面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件(2)

一、关键科学问题及研究内容

拟解决的关键科学问题

围绕未来高性能计算机的重大需求，在研究超结点CPU间数据交换的硅基 微纳光电子器件及集成技术中，我们需要重点解决下列三个关键科学问题。

（1） 纳米光电子结构体系中的光电耦合、传输与共振机理

项目中所研究的纳米光电子器件要求高带宽、低延迟，纳米光电子结构体系 中包含了量子阱、光子晶体、金属纳米结构、纳米线等微纳结构基本要素，每种 要素都有其独特的物理机制、特性及应用目标，如何将上述基本要素进行有机结 合，产生出全新的器件结构和优异的器件性能，探索该体系中的光电耦合、传输 与共振机理是我们面对的首要科学问题。其中，如何控制量子阱与光子晶体复合 结构中的辐射与损耗、如何采用特殊的光子晶体结构实现对光的减慢、色散、局 域、隧穿等控制、如何基于等离激元效应与纳米波导结合解决光电耦合、光电共 振、模式控制及倏逝场形成等，是剖析所构建的纳米光电子结构体系所必须解决 的关键问题；同时，传统的物理模型已无法精确描述微纳尺度下材料与器件的工 作机理，也无法对微纳尺度下材料与器件的多维特征进行表征和优化，研究新型 微纳光电子器件的物理模型及其在四维空时体系中的表达，是必须解决的另一个 关键问题。

（2） 纳米光电子集成系统中的高速宽带光电转换机制

项目中所研究的纳米光电子集成系统要求高速高带宽，采用10～100 纳米尺 度的新型波导结构的集成系统，其载流子和光场分布及相互作用机理与传统硅基 波导有本质的区别，如何操控高速高效的电光转换和光信号路径、如何解决难以 同时提高调制效率和响应速度的问题，探索纳米光电子集成系统中的高速宽带光 电转换机制是我们面临的另一个关键科学问题。其中，如何解决单晶 Si 体材料 中无线性电光效应且 Kerr效应和Franz-Keldysh效应弱、而基于等离子色散效应研制的调制器和光开关，受限于载流子的迁移率而导致的调制效率与响应速度难以同时兼顾的问题，是解决该科学问题的关键；如何在高集成度条件下，增强波导光学限制能力、提高电光调制效率等是解决该科学问题的又一关键。