大容量高分辨超宽带硅基光电子集成芯片与系统

20250327

新一代信息技术-硅基光电子芯片

   近 20 年来，硅基光电子集成芯片技术借助成熟的CMOS 工艺，可大规模集成传统光学系统所需的功能器件，极大提升片上信息传输和处理的速度和容量，可为下一代数据中心、通信系统、高性能计算、自动驾驶等领域带来变革性突破，是世界光电子领域竞争的主阵地。目前，随着应用市场的拓展和系统规模的大幅度提升，硅基光电子集成呈现大容量超宽带、阵列化、多功能、系统化的发展趋势。该项目在国家自然基金委重点项目和北京市科委重点项目的支持下，针对硅基光电子集成芯片中的三大关键科学和技术问题:大容量并行化、高分辨高灵敏、超宽带集成化开展研究工作，取得了如下三个先进成果:
   (1)大容量并行化硅基光电子集成通信芯片与系统
   项目组针对硅基光电子集成芯片与通信系统块乏规模化、并行化硅基光源这一世界性难题，提出硅基多材料体系异质异构集成方案，实现与商用硅基光电子产线“即插即用”式配合，国际上首次演示了由集成微腔光梳驱动的硅基光电子集成系统，完成最高传输速率2Tbs并行硅基片上信号传输成果发表在 Nature【605:457,(2022)】，入选 ESI 高被引/热点论文，发表2年已经他引92次，论文上线后，Nature官网两天内下载量超过10000次，是当期下载量最高的文章，Nature Asia、Physics Today、新浪等国内外学术、产业界媒体分别对文章进行了报道。该工作开创了下一代多维硅光集成微系统子学科的发展。相关研究成果有望直接应用于数据中心、5/6G 通信、自动驾驶、光计算等领域，为下一代片上光电子信息系统提供了全新的研究范式和发展方向。入选2022年中国十大科技创新奖、中国信息通信科学领域十大进展、中国光学十大社会影响力事件、中国芯片科学十大进展、中关村论坛重大科技成果等奖项。美国哈佛大学 MarkoLoncar 教授在发表的Nature Photonics【17(2023):666】文章中把该篇文章作第一篇文献引用，彰显这篇文章在硅基光电子集成领域的影响力，评述:“近几十年来,集成光子技术在包括光通信在内的应用中取得了快速发展。”(Recent decades have witnessed the rapid advancement of integrated photonic technology for applications including optical communications)。美国科学院院士、斯坦福大学 Jelena Vuckovic 教授在 Nature Photonics【17(2023):143】文章中评价指出:“实现了片上 Tbps 的信息传输(terabits-per-second(Tbps)communications on-chip”)。美国工程院院士、加州理工学院Kerry J.Vahala教授在Science【383(2024):108】上多次引用我们的工作，并指出:“这些特性在光探测和基于波分复用(WDM)的相干光通信等方面有很好的应用。(These properties are advantageous for applications such as microwave generation through photodetection and wavelength division muitiplexing (WDM) based coherent optical communication)。IEEE/0ptica/SPIE Fellow、澳大利亚 David J. Moss 教授在光学类综述期刊Advances in Optics and Photonics【15 (2023):8】(影响因子 25.4)的论文中多次大段评述我们的工作。评价:“在直接检测系统,一个基于光梳的 PAM IM-DD 系统被展示了。…”(In terms of direct detection systems, a microcomb-based PAM4 IM-DD communication system with a high integration level has also been demonstrated (Fig. 16(b)), where 20 comb lines of a dark soliton microcomb generated by an AiGaAs on-insulator MRR were used as the WDM optical carriers and launched into an SOI transmitting-receiving chip consisting of silicon E Omodulators (EOMs) and germanium PDs. A macimum data transmission rate of ～2 Tbit/s was achieved by using an external cavity laser (ECL) to pump the MRR, When the ECL was replaced by an on-chip DFB laser, the maximum achieved data transmission rate was ～448 Gbit/s. After direct detection by using on-chip Ge PDs, a BER on the order of 10-2 was achieved.)。清华大学戴琼海院士研究组在 Science【384(2024):202】文章中引|用我们的工作,指出“结合这种将片上激光光源、调制器和探测器集成到一个单一平台的方式,为光子芯片的大规模集成提供了保证。”(Furthermore, the readily available on-chip laser sources, modulators, and detectors could be copackaged into a single platform and cointegrated through wafer bonding, which promises higher levels of integration)。香港城市大学王骋教授在 Nature【62(2024):80】文章的摘要中直接引用我们的工作，评价:“在光学域中以高保真度和低延迟对模拟信号进行招快处理可以实现各种序用”。(In particular, ultrafast processing of analogue signals in the optical domain with high fidelity and low latency could enable a variety of applications such as MWP flters)。
   (2)高分辨高灵敏硅基光电集成传感芯片与系统
