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

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内容摘要：

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 DWDM 应用需求，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 CMOS 工艺特点设计 Si 基集成器件， 充分利用 CMOS 成熟工艺，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 InP 衬底 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 InP 和 Si 基的 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 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 CMOS 工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 CMOS 工艺线上 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 10ps 量级 ，矩阵规模为 1616（可重构无阻塞）， 信道串扰 20dB，功耗 100 fJ/bit；研制出大延时带宽积的级联微环缓存原型器 件， 延迟达 1ns 量级， 连续可调。 研究内容：  研究 微纳尺寸 SOI波导和新型硅－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 CMOS 标准工艺制作光交换和 光 缓存芯片时， SOI 光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 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 InP 基单片集成技术平台；  研制出多段自 脉动 时钟恢复芯片，恢复时钟的频率 100GHz，频率调谐范围 10GHz，时间抖动 200 fs，功耗 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 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 109， 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 109， 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 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（ NRZ、 RZ、 DPSK、 DQPSK 等 ） 之间的转换 ； 工作速率 100Gb/s，信道 数 8， 误码率小于 109，功耗 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 （ DPSK、 DQPSK、 QAM 等 ）和 NRZ/RZ 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 InP 基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 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 ns量级，调谐范围 40nm，功耗 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 InP 基和 Si 基混合集 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。