2022年硅基光子学国内外分析研究现状及发展趋势 .pdf

1 / 10 专题报告 -1 硅基光电子学 光子学）研究简况网络信息中心文献情报服务2007年 6月硅基光电子学研究简况编者按：本文介绍了硅基光电子技术的研究现状、重点研究方向、技术难点以及国内外主要研究机构精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 10 页2 / 10 的基本情况。希望能为我所学科布局的发展提供一些参考。一、技术概述硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。近年来，硅基光电子的研究在国内外不断取得引人注目的重要突破，世界各发达国家都把硅基光电子作为长远发展目标。硅基光电子学包括硅基光子材料、硅基光子器件和硅基光子集成三个主要方面。分别介绍如下：1. 硅基光子材料1）硅基纳M 发光材料目前的研究重点是如何有效地控制硅纳M 晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳M 结构。制备方法有：通过独立控制固体表面上的成核位置和成核过程实现自组织生长；在掩蔽图形衬底上的纳M 结构生长；扫描探针显微术的表面纳M 加工；全息光刻技术的纳M 图形制备以及激光定域晶化的有序纳M 阵列形成等。2）硅基光子晶体光子晶体具有合成的微结构、周期性变化的折射率以及与半导体潜在电子带隙相近的光子带隙。根据能隙空间分布的特点，可以将其分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的实际应用是人们所关注的焦点，而与成熟的硅工艺相结合是人们非常看好的方向，可出现全硅基光电子器件和全硅基光子器件，因此制备硅基光子晶体及其应用将是以后的研究重点。在所有光子晶体制备方法中，运用多光束干涉的全息光刻法有着许多优点：通过照射过程能够制成大体积一致的周期性结构，并能自由控制结构多次。通过控制光强、偏振方向和相位延迟，制成不同的结构。2. 硅基光子器件1）硅基发光二极管作为硅基光电子集成中的光源，硅基发光二极管Si-LED ）的实现是硅基光电子学研究中的一个主攻方向。目前的研究重点有：如何采用适宜的有源区材料，实现其高效率和高稳定度的发光；从器件实用化角度考虑，如何实现Si-LED在室温下的电致发光。研究人员已尝试了三种硅基纳M 材料用于高效率Si-LED 的制作，即硅纳M 量子点，高纯体单晶硅和掺 Er3+的硅纳M 晶粒。目前报道最好的结果是韩国科学家研究的由镶嵌在SiNx 膜层中的硅纳 M 量子点所制成的电致发光LED ，室温下的外量子效率可高达1.6%。2）硅基激光器目前，人们已初步提出了三种能产生光增益或受激辐射的增益介质材料，即具有高密度和小尺寸的有序硅纳M 晶粒，基于内子带跃迁的硅/锗量子级联结构和具有受激喇曼散射特性的绝缘硅SOI，Silicon-On-Insulator ）光波导结构。2005 年 2 月 17 日的 Nature杂志上报道了Intel 公司利用喇曼效应研制出了世界上第一台连续光全硅激光器。3）硅基光探测器硅基光探测器是硅基光电子集成中的光信号接收器件，它应具有良好的光响应特性，较高的探测灵敏度，小的暗电流和宽频带等优点。由麻省工学院材料科学与工程系研制的Ge-PIN 光探测器，在1310nm、1550nm、1620nm 波长的响应率分别为：600mA/W 、520 mA/W 、 100 mA/W 。该探测器能够覆盖光通信整个C band 和大部分L band 范围，具有2.5GHz 的 3dB 带宽，在1310nm 和 1550nm 的性能能够和目前用于通信的商用铟镓砷精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 10 页3 / 10 InGaAs）探测器相比拟。