   随着高级别自动驾驶的日益普及，确保行驶舒适安全的激光雷达作为其核心器件，受到越来越多的重视。高性能、小体积、低成本、低功耗、高安全的激光雷达是未来厂商竞相追逐的方向。项目组针对目前三维成像系统的时间-频率堵塞问题，研制出一种全新的硅基片上多通道混沌光源，提出了一种基于并行混沌熵源的极简硅基片上激光雷达系统架构，搭建了并行激光雷达演示系统并对实物目标进行了高精度三维成像，验证了10通道规模的单像素成像，证明了各通道间良好的正交隔离性。实现了最高测距精度为2 mm的并行探测和大于30dB 的抗干扰抑制比，为下一代高性能抗干扰激光雷达提供了一种革命性解决方案,相关成果发表在Nature Photonics【17(2023):306】，ESI 高被引论文，他引35次，入选2023年中国光学十大社会影响力事件。Optica Fellow、瑞士洛桑联邦理工学院的 Tobias J.Kippenberg 教授类似的工作4个月后在Nature Photonics【17(2023):814】上发表，他在文章中明确指出:“另一个基于混沌调制不稳定光梳的激光雷达工作在本文审稿期间已经发表。”(...otherchaotic MI-basedLiDAR work (ref.67) was published while this manuscript was being reviewed.)。鹏城实验室余少华院士在Light:Science & Applications【12(2023):94】评述文章中高度评价我们的工作:“其架构的简单性与卓越的性能开启了激光雷达的新时代技术，有无限的发展和应用的可能。”(This advancement has the potential to reshape the LiDAR ecosystem, providing a low-cost, efficient, and reliable solution for the next generation of LiDAR technologies. The simplicity of its architecture combined with its exceptional performance opens up a new era of LiDAR technology, with endless possibilities for further development and application.)。清华大学戴琼海院士在 Science Advances【10(2024):eadn2031】文章中指出:“光探测和测距(激光雷达)方案主要利用飞行时间或频率调制的连续波，在无需复杂的重建算法的情况下实现了三维感知。”(Light detection and ranging (LDAR) schemes mainly exploit time of flight or fequency-modulated continuous wave and achieve 3D perception without complicated reconstruction algorithms.)。同时，针对复杂环境检测，提出了一种基于频率转换和光电增益来抑制1/f噪声的片上超高灵敏度检测方法，基于该原理利用硅基光电子技术，制备了外差波导型集成传感芯片，成功实现了对单个半径为30 nm的聚苯乙烯微球和 HIV-1病毒颗粒的高灵敏度传感，对光学传感器的采样信噪比提升了两个数量级,并探索了其在粒径分析、快速检测和复用传感中的应用，相关成果已发表在Nature Communications【12(2021):1973】。
   (3)超宽带硅基微波光子集成芯片与系统
   针对目前微波光子系统集成化、模块化、大带宽、高精度、低功耗等迫切需求，首次实现了多波长光源产生、电光调制、光谱整形与信号延时的片上多功能融合,研制了高集成低功耗片上微波光子滤波系统，成果发表在Nature【605(2022):457】。提出了硅光芯片、InP芯片和CMOS电芯片的光电融合方案，研制了国际上首个光-电全集成化的微波光子瞬时测频系统，实现了对跳频、线性调频、二次调频等快速时变微波信号的实时高精度测量，测频误差为55-60MHz，成果发表在Laser & Photonics Reviews【16(2022):2200158】。提出了硅光芯片与Ш-V激光器芯片的微光路集成方案，研制了3-25 GHz 宽频调谐、360MHz窄带滤波的全集成微波光子滤波器，成果发表在Photonics Research【9(2021):1569】，并入选了主编特别推荐“Editor’s Pick”；在此基础上，提出了一种新型多功能微波滤波器架构，在Gb/s级射频无线通信的实际场景实现了基于集成滤波器的噪声抑制演示，成果发表在Photonics Research【11(2023):682】，入选期刊2023年度高被引TOP10和主编推荐奖(243篇文章中选2篇)。另外，根据国家某重大项目需求，也研制出集成了相位调制器、微环滤波器和探测器的射频前端功能芯片，集成了硅基锁模脉冲单元、光开关阵列、可调延时线及高速探测器的射频直采功能芯片等多款微波光子芯片。部分芯片和模块已经应用到中电38所和14所微波光子雷达演示验证中，使成像分辨率提高4倍。围绕相关研究内容，作为主编撰写《硅基微波光子集成技术》专著1本。香港城市大学王骋教授在Nature【627(2024):80】的微波光子文章中引用我们的工作评价:“集成MWP应用的瞬时频率测量令人印象深刻印象。”(Impressive demonstrations of integrated MWP applications include arbitrary RF waveform generation, true-time delay beamforming and instantaneous frequency measurements)。澳洲科学院院士悉尼大学副校长Benjamin J.Eggleton教授在 Nature Communications【14(2023):7544】文章指出:“微波光子滤波器具有小尺寸、宽带调谐和高抑制比的特性”。国家杰青、浙江大学戴道锌教授在Laser & Photonics Reviews【17(2023):2300347】文章中多次引用我们的工作，并指出:“目前的硅光子滤波器比大多数基于高Q谐振器的硅MPFs更好。”(The present silicon photonic flter ... which is better than most silicon MPFs based on high-Q resonators.)。“虽然硅激光器仍然非常具有挑战性，但利用混合集成技术引入III-V半导体激光器是可能的。”(Although silicon lasers are still very challenging, it is possible to introduce III-V semiconductor lasers by using the hybrid integration technology.)。

