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)的再生和交換。對(duì)時(shí)鐘分量很弱或不適合直接進(jìn)行光信號(hào)處理的碼型，需要先進(jìn)行碼型轉(zhuǎn)換。在碼型轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘恢復(fù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的 2R/3R 再生，以便于進(jìn)一步交換和傳輸。光開(kāi)關(guān)矩陣實(shí)現(xiàn)信號(hào)的路由和交換，緩存可以解決沖突競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，可調(diào)諧波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換可以提高交換的靈活性，進(jìn)一步降低阻塞率。再生和交換之后的光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成適合傳輸?shù)拇a型，在光纖線(xiàn)路中繼續(xù)傳輸。 考慮到骨干網(wǎng)普遍采用 術(shù)，以及今后將 會(huì) 采用高階調(diào)制方式提高 傳輸性能和 （在波特率不變的情況下）單信道傳輸容量，碼型轉(zhuǎn)換和 2R 再生等器件必須具備 多信道以及高階碼型的轉(zhuǎn)換和再生能力。 本項(xiàng)目將 結(jié)合下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大需求和國(guó)內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，借鑒相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)積累，充分發(fā)揮參與單位的優(yōu)勢(shì)和工作基礎(chǔ)，在突破關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，圍繞交換和再生兩大應(yīng)用目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)超高速、低功耗、集成化的光子信息處理器件 。具體的研究?jī)?nèi)容包括： （ 1）高速大容量光交換矩陣基礎(chǔ)技術(shù)及芯片研究 圖 4. 下一代 網(wǎng)絡(luò) 核心 節(jié)點(diǎn)光 子 信息處理功能結(jié)構(gòu)示意圖 高速、低功耗數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換矩陣 ：研究 微納尺寸 導(dǎo)和新型硅 聚合物復(fù)合波導(dǎo)中光的傳播特性和 模 式耦合特征；研究采用等離子色散效應(yīng)、硅聚合物復(fù)合波導(dǎo)電光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn) 硅 基波導(dǎo)折射率的高速調(diào)節(jié)；研究采用波長(zhǎng) 選擇性諧振耦合增強(qiáng)機(jī)制 實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字式波長(zhǎng)選擇 22 光開(kāi)關(guān)基本單元 的機(jī)理和設(shè)計(jì)方法；研究 速光子器件高 密度集成的熱效應(yīng)問(wèn)題，以及采用硅聚合物復(fù)合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)非熱敏的波長(zhǎng)選擇和調(diào)控的途徑 ； 研究通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)等離子色散效應(yīng)和硅聚合物復(fù)合波的非線(xiàn)性效應(yīng)，降低驅(qū)動(dòng)電壓和功率，減少串?dāng)_和偏振相關(guān)性損耗；研究大規(guī)模高速、低功耗、 可重構(gòu)無(wú)阻塞 光交換 矩陣的設(shè)計(jì)方法；研究 采用 準(zhǔn)工藝制作光交換芯片時(shí) 子回路結(jié)構(gòu)間的光學(xué)耦合、交叉與隔離，降低傳輸損耗的表面處 理方法，光學(xué)波導(dǎo)與 集成電路 工藝兼容，高速光子學(xué)器件與高頻電學(xué)驅(qū)動(dòng)的匹配等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的 數(shù)字式波長(zhǎng)選擇光交換 芯片。 級(jí)連續(xù)可調(diào) 硅 基光緩存 ： 研究光波在 納波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的傳播 和耦合 特征；研究 基于光子能帶理論的光 延遲新機(jī)理； 研究具有超大 延時(shí)帶寬積 、延遲量大范圍（ 級(jí)）連續(xù)可調(diào)的多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列超諧振腔結(jié)構(gòu)；研究多級(jí)復(fù)合微環(huán)陣列中的超諧振模式特征以及通過(guò) 注入載流子 等方式對(duì) 超諧振模進(jìn)行重組的方法 ，實(shí)現(xiàn) 延遲量大范圍連續(xù)調(diào)節(jié) ；研究利用該可調(diào)光緩存芯片與高密度集成的 延遲線(xiàn)級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)大容量緩存的 方法 ； 研究 電子束光刻以及深紫外光刻、等離子體干法刻蝕等 藝制備 硅 基低損耗 微納 光波導(dǎo)和微環(huán)諧振器的工藝技術(shù)， 設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 具有超大延遲量的連續(xù)可調(diào) 硅 基微環(huán)諧振腔光緩存芯片。 高速可調(diào)諧波長(zhǎng)變換 ：研究 載流子和增益的超快非線(xiàn)性效應(yīng)與折射率變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及相應(yīng)的啁啾動(dòng)態(tài)過(guò)程；研究功能材料和結(jié)構(gòu)（量子阱 /量子點(diǎn) /體材料）對(duì)非線(xiàn)性啁啾躍變和折射率變化的影響，揭示材料結(jié)構(gòu)與非線(xiàn)性效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律及增強(qiáng)非線(xiàn)性 啁啾 的機(jī)理，建立超快理論模型。 研究通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，增強(qiáng)超