4）硅基光调制器光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件。由于硅材料不具有线性光电效应，所以一般硅基光调制器和光开关是基于硅的热光效应和等离子色散效应而设计的。2004 年 2 月， Intel 率先在享有很高声誉的Nature科学杂志上宣布他们研制成功了Gbit/s 的硅光调制器。仅过了一年，Intel 的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。3. 硅基光子学集成虽然目前还没有研制出硅光电子集成芯片，但研究人员已提出了两种可供参考的集成方案：光电混合集成和单芯片集成。但硅基光子集成工艺却有着很大难度，这是因为：光子器件和电子器件的结构复杂，两者在结构设计上存在着能否相互兼容的问题；制作工艺繁杂，因而存在着各种工艺和前后工序之间能否相互兼容的问题；电互连、光互连与光耦合等问题。结构设计与制作工艺的相容性问题则是能否实现硅基光子集成的关键所在。二、国外主要研究机构及研究状况1. 美国哥伦比亚大学纳M 光学实验室 Optical Nanostructures Laboratory ）美国哥伦比亚大学纳M 光学实验室 Optical Nanostructures Laboratory ）通过与产业伙伴的合作，当前正在进行高密度、高性能的光电集成电路实验。目标是利用CMOS 已经成熟的技术，在同一硅片上实现多种光电功能。他们的目标是设计、制作并测试最小光学损耗的核心光子元件，并进行带宽和纳M 光电器件实验。这种高性能的光电集成电路将有着特定用途。在哥伦比亚大学，硅光子研究小组在SOI 平台上进行光子学集成方面的设计、数值模拟、制造和性能分析。小组的目标是：在硅基平台上进行有源和无源光学特性的论证，例如：光的产生、控制、传播和探测。他们正从事横截面积小于0.1 m2 波导器件的研究。这种超小的截面将有以下好处：1）小的截面能够提高介质的非线性响应，从而可以使用低功率的激光器；2）这种器件能够减少光生载流子的寿命，这样，自由载流子的吸收将大大减少； 3）小的截面增加了传播的可能性。在纳M 级波导制作方面研究小组将和IBM公司 T.J.Watson 研究中心的Vlasov 和 McNab 两位博士合作。该小组的研究方向有：喇曼放大器、 C 波段波长转换器、磁光单向移动隔离器、快速低功耗热光开关、脉冲调制受激喇曼散射理论研究。2. 加拿大国家研究院NRC ）微结构科学研究所Institute for Microstructural Sciences National Research Council of Canada ）利用物理和生物科学交叉的优势，NRC-IMS 加拿大国家研究院微结构科学研究所）在与产业和高校合作上处于领先地位，与未来硬件需求相关新技术信息处理、传播、存储和显示等）的开发具有明显优势。NRC-IMS 与加拿大产业合作的战略也使他们在全球IT 产业中所需新技术方面居于统治地位。 NRC-IMS产业合作伙伴通过研究提高技术，通过有选择的投资技术降低产业化的风险。如果能够实现，对该机构的未来将会是很大的转变，同时也是一个很好的机遇。该研究所光子系统研究小组主要研究混合集成光波导器件，混合物利用各种材料的优点以及很低的成本在芯片上实现全面和最佳的功能。该小组的研究方向有：波长管理系统、硅 /聚合物集成器件、无源/有源集成器件、波长积分器、化学和生物化学传感器。在先前对通信系统波导器件研究的基础上，该小组当前的研究重点是众多功能集成的精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 10 页4 / 10 系统，包括：硅/聚合物混合可变光衰减器VOA ）、阵列波导光栅AWG ）、硅 /聚合物混合热光开关TOS ）、掺铒波导放大器EDWA ）、可调多波长激光源、半导体光放大器SOA ）。