硅基光量子芯片上量子调控技术和量子信息应用

硅基集成光量子芯片是研究光量子信息技术与前沿应用的重要平台之一,具有高集成度、高稳定性、强可控性、易扩展性等显著优点.近年来,硅基光量子芯片在多自由度、高维度、多光子、大规模可重构等关键的量子调控器件和技术上,取得了一系列重要的科学进展,并为光量子计算、量子模拟和量子通信等前沿应用的研究,提供了强有力的硬件和技术支撑.本文简要总结硅基光量子芯片上量子调控技术及其量子信息应用的前沿进展.     

二维硅基光子晶体结构的设计、制作和应用

从二维硅基光子晶体的设计出发,对介质柱和空气孔型光子晶体结构的加工、测试和其在禁带和慢光等领域的应用进行了分析说明,并进一步讨论了二维硅基光子晶体的其它潜在应用,为二维硅基光子晶体研究其应用指出了方向。     

硅基宽带双偏振单模狭缝波导（英文）

采用三维平面波法和三维有限时域差分法,研究了硅基单模狭缝波导的双偏振特性.通过调节狭缝波导中硅介质的宽度,获得了宽达320.6 nm的双偏振带宽;并且发现在该带宽范围内,准TE模式的电场强度在狭缝中均具有增强效果,并且狭缝中光限制因子均大于60%.该研究结果可为设计其他与偏振相关的硅光子器件提供参考.     

GaN基二维八重准晶光子晶体制备与应用

针对半导体发光管（LED）器件普遍存在的出光效率低下的问题,首次采用聚焦离子束技术成功地在GaN基发光器件上制备了GaN二维八重准晶光子晶体（2D-8PQCs）结构。并将二维八重准晶光子晶体应用于电注入器件,当刻蚀孔径为600nm,空气填充因子为30％时,得到了表面出光效率高达2.5倍的增强。通过微区电致发光与发光图样的研究,证实二维八重准晶光子晶体结构抑制了导波模式的传播,将LED中导波模式耦合到辐射模式,从而起到改进表面出光的作用。上述结果为二维准晶光子晶体在GaN基发光器件中的应用提供了一种可能的途径。     

硅基光电子学的最新进展

随着人们对信息容量、速度以及成本的迫切要求,低成本、高度集成的硅基光电子学蓬勃发展,成为光通信、高速计算机等领域的研究热点和非常有前景的关键技术.硅基光电子学是一种可以用硅基集成电路上的投资、设施、经验以及技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路,在集成度、可制造性和扩展性方面达到集成电路的水平,从而在成本、功耗、尺寸上取得突破的一种技术.最近几年,硅基光电子集成技术已经发展到了一个崭新的阶段,各个关键的硅基光电子器件都已经达到商用化的标准,部分性能甚至超过目前的商用器件,引起了产业界的广泛关注.本文从硅基光电子学的几个关键器件入手,包括波导、光栅、偏振分束器、混频器、滤波器、调制器、探测器和激光器,详细介绍了该方向的研究进展,特别是最近5年的重大突破;随后介绍了硅基光电子学在光互连、光通信、光传感、太阳能电池等几方面的重大应用;最后提出硅基光电子学未来发展方向和目前面临的主要挑战.     

纳米压印技术制备表面二维光子晶体发光二极管

研究利用纳米压印技术在氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)表面制备二维光子晶体结构对器件出光的影响.利用聚合物(IPS)软模板二次压印技术,在样品表面形成较为完整的掩膜,通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺分别在p-GaN层与ITO层成功制备了较大面积的光子晶体结构,结构周期为465nm,孔状结构直径为245nm.制成芯片后对样品进行测试,结果表明在LED表面制备二维光子晶体结构会导致LED芯片光谱峰值位置发生偏移,同时在p-GaN层制备二维光子晶体结构能够将LED芯片的发光强度提高39%,而在ITO层所制备的光子晶体结构并未对器件的性能有显著的改善.     

微加工中几何尺度对太赫兹光子晶体传输性质的影响

太赫兹(THz)光子晶体的研究在近些年得到快速发展,对其传输性质和相关功能器件的研究都有广泛报道,但现有研究很少从器件微加工和实验要求出发讨论器件的结构设计问题.通过数值模拟,明确了THz波段光子晶体基本几何参数的尺寸范围,重点分析了器件高度和传播方向上周期性单元个数对THz波传输性能的影响.研究结果表明,光子晶体的通带透过率随着光子晶体柱或孔高度增加而显著增加,保证柱或孔高度大于入射光波长是THz光子晶体加工中的一个重要要求;光子晶体沿传播方向行数越多,光子禁带内的透过率就越低,消光比越高,通带边沿就越陡峭,但通带的透过率会随着器件长度增加而下降,设计器件时需要折中考虑这两个因素的相互制约关系,确定最佳器件尺寸.研究结果为THz光子晶体的器件结构设计和微加工工艺设计提供理论指导.     

