用于光互连的硅基CMOS光子集成基础科学问题研究

本项目基于CMOS集成电路工艺开展硅基光子学的研究，立足硅深亚微米超大规模集成电路技术和硅基发光、光接收技术，将微电子工艺和光电子工艺相结合，开展用于光互连的硅基光子集成基础科学问题研究。本项目研究内容覆盖硅基片上光互连的各个关键光电子器件、专用集成电路、以及光电子器件和电路单片集成的关键技术。研究内容包括硅基光源、光波导、硅光电探测器、光互连专用集成电路，以及将硅光发射器件、硅光电探测器和驱动接收电路全单片集成实现片上光互连功能的硅基单片光电子集成回路。本研究能够解决Ⅲ-Ⅴ化合物以及需要采用特殊光电子工艺的硅基光电子器件的制作工艺复杂成本太高，无法与现有的集成电路大规模集成的缺点；能够大幅度降低了实现光电子集成回路的成本，为实现硅基光电子集成回路的实用化扫清障碍；能够实现光电子和微电子的充分融合和取长补短，解决目前芯片上电互连的瓶颈，具有重要的科学研究价值和潜在的应用。

本项目基于CMOS工艺开展用于光互连的硅基 CMOS 光子集成基础科学问题研究。本项目研究内容覆盖硅基片上光互连的各个关键光电子器件、专用集成电路、以及光电子器件和电路单片集成的关键技术，包括硅基光源、光探测、光调制、光耦合等部分。根据基金项目计划书，我们对用于光互连的硅基 CMOS 光子集成基础科学问题进行了深入探索，在CMOS片上硅光源、探测、调制、耦合等方面均取得了重要进展，我们还将不同的器件单片集成，初步实现了多路波分复用片上光互连。1、在CMOS硅光源方面，基于标准CMOS工艺研制了PN型、MIS型、Schottky型三种单晶硅LED及PIN型多晶硅LED，实现了能够与电路单片集成的CMOS片上光源。其中PN型Si-LED中的n阱三端楔形正向注入发光功率密度达到32.7nW/μm2。2、首次研制了32×32大规模硅LED动态发光阵列，动态发光阵列中的每个发光单元均单片集成了控制电路和存储器，具有动态显示的功能。3、在宽带低噪声跨阻放大器方面，创新性设计了增益自动控制、有源反馈和负米勒电容反馈的跨阻放大器，通过利用有源电感峰化技术，并联反馈技术，均衡补偿等方法改善了噪声和带宽等性能。研制出带跨阻放大器的光接收机，带宽大于1.7GHz, 增益大于60dB。4、在长波长片上光互连集成芯片方面，研制了新型光栅耦合器、新型电光调制器、锗光电探测器、波分复用解复用器。其中新型光栅耦合器对准容差能力强，对工艺的依赖性小，能够实现硅光子芯片与光纤垂直耦合，实现硅光子芯片批量在线检测；新型电光调制器节省了额外的光分束器插入损耗，具有低损耗的优点。研制的长波长片上光互连集成芯片单片集成了上述器件，能够实现四路波分复用片上光互连功能。