这些波长管理系统有着各种功能，包括：波长监测、补偿、阻挡、开关、光加入/取消、光放大、判决、光调整、光转换、再整形、再定时。同时，该小组也研发化学、生物化学传感器，这种传感器可用来监测折射率的变化和用作波导表面材料的荧光效应。3. 意大利特伦托Trento）大学物理系纳M 科学实验室 Nanoscience Laboratory ）意大利特伦托Trento）大学物理系纳M 科学实验室研究的领域涉及以下三个方面：1）纳M 光子学：纳M 范围内的光子能够出现新现象，这些新现象能够带来新的器件。纳M 晶体半导体的研究能够获得制造器件新的方法，如放大器和激光器等。利用电子束光刻能够制作成二维和三位的光子晶体。集成硅光电子重点研究光开关、调制器和光闸等。纳M 晶体材料和光子晶体的结合能够开发出新的用于生物传感器和生物转换器的器件。2）纳M 材料特性：具有新功能的材料如离子化合物或半导体重点用于能量、微电子和光电子学。在各种材料中，纳M 结构的材料具有依赖结构发展的新特性。多年来，我们一直利用波动光谱学喇曼和FT-IR）进行纳M 结构合成物的实验，主要有纳M 结构金属、电介质氧化物或半导体的量子点。最近的研究还涉及到碳纳M 管。3）纳 M 生物技术：这个方向的主要目标是研究和实验新的纳M 器件，设计要达到原子级，控制它们的三维结构掌握他们的性能。由于这些性能的奇特之处在于它们是自我调节三维结构的生物分子，纳M 结构分子生物的添加，如量子点，能够获得新一级的纳M器件如纳M 传感器、纳M 转换器和纳M 光学触发器。这项研究是跨生物化学家、材料学家和电子工程师之间的合作。我们目前正在研究基于硅的光学纳M 传感器，这种传感器用于识别病原种类病毒和 DNA ）和微小系统。该实验室著名的半导体光电专家Lorenzo Pavesi 教授是国际公认的硅基光电子研究方面的权威，曾在NATURE 等国际著名期刊发表重要论文，组织过多次硅基光电子的国际会议。4. Intel 公司Intel 将硅光电子的研究分为三个阶段，共有六大难题，分别是：光源、光波导、光调制、光探测、低成本集成、智能化。如图下页1所示。第一阶段是证明硅作为光学材料的能力， Intel 对硅光电子的研究正是第一阶段。硅具备制作有源和无源光器件的性能，但用作有源器件时性能会有一定局限。在制成多种功能的集成光模块之前，这些性能通过研究已经得到改善和提高。最终， Intel 将大部分精力投入到有源器件上来，例如：光的调整、探测、开关、调制和放大，取得了一些成绩，包括首台Gbit 速率的调制器和首台连续光波硅激光器。尽管采用 LiNbO3 铌酸锂）、 InP磷化铟）制成的10 Gbit/s 的调制器在今天已经被广泛应用与长距离通信，在2004 年以前没有利用硅制成速度超过20Mb/s 的。 2004 年 2 月， Intel 宣图 1 Intel 正解决的六大问题精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 10 页5 / 10 布研制成功了Gbit/s 的硅光调制器。通过像晶体管那样集成器件，Intel 公司能够制作速率比以前更快的光调制器。一年后，Intel 的研究员证实他们的光调制器的传送速率已经达到10Gbit/s。过去因为材料的半导体特性使得硅激光器没有研制成，光子有效激发甚至光放大能够用 InP 材料来取代，Intel 的科研人员发现利用喇曼散射效应能够让光波通过硅后进行放大，这是靠着硅晶体产生的“泵浦”光将能量传给信号光实现的。然而，问题是如何维持连续的工作。由于称为“两个光子吸收”的混乱的量子效应，引起光吸收电子云聚集在放大器中。