硅基集成光波导放大器的最新研究进展

在信息化进程中,随着摩尔定律越来越接近极限,将微电子和光电子结合起来,开发硅基大规模光电子集成技术已经成为技术发展的必然和业界的普遍共识.在硅基光电子集成器件中,硅基光源是重中之重.虽然硅是间接带隙半导体材料,发光效率很低,但人们一直没有放弃制备硅基光源.硅基光源包括硅基光波导放大器、发光二极管、激光器等,其中硅基光波导放大器又是激光器的基础,是硅基光电子集成回路中不可或缺的器件,如果光波导放大器有足够高的净增益,在光波导放大器的两端设计合适的谐振腔就可以获得光泵的激光.本文着眼于硅基光波导放大器,介绍了目前硅基光波导放大器最主要的两个研究方向,即硅基混合集成Ⅲ- Ⅴ族半导体光波导放大器和硅基掺稀土离子光波导放大器.并分别讨论了这两个研究方向的原理、制备方法、发展过程等,列举了相关的典型研究成果,最后简单介绍了其他光放大技术,并做了相应的分析、总结和展望.     

硅集成的高Q值､高谐振频率的射频变压器

提出一种硅基的用于射频集成电路的新型图形结构变压器.考虑到集成无源变压器器件对射频电路性能的提升具有重大的影响,设计时应尽量提升其性能和降低其占用的芯片面积,故采用凹凸24边形结构和顶层、厚铜金属绕线,使得该片上变压器能够同时具有高性能和低芯片面积的优点.基于TSMC 0.13 μm 1P6M CMOS工艺,应用Cadence Virtuoso工具设计出24边形变压器版图,将设计好的版图图形导入安捷伦Advanced Design System Momentum软件,完成新型变压器的电磁场S参数仿真验证.结果表明,与传统的方形、六边形和八边形变压器相比,自谐振频率分别提高了1.12,1.00,0.58 GHz;最大品质因子增加了2.4,0.9和0.3;面积也分别缩小了9%,10%,6%.该变压器在硅基射频集成电路中应用将进一步提高电路的性能和降低芯片成本.     

基于二维光栅的四通道完全垂直光学接口

作为单模光纤与硅基光电子芯片之间的光耦合接口,光栅耦合器具有强对准容差能力、可随意放置以及晶圆级测试能力等一系列优点,因此被广泛应用于硅基光耦合和光封装.然而为了减小二次反射,传统光栅耦合器通常设计为具有一定光耦合倾角,这个耦合倾角会给测试和封装带来不便.完全垂直光栅耦合器可以避免在光学封装中用到昂贵的角度抛光工艺,这个优点使得它们在多核芯光纤和光纤阵列的耦合应用中非常具有吸引力.本文提出并实验验证了一种基于二维光栅和四通道波导设计的完全垂直光耦合接口,器件仿真耦合效率最高可达54%,耦合中心波长在1555nm附近,向上的光反射损耗为14%(-8.5dB).为了实验验证器件功能,我们基于CMOS兼容工艺对器件进行了加工制造,器件光学输入为四通道垂直耦合二维光栅,通过两个1×2MMI光学合束器将四个通道合为两输出通道并通过光栅耦合器输出.器件实验测试结果显示器件总耦合效率可达40%(单端输出耦合损耗为-7dB),同时我们还测试了具有臂长差的器件,光谱呈现出较强的干涉波形,这说明器件具有类马赫曾德干涉仪的性质,有望在电光调制和光学滤波等领域获得应用.     

超导纳米线单光子探测器研究新进展

现代科学技术已经发展到利用单个光子的量子态载运信息和进行计算.因此,高效、灵敏地探测单个光子是量子计量、量子通信、非线性光学等量子信息科学研究中最基础的技术之一.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子检测器,具有暗计数低、探测速率高、检测频谱宽等优点,在众多领域存在潜在应用.本文概述了超导单光子探测器的工作机制和理论模型,重点介绍了兼容4inch硅工艺的SNSPD器件的关键技术工艺,如器件设计、材料结构、制备工艺和封装技术等.研制的超导单光子探测器,在1550nm波段,系统的单光子检测效率最高达到75%,暗计数小于100cps,与国际最好水平相当.在不断提高SNSPD性能研究的同时,还开展了利用SNSPD进行光子数分辨的研究,以及将其应用于光时域反射仪(OTDR)中,进行长距离光纤状态的分析和检测研究.     

