Si基微纳光子集成回路和芯片光互连技术.doc

Si基微纳光子集成回路和芯片光互连技术
信息时代的微电子技术按照“摩尔定律”(Moore'sLaw)飞速发展，以45纳米为特征线宽的深亚微米集成电路工艺已经进入了工业化阶段，而30纳米工艺已在实验室中成功实现。据预测，2013年（或最迟2018年）时随着16纳米工艺的来临，微电子产业能否再依照“摩尔定律”前进则面临着不可逾越的物理极限。此时，半导体最小单元—晶体管的“栅极”(Gate)的尺寸将达到5纳米，电子通过量子隧穿效应(tunnelingeffects)，将会自行穿越信道。此外，随着IC集成度的进一步提高，器件的功耗和散热也成为了制约微电子技术发展的难题。另一方面，基于计算机与通信网络化的信息技术，希望微电子器件具有更快的处理速度、更大的数据存储容量和更高的传输速率。然而，传统金属（铜）互连技术由于RC延迟和热耗散造成互连“瓶颈”，基于电子作为信息载体的硅集成电路技术将难以满足以上的要求，特别是信息处理的速度更难以满足信息化社会越来越高的要求。为此，将微电子和光电子结合起来，充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高密度集成及价格低廉以及光子极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性的优势，已经成为了信息技术发展的必然和业界的普遍共识。光子技术和微电子技术相结合，通过光子布线技术，使得微电子的数据传输速度和数据传输量极大增加，集成电路的功耗得到有效的降低。从基于硅材料的微电子工业本身来考虑，众多的专业公司使得硅基光电集成更加具备了坚实的工业背景和光明的市场前景。因此，发展硅基光电集成，将微电子和光电子技术结合起来，在集成电路芯片间乃至芯片内部引入集成光路，构成OEIC光电混合集成芯片，是信息工业发展的必由之路，也是人类科学技术的新挑战。硅基光电集成一旦突破和实现，将引起新一轮的信息工业革命，由此产生新一代的光电集成芯片、新一代的高性能计算机、新一代的价廉物美的光通讯设施等等，有着广泛的市场前景，也是国家重大战略需求。
Silicon-on-insulator(SOI)材料是一种新型的硅基功能光电子材料。SOI微纳结构光波导是近年来国际上很热门的一种先进的光子集成技术，其制作工艺与微电子标准CMOS工艺兼容性好，不仅能大大降低成本，而且还能实现与硅基微电子电路的单片集成。SOI微纳结构光波导是指在SOI上形成的截面尺寸为亚波长量级的光波导，Si芯层和SiO2包层之间大的折射率差异(Δn=2)使得SOI微纳结构波导对光场有很强的限制作用，波导的弯曲半径能够小到微米量级，这就为波导器件的小型化和高密度集成化提供了巨大的便利；同时，波导中传输的光功率密度也会大大得到增强，由此还会出现一些在弱场情况下不易出现的新性质，如受激Raman散射(SRS)、四波混频(FWM)、双光子吸收(TPA)等非线性光学效应，从而实现某些非线性光学器件。SOI微纳结构波导因其横截面尺寸小，能够有效降低载流子的渡越时间和器件功耗，对芯片光子集成十分有利，因而成为高速硅基调制器的发展趋势。SOI微纳结构波导及高速电光调制器在高性能计算机芯片光互连中有重要的应用，可实现芯片上各单元间时钟信号分配和高速数据总线，以解决传统电互连技术无法克服的电子“瓶颈”问题：高功率耗散、串扰和RC时间延迟，而用光互连则可以有效解决高时钟频率下的时钟信号歪斜和抖动问题。
目前硅基光子学和光子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段，新技术新器件层出不穷，有关硅的各种传统观念被新的实验结果一一突破。2004年Intel公司在Nature上报道了调制带宽超过1GHz的硅基高速光波导调制器，同年Cornell大学的研究人员在Nature上发表了基于SOI波导微环谐振器的亚纳秒级全光开关；2005年Intel公司又研制出了1550nm光泵浦的激射波长为1686nm的连续硅基Raman激光器，Cornell大学的研究人员在Nature上报道了基于SOI波导微环谐振器的高速电光调制器；2006年Intel公司和加州大学联合研制成功了世界上首个电泵浦连续激射硅基III-V族混合集成激光器，丹麦的研究人员在Nature上报道了应变硅的强电光效应；2007年Intel公司将硅基电光调制器的3dB带宽扩展到30GHz，实现了40Gbits/s的信号传输，达到目前商用III-V族和铌酸锂外调制器的水平；2008年美国Luxtera公司向世人展示了世界上第一块在130nmCMOS生产线上制造的硅基单片集成高速CMOS光子收发模块，采用WDM技术，数据传输速率4x10Gbps；Intel公司报道了采用调制器阵列和波分复用MUX/DeMUX的硅基光子集成芯片，数据传输速率为200Gbps。硅基微纳结构光子功能器件是当前硅基光子集成技术的研究热点，是实现高密度光子集成的关键，也为超高速、非线性硅基有源光电子器件开启了希望