用于光互连的硅基CMOS光子集成基础科学问题研究

本项目基于CMOS工艺开展用于光互连的硅基 CMOS 光子集成基础科学问题研究。本项目研究内容覆盖硅基片上光互连的各个关键光电子器件、专用集成电路、以及光电子器件和电路单片集成的关键技术，包括硅基光源、光探测、光调制、光耦合等部分。根据基金项目计划书，我们对用于光互连的硅基 CMOS 光子集成基础科学问题进行了深入探索，在CMOS片上硅光源、探测、调制、耦合等方面均取得了重要进展，我们还将不同的器件单片集成，初步实现了多路波分复用片上光互连。1、在CMOS硅光源方面，基于标准CMOS工艺研制了PN型、MIS型、Schottky型三种单晶硅LED及PIN型多晶硅LED，实现了能够与电路单片集成的CMOS片上光源。其中PN型Si-LED中的n阱三端楔形正向注入发光功率密度达到32.7nW/μm2。2、首次研制了32×32大规模硅LED动态发光阵列，动态发光阵列中的每个发光单元均单片集成了控制电路和存储器，具有动态显示的功能。3、在宽带低噪声跨阻放大器方面，创新性设计了增益自动控制、有源反馈和负米勒电容反馈的跨阻放大器，通过利用有源电感峰化技术，并联反馈技术，均衡补偿等方法改善了噪声和带宽等性能。研制出带跨阻放大器的光接收机，带宽大于1.7GHz, 增益大于60dB。4、在长波长片上光互连集成芯片方面，研制了新型光栅耦合器、新型电光调制器、锗光电探测器、波分复用解复用器。其中新型光栅耦合器对准容差能力强，对工艺的依赖性小，能够实现硅光子芯片与光纤垂直耦合，实现硅光子芯片批量在线检测；新型电光调制器节省了额外的光分束器插入损耗，具有低损耗的优点。研制的长波长片上光互连集成芯片单片集成了上述器件，能够实现四路波分复用片上光互连功能。