通过集成二极管式的半导体器件，研究人员发现他们能够清除电子云以达到连续工作的目的。通过给光放大器周围放置反射镜在芯片末端），Intel 制造了世界上第一台连续波硅激光器。硅光电子研究小组在研制出了一批引人注目的有源光器件后尽管遇到了上面所描述的一些困难， Intel 还是希望进入混合集成的第二阶段。第二阶段从硅光学实验台开始，该实验台是将电子和光子集合在微型机械结构的硅聚集平台。在不需要打开光源的条件下硅结构能够引导器件处于合理的位置。在这一阶段，Intel 将会直接把一些特定的功能集成到硅器件中。例如：硅光复用器和探测器可以整合成多路接收器或硅调制器，激光器和无源器件可以集成为多路发射机。只有当集成方案对最终的模块带来好处的时候才会被采用，这些好处包括性能的提升、较小的体积和较低的成本。最后一个研究阶段就是单片硅集成电路，即将所有的器件集成到一个模块，这样就不用在使用前对光源发出的光进行任何处理，而且成本也会降低很多。这同时也可以带来电子学方面的好处，如果光电集成能够得到解决，则同样属于电子学领域的革命。如果成本降到足够低，新的产品将会随之出现。集成硅光收发器可以直接整合到光缆的连接器中，完成电接口的功能。对于技术人员来说，这就好像单一的电缆一样，将所有灵敏的光学接口放置在连接器中。网络设备如服务器刀片只需要有电接口。至于电光转换显然可由光缆本身完成。如果连接失败，更换光缆即可。大量硅光芯片集成可以将系统和网络的连接方式变成光互连。正如前面所提到的那样，利用光传输能够消除带宽和距离的限制，柔软的结构能够更有效地传送数据。硅光电子的应用甚至超出了数字通信的范围，包括高速数据的光调试，通过传送模拟射频信号扩展无线网络，以及低成本的激光器能够用于生物医学。5. Luxtera 公司Luxtera 公司成立于2001 年。 Luxtera 是第一家提供光子器件解决方案的公司，在开始的时候， Luxtera 是世界上主要生产很小线距CMOS 工艺芯片的公司之一。Luxtera 的CMOS 光子器件都是由CMOS 电子学工艺集成，体积比传统的光子器件更小。Luxtera 公司产品通过直接集成高速光纤光网络接口到标准CMOS 芯片以满足对带宽的需求，产品的设计方案不仅是将大量的数据从一个芯片传到另一个芯片几乎不考虑距离和带宽），还要适应Moore 定律以满足按指数增加的网络数据接口数据处理量。历史上，硅片的线距遵循Gordon Moore 在 1965 年提出的Moore 定律不断减小。这种硅制造工艺的指数量级提高，使包含十亿晶体管的芯片处理速度达GHz。然而，芯片本来无限的数据处理能力日益受到芯片I/O 速度的限制，因为芯片I/O 速度不能按Moore 定律提升，硅处理速度和集成密度令人惊奇的增长速度以及相互连接时电气特性的限制使得现有的这些不能满足未来硅产品的带宽要求。Luxtera 的 CMOS 光子技术平台将迎接这些挑战。Luxtera 的 CMOS 光子技术能够用CMOS 工艺产品构建复杂的光学系统，相同的CMOS 工艺目前常用于制作超大规模集成电路VLSI ）。结合用于大范围分立计算机传递精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 10 页6 / 10 的高速数字电路、通信和传感产品，Luxtera 公司设计、制作并测试了一套完整的光子元件。三、我国主要研究机构及研究方向1. 中国科学院半导体研究所光电子研究发展中心中国科学院半导体研究所光电子研究发展中心是由国家“863 计划”投资建设的国家光电子工艺中心和国家计委投资建设的集成光电子联合开放实验室半导体所区）优势组合而成。研究方向包括：1）前瞻性、创新性的纳M 半导体物理和器件物理研究：1.3 m InGaNAs/GaAs 、FP腔量子阱激光器和VCSEL 激光器研制及其光电子智能化多信道光发射模块、GaN LED 和蓝光激光器的研制、GaN 紫外光探测器面阵。 