具有状态记忆功能的硅基光子线光开关的研制

人类社会用于信息通讯、信息存储和信息处理所消耗的能源比重越来越大，如何降低器件的能耗是国际上最热门的研究课题。光开关作为信息领域应用最广泛的器件，人们一直在努力降低它的能量消耗。针对目前集成光学光开关需要消耗能量来维持开关状态这一点，本项目提出了一种具有状态记忆功能的硅基光子线光开关。这种光开关把浮栅型存储器与光波导调制器有机地相融合，把存储器对电荷的记忆功能转换成光波导对折射率的记忆功能，用能量脉冲形式完成开关状态的转变，不再需要消耗能量维持开关状态，从而实现节约能源的目的。本项目将研究融合电学模型与光学模型，建立统一的光电子器件模型，将研究光信号与电信号的相互作用与转化；将研究CMOS工艺在光电子集成器件方面的应用与开发。最终制作出MZI 型和微环型具有非易失性状态记忆功能的光开关，脉冲开关能量<10nJ。本项目的研究为集成光电子学器件提供了一种降低能量消耗的新思路，新方法。

在人类进入信息社会以来，计算机、互联网已经成为人类社会信息交流的主要工具。随着人类对信息需求量的不断提高，用于处理信息的硬件设备的能耗也越来越高。针对这一问题，人们提出用光互联代替电互联处理信息的技术。硅基光子学正是在这个背景下被提出的，就是利用目前成熟的CMOS加工技术，在硅芯片上集成高速度、高密度、低能耗的光电子器件，以实现对光子信号的调制、探测、处理以及传感等。经过各国科学家和工程师们的努力，众多的硅基光电子器件被研究报道，但是没有“记忆功能”的光电子器件。这项功能的缺失，使得硅基光电子器件必须有能量才能维持工作状态。针对这个问题，在本项目里，我们提出一种具有状态记忆功能的硅基光子线光开关。这种光开关把浮栅型存储器与光波导调制器有机地相融合，把存储器对电荷的记忆功能转换成光波导对折射率的记忆功能，用能量脉冲形式完成开关状态的转变，不再需要消耗能量维持开关状态，从而实现节约能源的目的。.在完成本项目的过程当中，我们设计了一个半导体/绝缘介质/半导体，电容器型的波导结构，建立了理论模型，分析了开关能耗问题，并与实验进行了对比研究。实验上，与新加坡微电子研究所合作，利用CMOS工艺线，制作出世界上第一个微环光存储器，并在实验中得到了多值的存储态。进一步提出光读出存储器阵列方法，设计了微环光存储器的级联结构，实验上演示了4个微环光读出存储器阵列的过程。同时我们还研究了微环相关的器件研究，如数字型微环光开关；微环增强光电探测器；电读出微环传感器系统等。.在本项目里主要取得的以下重要结果：1.制作出世界上第一个微环光存储器，其擦写能耗小于20pJ。该技术的研究，不仅为绿色光通讯提供了一个新型器件，同时在硅基光子学领域中，开辟了一个全新的研究方向-非易失光电子器件。2.实验上演示了4个微环光读出存储器阵列的过程，一根波导同时读取的数据量较电子导线将可以提高400倍。为解决计算机中冯诺依曼瓶颈提供了一个新思路。3.首次报道了微环为基础的准数字型光开关，该数字型光开关具有平顶的光谱响应，开关能量37mW,开关时间7微秒，消光比大于30dB。4.世界上首次实现了单片集成电读出微环生物光电传感器，探测灵敏度166nm/RIU, 探测极限7.3e-6RIU。5.我们还研究了微环增强型Ge光电探测器，实验上观察到了2倍的增强效应。为长波长光子的探测研究做出了有益的探索。