文档介绍：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
首席科学家:
陈建平上海交通大学
起止年限:
依托部门:
上海市科委教育部
二、预期目标
项目的总体目标
针对下一代信息网络的重大需求,通过各参与单位在光电子、半导体材料与器件、信息网络等领域所具有的基础和优势的交叉融合,在超高速、低功耗、集成化光子信息处理器件的理论、设计、制备等核心技术方面取得重大进展和突破,研制出具有原创性的100Gb/s、低功耗和集成化光子信息处理芯片原型;同时带动高水平研究基地的建设,促进光子信息学科的发展;培养出具备创新能力和多学科综合素质的集成光子信息处理器件相关领域高水平研究队伍和优秀人才;提高我国信息网络技术的内涵和国际竞争力。
五年预期目标
通过五年的深入研究,本项目预期取得以下重要进展和成果:
(1)在若干重要基础理论研究方面取得突破:半导体材料中光子-载流子相互作用增强机理;集成条件下折射率变化效应的选择性增强和调控理论等。
(2)提出具有自主知识产权的超高速、低功耗光子信息处理集成芯片完整的设计方法;提出光子器件建库规范和标准,建立开放式InP基和Si基光电子集成芯片研发平台;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。
(3)研制出能满足下一代网络核心节点应用需求、具有创新性和实用化前景的超高速、低功耗、集成化光子信息处理原型器件(包括波长选择光交换芯片、光缓存芯片、可调谐波长转换芯片、时钟恢复芯片、码型转换芯片和全光再生芯片),整体水平达到当时:工作速率³100 Gb/s,功耗与相关功能的O-E-O器件相比,下降2-3个数量级。在此基础上,实现系统功能的示范性演示。
(4)在IEEE(JLT、PTL、JQE等)、OSA(OL、OE、JOSA等)、AIP(PRL、APL、PR)等国际光通信和光子信息领域重要刊物上发表论文300篇以上;每年在OFC、ECOC发表数篇论文,争取有邀请报告或Post deadline论文;在国内举办2-3次有较大国际影响的光子信息处理学术会议;力争在Nature Photonics等刊物上发表论文。授权或受理发明专利20项以上。
(5)形成高水平光子信息处理集成器件和技术研究的协作平台;在光子信息处理领域培养出优秀青年教师和研究骨干,新增国家自然科学基金委杰出青年基金
获得者、教育部长江特聘教授、中科院百人计划2-4人;培养硕士生100名,博士生50名以上。
三、研究方案
总体学术思路
本项目的总体学术思路是根据新一代信息网络的重大需求,紧扣超高速、低功耗、集成化的核心思想,发挥承担单位国家和省部级科研基地在设备、研究条件和人才方面的优势,围绕关键科学问题,开展原创性的理论和实验研究,提出并实现新型集成光子信息处理器件及其制备的创新方案。在承担单位长期合作所形成的默契基础上,根据各自特点实行分工协作,确保项目总体目标的完成。
技术途径:
数字式波长选择光交换芯片:光交换矩阵由光开关基本单元通过一定的级联方式构成。以16´16矩阵为例,若要实现完全无阻塞则需要15级级联,最少240个开关单元,每个开关单元包含分束、相移、合束、波导、谐振腔等多种基本功能元件,总计光学元件数超过1500个,要实现如此规模的光电子集成是有非常大难度的。本项目拟采用可重构无阻塞的Benes结构,其优点是光开关单元数量可大幅度减少,不足是不同路由会导致各信道的插入损耗不均匀,这个问题可在2R/3R中解决。这样,只需要56个基本开关单元,7级级联即可。尽管如此,这对芯片设计和工艺制作而言仍然是巨大挑战。本项目将以微环谐振器构成2´2数字式波长选择光开关单元。具有波长选择功能的光开关在构成交换矩阵时不需要合波/分波器,极大简化了系统结构、增加了灵活性。数字式调谐方式则可避免繁琐的波长锁定技术,拟采用折射率微调方法来实现:将具有选择性谐振耦合的开关单元设计在ITU-T规定的DWDM波长上,然后通过改变折射率,使谐振腔对该波长失谐,从而达到开或关的目的,避免了光波长的大范围快速调谐和锁定的难题。
电光效应响应速度快,是提高光交换速度的重要途经,但硅材料本身缺乏线性电光效应(Pockels effect),本项目拟采用两种途径来解决这一问题。第一种方案是通过载流子色散效应来调节折射率。这种调节方式的响应速度相对较慢,为此将通过增加复合中心减小载流子的寿命,消除载流子抽取过程中的“拖尾”现象,提高速度;并通过光学结构(光波导与器件)和电学结构(调制区)的优化设计,增大光场与电场的有效交叠面积,来增强等离子色散效应, 降低功耗。由于在本项目中,折射率仅需微调,因此微环谐振腔的控制将采用反向偏置p-i-n二极管,这样,充放电时间能大大缩短,