研制、 Si 基阵列波导光栅(AWG 复用解复用器的研制、Si 基光开关及其面阵研制、40Gb/s EA/M-Z调制器小信号测试系统及其器件高频特性测试、分析技术。3）器件实用化技术的研究与开发：开展实用化低成本高频封装技术研究与开发、1.3 m VCSEL 批量生产技术研究与开发、光纤光栅型等无源光电子器件的研制与开发、大功率半导体激光器及其模块的研制与开发。2. 浙江大学硅材料国家重点实验室浙江大学硅材料国家重点实验室从上世纪50 年代初就开始半导体材料研究，至今已取得了一系列重要成果。在硅单晶生长技术，探测器级高纯硅单晶，硅单晶中碳、氧的控制，以及硅单晶的电学测量等方面取得过重大成果。该实验室在大直径硅单晶生长、硅的缺陷工程以及微氮硅单晶的杂质缺陷的基础研究方面，于国际学术刊物和会议上发表一系列高水平的论文，在国际硅材料学术界占有独特的地位，同时还开展了铸造多晶硅在太阳能电池方面的应用研究。其主要研究方向如下：1）超大规模集成电路用大直径硅单晶晶体生长，晶体加工和缺陷工；2）半导体薄膜生长、物性评价及器件应用研究；3）复合半导体光功能材料研究；4）复合信息功能材料的基础研究；5）半导体材料性质、分析测试方法及其基础理论研究。今后的发展中，该实验室准备进一步拓宽学科覆盖面，以大直径硅单晶，硅基材料，复合半导体功能材料研究为主，同时加强电子信息材料、磁性材料等一批国民经济发展迫切需要的新型材料的研究。3. 吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室实验室的研究方向是以新一代光通讯、光信息处理等领域中的关键光电子器件特别是以量子结构为基础的器件）及其集成研究为重点，同时密切注视光电子新材料、新器件、新应用技术的开拓。根据研究方向，实验室的研究内容包括半导体量子阱材料物理的研究和重要光电子器件物理、设计与工艺；光波导器件设计与工艺实现；光电子器件应用及其系统技术的研究；光电子新材料、新器件、新应用技术的研究。近期主要开展以下工作： -V 族半导体光波导开关阵列；硅基光电子器件研究；GaN 材料的研究；高功率超辐射集成光源；有机/聚合物电发光器件；光纤光栅研究；5GHz 半导体超短光脉冲激光器及精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 10 页7 / 10 光孤子研究；光ATM 交换系统技术；程控/手动单模可调谐外腔半导体激光器及其产品开发。4. 中国科学院微电子研究所中国科学院微电子研究所的硅器件与集成技术研究室以硅集成电路工艺为研究方向，在国内率先深入、系统地开展了0.35/0.25/0.18/0.1 微 MCMOS 集成电路关键技术研究，研发成功了8 项可实用化的工艺模块，为今后开发生产工艺奠定了基础。包括：超陡的倒掺杂沟道剖面的优化设计和工艺实现方法；超浅的高浓度S/D 延伸区结构设计与实现技术；超薄氮化栅氧化膜制备技术；双多晶硅栅电极结构；高精度、高选择比干法刻蚀技术；薄的、低电阻硅化物SALICIDE技术；电子束与Stepper 混合光刻技术；两次SOG 平坦化及双层布线技术。四、国家 863 计划和 973 计划与硅基光电子相关的课题表 1 硅基光电子国家863 计划课题编号课题名称承担单位课题负责人国拨经费万元）2004AA3Z1270 大直径SiGeSi 外延材料研究及产业化开发清华大学刘志弘250 2004AA302110 多孔纳MSiO2及螺旋碳纤维在航空、航天器中的应用中国航天科技集团公司第五研究院第五O 八研究所张昊260 2004AA303560 大尺寸高品质a-Si TFT OLED 技术研究北方彩晶集团有限公司邵喜斌300 2004AA3Z1140 直径 