基于有源微环谐振器的高速光学比特存储的机理与器件研究

在光通信网、光互连和光计算等领域，光缓存是不可或缺的重要元件，作用是暂时地存储光信息，延缓信息被处理的时刻。本项目拟开展高速光学比特存储的研究，它基于SOI微环谐振器，能随机控制光存储时间，存取信息的速度快，是一种真正的光缓存，它还与CMOS工艺兼容，可以高度集成。拟将Ⅲ-Ⅴ族有源材料与SOI微环谐振器键合，利用崩浦光提供增益来补偿光信息的传输损耗，研究谐振腔中光场与光场、光场与有源介质的相互作用，探索硅基光学比特存储的物理机制。研究并利用硅中的双光子吸收和等离子色散效应，基于SOI微环谐振器，实现光学比特的高速读取。采用数值计算方法设计和优化器件，改善Ⅲ-Ⅴ族材料与SOI晶片的键合工艺、电子束光刻和等离子干法刻蚀技术等，进而研制出硅基的高速光学比特存储器，信息写入与读取时间均小于100皮秒。硅基高速光学比特存储器的成功研制，无疑将对我国的光互连和光计算事业起到巨大的推动作用。

本项目开展了片上光学存储的基础研究，考虑光学增益、非线性光学效应和微腔光反馈，建立了相关物理模型，并运用FMM和FDTD 等数值方法对器件进行了设计与分析，研究了级联有源微环中的双稳态和多稳态特性，可用于多个光学比特的存储。利用电子束光刻、等离子干法刻蚀等工艺，实现了适用于光学比特存储的多种基本元器件：具有小尺寸、低插入损耗、高隔离度的双带光学滤波器件，其隔离度超过20dB，有望实现单谐振腔中多个光学比特的存储；低功耗、高速电光可调的硅基微盘光开关，开关时间为2纳秒，利用它可获得高速的光学比特存储和释放功能；具有类电磁诱导透明效应的极紧凑的全集成双波导耦合微盘谐振器，微盘半径为3微米，透明谐振峰Q值达到4200。硅本身不是有源介质，通过消逝场耦合的III-V族材料可获得光学增益，我们摸索了基于纳米压印技术的BCB键合工艺，实现了InGaAsP与硅基纳米波导结构的极小间隙键合。本项目研究已取得了一些创新性结果，随着相关理论与工艺研究的继续深入，片上集成的高速光学比特存储是能够最终实现的。