应用于光子集成的硅基混合集成人工微结构硅波导输出激光器研究

目前,硅光子集成在光通信和信号处理、微电子系统的片内和片间互连领域成为研究热点。虽然其基础元件如波导、输入/输出(I/O)耦合器、波分复用器、调制器和光探测器性能达到了一定水平,但是硅光子集成回路仍面临挑战,原因是硅基激光光源的制作仍然是一个技术难题。综述了近年来硅基混合集成激光器的进展,介绍了课题组的研究成果。将微结构引入到硅基混合集成硅波导输出激光器中,提出了新型的III-V/硅混合集成的微结构硅波导输出单模激光器。此新型激光器工作在通信波段。其中,InGaAlAs增益结构是通过晶片直接键合的方式与具有微结构的SOI(Si/SiO2/Si)集成。激光器模式选择机制是基于SOI中的周期微结构,仅通过标准光刻即可实现。微结构激光器室温连续输出为0.85mW,脉冲输出为3.5mW,边模抑制比为25dB。     

SOI波导与InGaAs/InP光电探测器的集成

成熟的CMOS技术可制备无源光学器件,但高效光源和高性能光探测仍需要III~V族半导体材料。综述了近期III~V族外延片与SOI(silicon-on-insulator)波导集成的键合技术,按键合材料的不同分为无机和有机材料键合。着重分析了各种InGaAs/InP光电探测器与SOI波导集成的光耦合方案,并对其优缺点进行对比。同时给出设计的一种倏逝波耦合的InGaAs/InP光电探测器,用时域有限差分(FDTD)法对器件光学特性进行了模拟,以SOI上有机键合的方式,获得95%的探测器吸收效率,表明该SOI波导集成的光电探测器可实现小体积、低损耗及高响应度的光探测,符合片上光互连系统的要求。     

Si基芯片光互连研究进展

综述了近年来Si基光互连,尤其是和微电子工艺兼容程度较高的芯片间和芯片内的光互连的进展。Luxtera公司已经率先实现了除光源外的所有光子器件的单片集成,IBM也提出并开始实施微电子学领域的片内光互连的技术方案,但Si基光互连大部分还停留在各构建单元器件性能提高的阶段,例如Si基发光、Si波导、Si波导耦合器、Si基调制器及光开关、Si基探测器以及用于光波导器件阵列的WDM技术。此外,还对Si基光源、光纤耦合、偏振敏感性以及光子器件的热稳定性提出了看法。总之,随着各种构建单元器件的综合性能、CMOS工艺兼容度、制备成品率的提高以及光电融合单片集成工艺的突破,光互连最终会成为现实,并引发微电子技术和IC行业的下一场革命。     

半导体光集成电路

半导体光集成电路(PIC)是光电子集成电路(OEIC)的一个分支,它侧重于光学互连的导波光电子器件的单片集成。由于Ⅲ-Ⅴ族材料外延晶体生长和相关工艺技术方面的进步,这一研究领域最近取得明显进展。本文讨论了集成有源和无源光波导的某些必要技术,并介绍了几种典型器件。     

基于半模基片集成波导的高速数据传输系统

提出了基于半模基片集成波导(HMSIW)互连的高速数据传输系统,并实现了单通道7.5Gbps 的高速数字信号传输。对传统SIW 互连传输系统进行了改进,设计加工了新型HMSIW 波导互连,替换传统SIW 波导互连,使得信道传输带宽和系统传输速率显著提高。在相同主模截止频率条件下,HMSIW 的工作带宽为SIW 的两倍,而其宽度尺寸仅为SIW 的一半。仿真与实测结果显示论文提出的HMSIW 互连传输系统与文献提出的传统SIW 互连传输系统相比,前者的最高传输速率是后者的1.5 倍。     

纳米光波导光滑技术研究进展

随着半导体工业的发展,集成光电器件的特征尺寸越来越小,纳米光波导表面光滑技术将面临新的挑战。降低纳米光波导表面粗糙度,制造超低损耗纳米光波导,实现其高效片间光互连与片内光耦合,是集成光电子器件,特别是高灵敏微陀螺、生化传感器、光通讯等器件发展的关键。主要分析了光波导表面粗糙度与传播损耗的关系,着重阐述纳米光波导表面光滑工艺方法,包括热氧化法、氢退火法及激光束法的研究现状及最新进展,总结了各类工艺的技术难点与发展前景,并展望其在微机电、光集成方面应用前景。     

光电印制板的制造和特征

概述了光电印制板(O/EPCB)的制造和特征,它具有三维3D光学互连用的埋入多模步长指数(MM-SI)波导和集成不同平面微镜(IMM)。利用UV平面印刷术在PCB上积层光电路,利用倾斜曝光制造45°输入/输出I/O耦合元件。     

一种新型的集成激光器

在光纤通信中，波长区域为1.5~1.6微米的超低耗单片集成光学器件是很引人注目的。最近,利用集成双波导结构，已把波长为1.5~1.6微米的GaInAsP/InP激光器和分布式布拉格反射波导集成在一起。波长为1.58微米的分布布拉格反射-集成双波导(DBR-ITG)激光器，具有纯动态光谱特性，实验证明它能提高光纤的传输带宽。     

光集成激光器的研究

光波导是构成集成光学的基本元件,是实现光集成的关键.在半导体集成光路中,需要一个低损耗的无源波导,作为有源、无源元件之间的互连.而且制造技术要求象在电子集成电路中“金属化”工艺那样简单.     