12 英寸硅单晶抛光片的研制及相关材料工程化应用研究有研半导体材料股份有限公司周旗钢5590 2004AA303570 多晶硅TFT 有机发光有源驱动技术的研究南开大学孟志国150 2004AA420040 掩膜管理系统和硅片处理系统研究哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司荣伟彬300 2005AA311010 硅基镓氮固态光源关键技术研究南昌大学方文卿150 2005AA311050 24 对棒节能型多晶硅还原炉成套装置洛阳中硅高科技有限公司严大洲300 2004AA311040 Si 基 GaN 材料研究中国科学院半导体研究所王军喜80 2004AA31G030 大尺寸半导体SiC 单晶衬底材料山东大学徐现刚100 表 2 硅基光电子国家973 计划课题编号课题名称承担单位课题负责人2002CB311904 SiC 高频高温功率器件中国电子科技集团公司第十三研究所、西安电子科技大学赵彤、郝跃2003CB314703 硅上有机发光微显示器件及其物理研究吉林大学、中国科学院微电子研究所赵毅、夏洋2003CB314703 反射式硅上液晶微显示材料及器件的研究中国科学院长春光学精密机械及物理研究所、中国科学院微电子研究所凌志华、赵新为参考来源：1.彭英才， Seiichi Miyazaki ，徐骏等 . 面向 21 世纪的硅基光子学. 自然杂志 .28 卷 2 期精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 10 页8 / 10 2.http:/www.columbia.edu 3.http:/www.nrc-cnrc.gc.ca/main_e.html 4.http:/www.unitn.it/dipartimenti/fisica/eng/laboratories/nanosciences.htm 5.http:/ 6.http:/ 7.http:/ 8.http:/ 9.http:/ 10.http:/ 11.http:/ 12.http:/ 硅基光子学研究进展和未来发展撰写背景：作为一门新兴学科，硅基光子学正在受到越来越多的发达国家和重点研究机构的高度重视和重点研究。英特尔公司早在2002 年就花费5000万美元并购了New Focus 公司旗下的激光科技部门,开始硅基光子学攻关研究，这为目前英特尔公司在世界硅基光子学研究领域中的领先地位奠定了基础。今年六月，新加坡科学技术研究局决定利用其硅光子技术潜力并通过与海内外机构联合研发来推动新加坡硅基光电产业的快速发展。我国也较早开展了硅基光子学研究，例如我院半导体研究所的王启明院士近年来专心致力于硅基光子学研究，主持了国家自然科学基金重点工程“ 硅基光电子学关键器件基础研究” ，在硅基发光器件的探索、硅基非线性测试分析等方面取得了许多进展。但从整体来看，我国对硅基光子学的研究与世界相比还有一定差距。我们整理了近年来硅基光子学研究取得的一些重大进展以及未来的一些发展趋势，希望能为我所学科布局的发展提供一些参考，也希望所里能对硅基光子学研究给予重视。一、近年来硅基光子学的研究进展随着微处理器性能呈指数增长，以及超大规模集成电路技术日益逼近它的极限，计算机系统内部通信速度和带宽落后于处理器芯片运算速度的趋势日益扩大，铜互连将成为计算机系统整体性能提升的瓶颈。以实现硅基光电集成为目标的硅基光子学的不断成熟有望解决这一难题。虽然硅本身不具备良好的光学特性，但是，十几年来，尤其是近五年来，在全球材料和器件物理学家的长期共同努力下，各种硅基光子学材料的制备和各类硅基光子器件的制作都取得了可喜的进展，硅基光电集成方面也已经有了一定的突破。1、硅基光子材料硅基光子材料方面的研究进展主要包括产生光发射的硅基纳M 结构、使光被传导和分解的波导结构、具有光子带隙特征的硅光子晶体等。