[发明专利]基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及到硅基光子学及芯片级光互连技术，尤其涉及一种基于对称垂直光栅耦合的SOI基电光调制器。

背景技术

微电子技术和光纤通信技术是人类信息社会的两大基石。近半个世纪来，随着集成电路的发展，硅基材料和器件工艺已经非常惊人的成熟，而且随着工艺特征尺寸的不断缩小，集成电路的集成度也一直按照摩尔定律飞速向前发展。芯片更高的集成度带来的不仅仅是晶体管数目的增加，更是芯片功能和处理速度的提升。例如，Intel采用的45nm工艺最新的8核微处理器Nehalem-EX的晶体管数目达到23亿个。然而，随着特征尺寸的不断缩小和集成度的不断增加，微电子工艺的局限性也日趋明显。一方面是由于器件线宽的不断减小，传统的光刻加工手段已经接近极限，此外，当器件尺寸接近纳米尺度时，将会引入不可期望的量子物理效应，从而导致器件失效。另一方面是由于随着晶体管尺寸和互连线尺寸同步缩小，单个晶体管的延时和功耗越来越小，而互连线的延时和功耗却越来越大并逐渐占据主导。在当今的处理器中，电互连引起的功耗占了整个芯片总功耗的80％以上。因此，可以看到深亚微米特征尺寸下电互连延迟和功耗的瓶颈，已经严重制约了芯片性能的进一步提高。片上互连迫切需要一种比电互连更高速更宽带的互连方式。

相比微电子技术，光纤通信技术虽然起步较晚，但是其发展速度异常惊人。光纤通信具有损耗低、频带宽、容量大、抗电磁干扰等优点，因此备受业内青睐。从1980年到2000年的20年间，光纤通信系统的传输容量增加了一万倍，传输速度提高了大约100倍，给人类带来了一个无限带宽的高速信息载体。毫无疑问，光互连在长距离通信中优势是明显的，也取得了广泛的应用和成功，于是人们设想能否将光互连引入到芯片级尺寸来解决片上电互连的瓶颈呢？纵观近十年来，通信方式已经在从传统的电互连到光互连逐步的过渡，中短距离通信中，目前虽然是电互连为主，但光互连已经有逐步渗透的趋势。目前光互连尚未涉足的领域就是片间以及片内的通信。从两种互连方式比较而言，光互连有明显的优势，其高带宽、低能耗、延迟小、抗电磁干扰的优点是芯片内铜互连线所无法比拟的。因此，研究芯片级的光子技术并使其与世界上最为成熟廉价的硅CMOS工艺兼容，对于实现片上光互连和解决微电子芯片的性能瓶颈具有十分重要的意义和价值。

近年来，SOI材料由于其强的光限制能力以及硅在光通信波段透明的特性，成为一个极具吸引力的硅光子技术平台，并且发展十分迅速，许多有重大意义的成果相继被提出和验证，光栅耦合器、MZI调制器、微环调制器、锗波导探测器、复用解复用器件等的问世也似乎宣告了一个光子时代即将到来。然而，挑战和困难也是巨大的，最大的难题在于缺乏芯片级可用的硅基光源，由于硅是间接禁带半导体材料，用硅材料制作光源几乎是不可能完成的任务，目前国际上提出较多的方案是采用键合III-VI族激光器与硅波导耦合，最近，关于硅基上混合生长III-VI族材料的激光器更是让人们对于光子时代的到来更加期待。正由于硅光子技术的潜在巨大应用价值和前景，世界各国都给予了足够的重视和投入，特别是Luxtera、Intel、IBM等计算机通信行业巨头投入了巨大的人力物力财力，也取得了许多重要的进展，Luxtera的单片光收发模块、Intel的50Gb/s的光子连接系统、IBM的CMOS集成硅基纳米光子技术等开启了硅基光电功能集成的新纪元，也极大的推动了硅基光子学的发展。可以预测，未来的几十年里，硅光子技术将迎来突破型的进步和发展并逐渐取得广泛应用。