低损耗聚合物互连光波导的制备及性能测试

对应用于宽带光互连的光印刷电路板(OPCB)制备技术进行了研究。作为光互连系统的传输介质,我们研究了互连光波导的性能。基于紫外光刻技术,在常规PCB基底上制备了聚合物光波导,研究了光波导的制备流程以及工艺参数;并且通过不断优化工艺参数,制备得到了低损耗的光波导;通过测试光波导的传输损耗以及眼图,分析了光波导的性能。光波导在850nm波长条件下的传输损耗可以达到0.13dB/cm,实现了10Gbit/s光通信信号的传输。     

二氧化硅平面光波导器件的研究进展

二氧化硅平面光波导(PLC)器件以其低损耗、高工艺容差,以及与CMOS工艺兼容和与单模光纤模场匹配良好等优点,在光通信、光互连和集成光学中得到了广泛的应用.文章综述了二氧化硅平面光波导器件及其应用的进展,重点针对分束器、阵列波导光栅、可调光衰减器及其集成器件的最新研究进行了介绍,对未来发展趋势进行了展望.     

在PCB中集成光数据流的制造

介绍了在PCB中采用埋入光互连波导形成集成光数据流的技术。     

集成激光器——波导互连技术

本文报导一种用淀积——旋涂技术,在AlGaAs/GaAs激光器之间进行波导互连的实验结果。     

光码分多址相位编/解码器

介绍了几种基于相干光的光码分多址(OCDMA)相位编/解码器.分别给出了采用空间光调制器(SLM)、平面光波导(PLC)、超结构光纤布喇格光栅(SSFBG)技术的OCDMA编/解码器的工作原理及最新研究进展,并分析了它们的特点.基于SSFBG的编/解码器在产生超长光学码方面是最好的;平面光波导编/解码器由于可实现单片集成,也是一种很有前途的器件.     

1.5μm斜坡掩埋异质结InGaA sP/InP激光器

利用两步液相外延技术制作出与光波导单片集成的InGaAsP/InP斜坡掩埋异质结(SH-BH)激光二极管。在室温下测得有波导和无波导的SH-BH激光器的阈值电流分别为50mA和27mA。把电流注入到波导(调谐)区,激光器的激光光谱向转短的波长区偏移。在脉冲工作时,得到的光谱波长偏移为1.1nm,这对应于调谐电流引起的有效折射率的改变。     

光电路板技术研究进展及其应用

随着通信系统对传输速率的爆炸式增长,铜互连已经面临其发展瓶颈,光互连是实现Tbit/s量级高速互连的最优解决方案,其技术实现通常是将光波导集成到PCB中制成光电板。本文对光电板技术的研究进展进行了综述,并从关键技术、成本、可靠性等方面分析了光电板技术应用的可行性及限制条件,预测了该技术的发展前景。     

用于系统级封装的毫米波介质填充波导的研究

基于不断发展的系统级封装技术,提出了一种用于芯片间高速互连的新型可集成的物理器件:硅基毫米波介质填充波导。文中阐述了该器件的物理原理,采用建模、仿真相结合的方法对该模块进行了结构设计,利用新的设计思路结合半导体工艺解决了毫米波互连结构内部的反射、电压驻波比(VSWR)、信号耦合、准TEM-TE-准TEM转换传输问题以及毫米波互连结构阵列中信号泄露的问题,并利用半导体与MEMS加工工艺加以实现。测试结果表明宽度为680μm的单通道矩形波导,-10 d B带宽为9.8 GHz,相对带宽为12.56%;传输损耗为1 d B/cm,工作频带内相邻波导之间串扰低于-40 d B,可以形成大阵列并进行集成,从而实现芯片间数据的并行传输。     

一种具有微解理面的AlGaAs/GaAs渐变折射率波导分别限制异质结构单量子阱(GRIN-SCHSQW)激光器的单片光发射机

制成了一种具有一个内镜面的AlGaAs/GaAs单片光电集成发射机,而且用实验证明了它能连续稳定地高速工作。得到这些成功的结果主要是因为集成激光器的阈值电流小和集成激光器是一个具有高质量微解理面的渐变折射率波导分别限制异质结构单量子阱激光器(GRIN-SCH SQW)。     

GHz带宽的双异质波导InGaAsP/InP光调制器/开关

本文提出并证明了一种新型的双异质平凸波导InGaAsP/InP电一光定向耦合调制器/开关。这种调制器/开关适合于单片集成光学。所制造的器件在1.3μm波长下具有低的光损耗(4dB/cm)和高的调制带宽(1GHz)。     

薄膜互连技术可以在单一衬底上集成多个单元

Atmel和CS2两家公司最近宣布合作开发和实现业界领先的薄膜互连技术,可以在单一衬底上集成多个晶圆片和无源元件,其性能大大超过前一代的互连技术,并且已经在频率达50GHz时得到验证。 采用这项技术后Atmel公司可以将它的CMOS和硅锗(SiGe)晶圆片连同非易失存储器和模拟器件集成在