1）硅基纳M 发光材料硅基纳 M 材料是指具有量子限制效应的硅或锗纳M 晶粒，二氧化硅/硅SiO2 / Si）超晶格，锗 /硅 Ge/Si）多层量子点异质结和超小硅或锗纳M 微粒。上述各种硅基纳M 结构，已实现了从红外到紫外波长范围的强室温光致发光PL）或电致发光 EL），乃至光增益和受激光发射。目前的研究重点是如何有效地控制硅纳M 晶粒的尺寸和密度，以形成具有小尺寸和高密度的有序纳M 结构。2）硅基光波导结构硅基光波导器件是硅基光电集成器件研究中的另一个热点。高性能和高可靠性的硅基精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 10 页9 / 10 光波导结构与器件是解决硅基光电集成技术中高速传输、复用与解复用、光分插复用、光交叉互连、光波导开关以及高速光调制等技术难点的关键。在过去五年中，IBM公司、比利时微电子研究中心IMEC ）等研究机构在降低小弯曲半径波导损耗方面取得了较大的进展。3）硅光子带隙晶体光子晶体是具有光子带隙特征的一种新型光子材料，由于它具有能够调节光子运动状态的奇特性质，因而在制作超小型和低阈值发光器件、多通道可调谐加/减滤波器、光子带隙波导放大器和未来的复杂光子结构中都将有着重要的应用。近年，硅光子晶体的研究十分活跃。 2005 年 11 月，日本电信电话株式会社NTT ）的基础研究实验室利用一种硅光子晶体成功研制出Q 值品质因素）高达104 万的光振荡器，首次突破了100 万大关。如此高 Q 值的光振荡器通过控制光信号，将成为光逻辑电路的基础技术。2、硅基光子器件硅基光子器件方面的研究进展主要包括具有光增益和光放大并能使其受激辐射的硅基激光器、能使光信号进行调制的硅光调制器、在电场作用下使载流子定向移动而产生电信号的硅光探测器等。1）硅激光器硅激光器的研制是硅基光子学领域中的一个最具有魅力，并且也最富挑战性的前沿课题。作为未来硅基光电集成电路的光源，硅激光器有着丰富而深刻的物理内涵，而且研究具有相对较大的难度。不过，近两年来，该领域的研究取得了连续的突破性进展。首先是在2004 年 10 月，加州大学洛杉矶分校的研究小组宣布制成了世界上第一台硅拉曼激光器。紧接着，2005 年 2 月，英特尔公司的科学家采用标准硅制造工艺开发出世界上第一款连续波全硅拉曼激光器。2005 年 11 月，美国俄亥俄州辛辛那提大学的物理学家宣布，他们研制成世界上第一种既能利用红外线又能利用可见光波段工作的硅激光器。这些里程碑式的研究进展，使科学家朝着将激光器与电子组件整合在同一块硅芯片上的目标又迈进了一大步。2）硅光调制器光调制器是利用材料折射率的变化，对传输光的相位和波长进行调制的光波导器件，是光纤电缆传输数据的关键装置。近两年来，硅光调制器的研究进展令人鼓舞。2004 年 2月 11 日，英特尔公司的科学家宣布他们成功开发出运行速度为1 千兆赫的硅光调制器，这比以往在实验室中取得的20 兆赫的最高速度提高了50 倍。 2005 年 3 月，加州理工学院一家新创立的Luxtera 公司宣布研发出一种硅光调制器，该产品利用传统的硅制造工艺将传输速度提升到10 吉比特每秒 Gbps），这也是目前传统网络所能达到的最高数据传输速率。2005 年 8 月， Luxtera 又宣布成功解决了困绕业界已久的在硅上生产超高密度光调制器的问题，第一次利用标准CMOS 工艺生产出了远比电子驱动电路小巧的硅光调制器。 Luxtera 此次推出的微环形硅光调制器支持10 Gbps 速率，半径只有30 微 M，从而可以实现多个调制器的集成，支持100Gbps 甚至 1Tbps太比特每秒）的调制，这使得芯片间光互连成为可能。3）硅光探测器硅光探测器是硅基光电集成中的光信号接收器件。