硅基微纳光子器件及集成

硅基光子器件及集成可实现真正意义上的SoC功能集成，在计算机芯片光互连和全光网通信、生物医学、传感技术和国防安全等应用中潜力巨大，是信息高技术发展的重要方向之一，为新一轮信息高技术发展的制高点。本项目将充分利用申请单位已有的工作基础，立足国内，研究SOI微纳波导结构中光的传输、干涉、衍射、耦合、光子-载流子相互作用机理；着重研究SOI基片上的亚微米和几十纳米尺寸下光波的传输、调制、滤波、分光、检测和控制；深入研究SOI微纳结构微细加工和光纤－微纳波导高效耦合等关键技术；研制出SOI微纳结构高频调制器、长波长波导型探测器、波分复用/解复用器；进而研究不同功能的光子器件集成在同一基片上的电学、光学和工艺的兼容性，试验SOI光子集成的新结构和新工艺，探索研制高频调制器与波分复用器功能集成器件；研究静态和高频动态测试技术及分析方法。本项目将为我国硅基光子学的发展提供坚实的理论基础、技术和人才贮备。

本项目针对硅基片上光互连关键微纳光子器件设计、制备关键工艺及功能集成技术，深入探索SOI微纳无源光子结构和有源器件对光的调控功能，提出了微纳光波导器件间模式转换、偏振控制、对接耦合以及单片集成的有效设计方案；发展了相应的实验制备和测试方法；探索了硅基长波长波导探测器的材料生长和器件制备工艺，为开发片上光互连集成器件提供了理论基础和实验积累。取得如下主要成果：.1) 基于CMOS工艺平台，研发出硅基微纳光子集成器件整套关键工艺技术，成功制备出低损耗SOI亚微米量级单模传输波导，传输损耗：1.65dB/cm；研制出纳米光锥耦合器，耦合效率高达60%以上。.2) 设计制备出高质量的SOI微环谐振腔，Q值～78500、消光比>22dB；成功制备出反偏PN结载流子耗尽结构的微环谐振腔高速电光调制器，3dB调制带宽达18.5 GHz。在SOI衬底上实现了SOI微环调制、纳米光锥和光栅耦合功能集成器件。.3) 采用压制位错攀移技术，在Si衬底上外延生长高质量Ge材料，位错密度1.49×106cm-2；SOI基外延Ge薄膜的表面粗糙度为0.95nm；开展了Ge片注H、键合和Smart-cutTM技术，获得了质量良好的Ge和Si异质集成（GOI）结构材料。制备出响应波长1.55μm、外量子效率为24%、响应度为0.3A/W、3dB带宽为6 GHz的Si基Ge PIN探测器；在国际上首次研制出响应波长为1550nm的硒离子注入的硅探测器，最大响应度为139mA/W@5V。.4) 设计、制备出通道间隔为200GHz、插入损耗2.8dB、串扰< -15dB的8通道SOI微纳波导AWG复用/解复用器。.5) 制备出SOI纳米线AWG与4路MZI阵列无源光子单片集成芯片样品以及AWG和8路MZI调制器阵列有源光子单片集成芯片样品。.6) 设计搭建了微波探针装架结构和微纳器件测试分析平台。系统研究了微纳集成器件的静态、动态特性测试与分析方法，认真研究了影响频率响应的主要因素及校准方法，提取了最接近实际情况的器件本征频率响应。.7) 在国内外核心刊物上发表论文61篇，其中SCI收录论文37篇；授权发明专利22项；培养研究生32名，其中博士研究生19名。