面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件(13)

微纳结构调制器：本项目拟对调制器的电学结构与光学结构两个方面进行优 化，提高硅基微纳结构电光调制器的整体性能。反向 PN 结构的 MZI 电光调制器的速率高，但动态消光比低。而 PIN 结构的调制器的速度只有 10Gb/s，但消光比可以达到9dB。我们提出的结构兼有两者的优。调制器拟采用Mach-Zehnder Interferometer光学结构，并辅助以级联谐振腔、光栅、光子晶体波导等慢光波导结构，降低光信号的群速度，增强光场与载流子的有效耦合强度。研究表明，光子晶体慢光波导可在 20nm 的带宽内将群折射率提高到 20 以上。因此，利用慢光波导制成的 MZI 调制器将具有紧凑的尺寸和灵敏的电光响应，可以大幅提升调制器的调制效率，降低驱动功耗。

我们已经全面掌握了高速硅基调制器的整套加工工艺，摸索出10nm级电子束曝光与 ICP 刻蚀等核心制作工艺，套刻误差低至40nm，制作的硅基微纳波导的传输损耗约为2.7dB/cm，同光纤的耦合损耗 2.7dB/端面， 弯曲损耗为0.05dB。调制器最高调制速率达到11.9Gbit/s。 我们已经建立起12.5Gb/s的高频测试系统，成功地进行了 12.5Gb/s 的信号传输测量。在国内开展了基于标准 CMOS 生产线的硅基光调制器制备工作，实现了硅基光子器件在大规模制造中的工艺、结构标准化。团队在硅基微纳结构器件制作工艺和高频测试方面积累的丰富经验，为本课题的开展奠定了坚实的基础。

微纳结构探测器：硅基锗探测器的响应度、带宽和功耗之间互相制约，不能 同时达到微纳光电子集成芯片正常工作的要求。本项目将主要通过III-V族波导型探测器与硅的混合集成，来实现满足互联芯片要求的高性能探测器，同时通过外延生长和氧化SiGe/SOI 组份偏析新方法，在硅基上制备出硅基选区锗微纳结构材料；原理上利用等离激元局域光场的非线性吸收效应和金属纳米电极结构对器件内部电场的调控，以达到同时提高器件的响应速度和响应度， 突破现有探测器的参数之间相互制约的难题。

率先在国内制备出高质量III-V族波导探测器，探测响应超过0.3A/W，在国际上报道了系列硅基长波长微腔型光电探测器，引起学术界同行的高度关注，两次被撰文在新闻栏目中报道并被写入两本英文专著中。提出的长程等离激元光波导及其能量耦合解析表达式，被收入剑桥大学出版社最近出版的研究生教课书中。在已有的工作基础上，通过原理、材料和器件结构的创新，精心组织设计，