具有良好的光响应特性、探测灵敏度高、暗电流小和频带宽的光探测器是目前研究的主要课题。IBM 公司在这方面取得了较大的进展。2004 年 6 月，他们宣布开发出了一种基于新开发的绝缘体上锗GOI ）技术的高速光探测器。IBM 公司开发的这款光探测器光学响应频率接近30 吉赫兹 GHz ），可以探测速度大于50 Gbps 的信号。该器件工作于非常低的电压，效率非常高大于40%），可以探测一个很宽的波长范围内的光，而且与标准CMOS精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 10 页10 / 10 工艺兼容。所以IBM 的这一进展，对于克服计算机系统整体性能提升的瓶颈、实现芯片间光互连有着重要的意义。此外，在硅基光子器件方面非常得一提的是，今年7 月份，加州大学洛杉矶分校以巴拉姆 -贾拉利 Bahram Jalali）教授为首的研究小组宣布他们攻破了“双光子吸收Two-Photon Absorption ，TPA）”这一硅基光子学领域的基础性难题，在硅器件中实现了无电能损耗的连续光放大。3、硅基光电集成近年，随着硅基光子材料与器件研究所取得的重大进展，硅基光电集成的研究也日渐引起了材料和器件物理学家的极大关注。虽然尚无成熟的硅基光电集成芯片问世，但科学家们已提出了两种可供参考的集成方案，即光电混合集成和单芯片集成。Luxtera 公司在该领域率先取得了突破性进展。2006 年 8 月 22 日， Luxtera 推出业界第一款采用标准CMOS 工艺的单芯片集成光电器件。Luxtera 的突破性技术将光学芯片和主流的电子技术集成到一起，实现光纤同电子芯片的直接配合，采用标准的0.13 微 M 绝缘体硅片 SOI）CMOS 工艺，进而还可以实现数字逻辑芯片同光芯片的集成，大大降低光器件的尺寸、功耗和成本。Luxtera 的这一成就让我们看到了全硅光电集成实现的新曙光！二、硅基光子学未来发展随着硅基光子学近年来取得的一系列突破性进展，硅基光子学开始逐步走向实用，硅用来作为一种光学材料也不再被人们所怀疑，转而都开始寻找利用这一革命性技术的途径。作为今后的发展方向，以下几个方面的问题值得注意: 1、具有小尺寸和高密度的有序硅基纳M 量子点是实现硅基纳M 结构高强度、高稳定度和高效率发光的最有希望的有源区材料。但是，要实现具有真正意义上的硅基纳M 量子点，仍需在生长机理、工艺技术和性能检测方面进行更多的尝试性研究。2、在所有硅基光电集成器件的研究中，硅激光器是重中之重。进一步的研究需要在增益材料类型、器件结构形式和电致激发方式等方面进行优化组合。3、作为起着光传输、光开关和光调制作用的各类硅基光波导结构与器件，为实现它们对光场的强限制作用、低传输损耗、高耦合效率、快响应速度和低插入损耗等，还需在导波层和限制层材料、波导结构的设计以及如何便于硅基光电集成方面进行深入的探索。4、在对硅基光子集成器件的设计与制作进行研究的同时，应进一步加强相关基础理论研究。例如，澄清硅基材料的发光、受激辐射、光传输和光探测特性与材料类型、结构特征、电子结构和载流子输运之间的相关性，以及拉曼效应的内在机理等。光子技术取代电子技术还需要一定的时间，这除了技术上的难度以外，目前光子技术的成本太高也是一个重要的原因。英特尔公司光子技术实验室高级资深科学家荣海生博士很谨慎地预测大约10 年左右的时间两者的成本会基本一致，到时也是硅基光子技术全面取代电子技术的转折点。一旦硅基光子技术达到实用的目标，其高带宽、高速率、低干扰特性将给芯片间互联、底板布线技术带来革命性的变化，并将彻底改变目前计算机系统中通信速度和带宽远远落后于处理器芯片运算速度的现状，从而引发一场新的信息技术革命。精选学习资料 - 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