基于CMOS后工艺三维光电集成的光波导器件基础研究

Design and fabrication of 3-D optoelectronic integrated optical waveguide devices will be performed in this project, using CMOS post-backend process. The research task is arranged as follows: (1) Analyzing the processing and material compatibility of optical waveguide devices and CMOS integrated circuits (ICs); under post-backend design constraint, performing theoretical study, modeling, design and fabrication of optical waveguide devices; exploring CMOS compatible optical waveguide material system. (2) Designing integratable optical waveguide devices, including low loss passive devices and CMOS compatible active devices. (3) Proposing the process parameters of 3-D optoelectronic integrated optical waveguide devices, performing experiment on the surface of ICs, achieving 3-D optoelectronic integration of optical wavguide devices and ICs. The results of this research is believed to provide an original solution for low-cost and high-performance optoelectronic integrated optical waveguide devices and offer novel and feasible technology for on-chip optical interconnects.

本课题以三维光电集成的光波导器件为研究目标，拟利用CMOS后工艺在集成电路芯片表面制备波导器件。主要的研究内容包括：（1）首先分析研究光波导器件与CMOS集成电路工艺、材料兼容性，从光波导器件的基本原理、结构、工艺流程等方面，研究满足CMOS工艺兼容性的光波导器件的设计方法，探索满足CMOS工艺兼容性的光波导器件材料体系；（2）设计应用于光互连的可集成光波导器件，通过理论分析和仿真模拟，设计低损耗的无源光波导器件，探索满足CMOS后工艺要求的有源光波导器件的设计与研制；（3）提出光波导器件三维光电集成的工艺参数，在CMOS集成电路芯片表面开展工艺实践，实现光波导器件与CMOS电路的三维光电集成。本课题有望提供一个低成本、高性能的光电三维集成光波导器件实现方案，从而为片上光互连提供新颖、可行的技术。

研究高性能的光波导器件，实现光波导与电路的集成，对于未来片上光互连技术的发展和成熟具有重要意义。本项目针对可集成的光波导器件开展了基础研究，取得了以下研究成果：1）我们开展了光波导器件与CMOS集成电路工艺、材料兼容性研究，保证波导器件的制作工艺、材料与CMOS后工艺兼容。2）设计并优化了应用于光互连的可集成光子器件，重点研究了复用/解复用滤波器、光栅耦合器、探测器。所设计的垂直耦合光栅耦合器，耦合效率高达80.3%，1-dB光学带宽达到58nm；微环解复用滤波器在3dB带宽50GHz、信道间隔150GHz条件下获得了小于-30dB的信道间串扰，并实现了8×10Gb/s的光接收芯片。3）开展了光互连关键光波导器件三维光电集成工艺实现与测试，在CMOS集成电路芯片表面开展工艺实验，实现了集成电路与硅基光子器件的三维集成，并完成了对微环滤波器的温度稳定性控制，在30°C至65°C的环境温度调节范围内，温度相关的谐振波长偏移从21.43pm/°C降至1.43pm/°C。项目发表SCI论文共计6篇，会议论文1篇，邀请报告1次，申请发明专利1项。