基于硅-聚合物复合波导的无热化电光调制器的研究

调制器作为下一代处理器芯片内光互连的关键器件，其性能直接制约着芯片内光互连的发展。现有的硅基调制器在速度、功耗、尺寸、热稳定性等方面还存在着各种不足，不能满足光互连对高性能调制器的要求。本项目将从材料和器件结构入手，设计并实现一种新型的基于硅－聚合物复合波导的波长选择性电光调制器。通过在硅双缝隙波导内引入高非线性电光聚合物材料，增强复合波导的电光效应，来实现高速、低功耗调制；在波导上制作Fabry-Perot微谐振器，来获得较小的调制器尺寸；优化调制器结构设计，使聚合物负热光效应抵消硅材料正热光效应，来获得非热敏的稳定调制。本项目将与香港科技大学合作，联合完成对新型调制器的工艺制备工作，实现并演示高性能电光调制。项目成果将为下一代高性能调制器和芯片内光互连的发展提供有力的技术支持，促进我国高性能微处理器芯片的发展。

项目组经过3年时间的努力，完成了项目计划任务书规定的各项研究内容。在基础理论、新型硅基光子器件设计和工艺制备等方面取得了较大成果。设计并实现了硅基单电极推挽式马赫曾德调制器，该调制器具有较高的调制性能，调制器有源区长度为3mm，半波电压为4.5V，能实现对20Gbps OOK信号和15Gbps BPSK信号的无误码高速调制，利用该调制器可进一步实现高阶码型QPSK调制器。设计了基于硅-聚合物混合波导的微型强度调制器，在外加1V 电压下就可实现对输入光波的调制。调制器的调制带宽>40GHz。调制功耗<1fJ/bit，这一功耗远低于传统的硅基调制器。设计并实现了全硅无热化滤波器，温度范围从30度变化到80度时，热敏感性约为-6.2 pm/C，比普通的硅基光滤波器小了1个数量级。设计并实现了一种具有自主产权的新型谐振腔——基于自耦合的类电磁感应致透明谐振器结构，这种谐振腔具有单一结构多种功能、工艺容错性强等特点，能通过级联等方式实现滤波、延迟、开关、光子信号处理等多种不同的功能，可作为硅基大规模光子集成的基本器件。实现了基于FP腔的可调梳状滤波器，在1550 nm波段具有54个梳状滤波通道，通道间隔大约为0.92 nm（～115GHz），Q值为57,000（相当于半高宽为3.4 GHz）,消光为26.3dB。实现了基于游标效应的可调微环滤波器，波长调节范围为47 nm，串扰优于-20dB。. 在国际学术刊物和学术会议上发表论文近40篇，其中SCI收入18篇，EI收入37篇，申请国家发明专利10项。成果受到国际同行的关注，受邀担任国际刊物编委(ISRN Optics)、全国微光刻专业标准化技术委员会委员等职，多次受邀在国际学术会议上（如SPIE Photonics West）做邀请报告。受邀参与撰写美国光学学会Optics & Photonics News在2011年9月出版的专题报道“Integrated Photonics in China”，本项目工作在其中予以了报道。培养了多名博士生和硕士生。在本项目牵引和推动下，项目组成功申请了国家863计划项目，为后续研究工作的进一步推进奠定了基础。