双层量子点阵列浮栅结构纳米存储器

设计了一种新型的存储器结构单元——锗／硅双层量子点阵列浮栅结构纳米存储器．对存储器样品的C—V测量结果显示了这种结构的P沟道器件有着更加优异的存储性能．数值模拟表明了该器件的编程速度在微秒量级,而保留时间长达10年（约10^8S）．这种新型的存储器结构单元有效地解决了目前硅基纳米存储器存在的工作电压和长久存储之间的矛盾,为硅基纳米存储器的实用化拓宽了道路．     

光通信器件的发展历史、现状与趋势

 从行业和技术的角度概述了光通信器件的发展现状,介绍了中国光通信器件的发展水平,分析了中国光通信器件与国际领先水平的差距。分析表明,光集成技术是未来光器件的主流发展方向,Ⅲ-Ⅴ族材料和硅基材料被业界普遍看作未来光集成技术的两大阵营,将改变光器件的设计和未来。     

Si基光子材料的探索

Ｓｉ基光子材料是以适应各种新型微电子、光电子器件的需要和发展的世界范围内半导体领域中出现的人工设计的材料，因此，对光子材料的探索引起了人们极大的兴趣。综述了二十世纪末Ｓｉ基光子材料的探索途径、现状与进展。     

Si基光子材料的探索

Ｓｉ基光子材料是以适应各种新型微电子、光电子器件的需要和发展的世界范围内半导体领域中出现的人工设计的材料，因此，对光子材料的探索引起了人们极大的兴趣。综述了二十世纪末Ｓｉ基光子材料的探索途径、现状与进展。     

无掩模选择性制备硅纳米线阵列及其光致发光

基于金属辅助硅化学刻蚀发展了一种无掩模选择性区域制备硅纳米线阵列的方法, 并利用该方法成功制备了图形化的硅纳米线阵列. 扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM) 分析表明, 所制备的硅纳米线阵列是高质量的多孔微纳米结构, 并利用拉曼光谱仪研究了室温下硅纳米线阵列的光致发光特性. 结果表明, 硅纳米线阵列可实现有效的光发射, 发光波峰为663 nm. 该方法工艺简单、有效, 可潜在地应用于构筑硅基光电集成器件.     

激光收发器件硅基平台封装设计与工艺实现

分析了光电子器件对V型槽刻蚀工艺精度的要求,计算了激光二级管(LD)与光纤直接耦合时所容许的对准容差,给出了无源对准封装工艺对设备和工艺控制精度的要求,并采用贴片精度达±1μm的自动贴片倒装焊工艺和硅V型槽定位技术开发了一种激光收发器件模块.初步的封装试验和测试证明了硅基平台无源对准封装工艺的可行性和可靠性.     

微器件制造特征信息描述与输入方法的研究

以硅基加工为研究对象，提出了一种基于特征的多层次体面相结合的微器件信息描述模型与相应的输入方法，该方法将微器将的三维几何结构按加工层进行分解，每一层由层主特征和若干辅助特征组成，建立了完整的微器件三维和二维表面制造特征，并与硅基微加工方法相联系，反映了微加工工艺的约束条件，且具有确切的加工形状，同时，将微器件信息描述为总体－加工层－特征－属性4级模式，在制造特征输入过程中，形成特征索引树及特征之间的关系，因此很好地表达了微器件的几何信息和工艺信息，为随后确定微器件的加工方法和工艺顺序提供了信息基础。     

碳材料:新兴电子器件的未来

集成电路芯片是现代信息技术的基石。然而,硅基电子器件正在逼近其物理及设计极限,新一代非硅电子学的发展备受瞩目。碳材料家族众多同素异形体的独特性质以及碳基器件具有的更快响应速度,更低功耗及更高性能等诸多优点随着不断升级的制备技术和持续革新的器件设计正在创造着一场电子技术革命。本文基于碳材料家族中具有代表性的一维碳纳米管、二维石墨烯和三维金刚石,系统总结了其结构、特性及制备方法。同时从不同应用领域出发,列举了碳纳米管、石墨烯及金刚石的众多先进电子学应用。此外,新型全碳复合材料基于多维同素异构体复合的互补特性更加呈现出了碳材料在新一代非硅电子学应用的不可替代性。随着高质量材料制备技术、高性能器件优化设计及规模化生产的逐步完善,碳电子的未来已经到来。     

硅基微纳结构薄膜中全向光吸收效应

研究了一种由硅基光子晶体与金属复合微纳结构薄膜中的全向光吸收效应。与完整的硅/金属复合薄膜进行比较研究发现,在硅薄膜厚度相同的条件下硅基微纳结构薄膜能够使吸光度提高近70%。此外,结果显示这种光吸收增强效应对入射角度的变化不敏感。在以0°~60°角度入射的情况下,硅微纳结构薄膜都能够具备接近100%的光吸收。通过对能带以及场构型分析可以发现,这种现象产生的原因归结于金属平板与截断光子晶体中特殊的边界陷光效应和六角晶格的全向带隙。