(集成光电子学导论)第十章硅光子学.ppt

第十章 硅光子学 前沿：硅光子学 Intel的硅光子学研究 硅光子学 提要 硅光子学介绍 为什么硅光子 基于硅的无源器件 在硅上（或者基于硅）的有源器件 光电混合集成（OEIC） 硅基微电子 为何硅基IC可以成功？ 大面积衬底的成熟工艺（硅晶圆） 性能越小越快 元器件的标准化：晶体管、电容、电阻、电感… 基于统一技术平台，简单的工艺能制作复杂功能的元件——且链条中公司极少 微电子互连的局限性 带宽低，电子瓶颈问题 随着线宽降低，泄露电流增大，功耗增加，散热困难 光电子集成的困境 目前可变度过大 不同的光学材料 ?? 不同的元件原理和类型 ?? 不同的工作波长范围 因此: 对不同应用没有通用制作技术 ?? 没有批量化生产的工艺平台 ?? 价格高昂 全光功能集成 光集成为何以硅集成为目标？ 优点： 折射率大，集成密度高 可直接使用微电子CMOS工艺 可同时集成光器件和微电子器件 价格低 缺点： 无源：偏振敏感（双折射），精度要求高 有源：间接带隙半导体，量子效率极低 大折射率差的作用 绝缘体上的硅SOI（Silicon-on-Insulator） 远程通讯波段透明（1310nm，1550nm） 高折射率差（紧凑）3.45/1.0/1.45 SOI光波导 硅波导传输损耗 硅基无源器件 基于硅的环形共振器 基于硅微共振环的生物传感器 基于硅微共振环的应力传感器 阵列波导光栅 刻蚀衍射光栅 硅基有源器件 光发射 光探测 光调制 硅基有源无源集成方式 单片集成：所有有无源器件都使用硅来制作——理想（统一平台），但难！ 混合集成：有源用三五族材料做，然后想办法贴在硅芯片上——无奈的选择，过渡技术，成品率低，价格高 硅基混合集成（粘结技术） 硅基单片集成：寻找特殊物理效应，用于替代常规效应 发光：不使用半导体受激辐射，而是用拉曼效应 调制：不是用电光效应，而是用载流子注入 探测：硅基锗探测器 硅光调制器 思考：光通信里的调制器通常基于铌酸锂的电光效应，而硅的电光系数很小，无法用电光来做调制器，能否用别的办法实现调制？ 思考：可以用于实现光调制器的集成光学结构有哪些？ 集成光调制器 硅基光调制器：载流子注入式 基于马赫泽德干涉仪的硅调制器 基于微共振环的硅调制器 硅基锗探测器 散射 拉曼效应 全硅激光器：拉曼激光器 全硅光电互连 思考：光电互连 微电子信号的导通依赖的是电子在导线内移动，光集成信号则依赖光在波导内全反射，如果要实现光电一体化集成，如何实现两者的兼容转换？ 总结 硅光子集成有什么重要性 硅集成的难点 利用共振器和干涉仪来做管调制时，外加电信号一般应导致波导折射率变化，才可能引起共振波长漂移，或干涉信号加强或减弱。 思考：加电后，如何引起硅折射率变化？ 在波导周围形成PN结，当外加电场后，由于扩散作用，使载流子开始向中间波导区移动，导致波导折射率变化 样品在强激光电场作用下，将产生高阶非线性现象，这时的电极化强度可写为： 受激拉曼散射使用的三阶非线性效应，思考为何会发生？ Intel 2005 * Nature Photonics, April 2007, Volume 1 No 4 pp. 187 Editorial: “The lure of silicon” “Silicon has changed the world through microelectronic technology. Now optical researchers are getting in on the silicon game too.” 功能和性能: 自2004年以后不断有突破性进展出现 ? 低损耗的硅波导 (IMEC, NTT, IBM…) ? 紧凑的波长路由器 (IMEC…) ? 高Q值紧凑微共振腔 (U. Kyoto…) ? 10-40 Gb/s 硅探测器(LETI…) ? 10-40 Gb/s 硅调制器 (INTEL, Luxtera, Cornell…) ? 全硅拉曼激光器 (INTEL…) ? (速度可调) 慢光(slow light) (IBM…) ? 全光交换 + 波长转换 (NICT+IMEC, Cornell,U.Karlsruhe…) ? CMOS工艺兼容的集成 (Luxtera…) ? InP-SOI混合集成 (INTEL+UCSB) ? 在 SOI上集成InP激光器 (IMEC+LETI+INL) IBM 全球1秒内会增加5吨的硅基光电子元件 (奔四) 42 million transistors 2000 000 000 multiplications in 1 sec 解决途径—— 集成光电子取代集成微电子 集成光电子技术要想取代集成微电