在行业领域的水平： 在硅基光电子通信集成芯片与系统、硅基光电集成传感芯片与系统、超宽带硅基微波光子集成芯片与系统三个领域均处于世界领先水平。

主要功能： 光电子集成芯片是高度集成的片上系统。它利用光子速度快、功耗低、操控维度丰富的特点，结合微电子计算能力强、工艺体系成熟的优势，在微纳米尺度运用“以光代电”“光电融合”的核心理念，在光通信、微波光子、光传感等领域都有广泛的应用。美国等发达国家都相继启动了光电子集成芯片研究计划，我国科技部“十三五”和“十四五”也对光电子集成芯片进行了重点部署，启动了重点研发专项。相比于传统Ш-V材料平台，硅基光电子集成更具成本和规模的优势，成为光电子集成芯片领域的研究热点。目前，硅基光电子集成呈现大容量、超宽带、阵列化、多功能、系统化的发展趋势，亟需在硅基上实现更大规模光电集成和系统来满足更多应用场景的需求,但目前大规模硅基光电集成面临的异质结构生长、光电尺度匹配、大容量并行化、高分辨高灵敏、超宽带集成化等科学和技术问题愈发凸显,特别是大规模硅基光电子集成芯片和信息系统由成千上万个光电子器件组成，涉及到光、电、热、力等多个物理场间的相互作用，是一个非常复杂的片上系统。同时，又受限于单一硅材料本身的光电特性，硅基光电子集成长期存在材料发光效率低、波导损耗大、光电调制效率低等瓶颈问题，需要大量的理论和实验研究。因此，开展大规模硅基光电子集成芯片和多功能片上信息系统的研究，具有重要的学术价值和应用前景。-核心技术： 硅基光电子集成芯片技术可以利用成熟的 CMOS 工艺来实现大规模光电子器件的集成，是世界光电子领域的竞争主阵地。目前硅基光电子集成呈现大容量、超宽带、阵列化、多功能、系统化的发展趋势。该项目在国家自然科学基金委重点项目和北京市科委重点项目的支持下，针对硅基光电子集成芯片中的三大关键科学和技术问题:大容量并行化、高分辨高灵敏、超宽带集成化开展研究工作，具有三个原创性核心技术： 1、针对硅基光电子集成芯片与通信系统缺乏并行化硅基光源这一世界性难题提出了硅基多材料体系异质异构集成方案,实现了最低功率阈值的硅基片上光学频率桥光源，突破了集成光源泵浦、启钥式开关、长时间自反馈稳定等一系列关键技术，完成2Tb/s大容量片上信号传输，成果发表在Nature【605:457(2022)】(ESI 高被引/热点论文)，入选中国十大科技创新奖、中国信息通信科学领域十大进展中国光学十大进展、中国光学十大社会影响力事件、中国芯片科学十大进展、中关村论坛重大科技成果等奖项。 2、针对硅基光电子集成芯片与传感系统对高分辨和高灵敏的迫切需求，提出了一种基于并行混沌熵源的硅基片上激光雷达系统架构,实现了最高测距精度 2m 并行探测和大于 30dB 抗干扰抑制比，为下一代高性能抗干扰激光雷达提供了一种革命性解决方案，成果发表在Nature Photonics【17:306(2023)】(ESI 高被引论文)，入选中国光学十大社会影响力事件。 3、针对硅基微波光子系统对超带宽和集成化的紧迫需求，发展了全集成光电融合设计方法，提出了硅光芯片与 III-V 激光器芯片的微光路集成方案，研制了全集成多功能微波光子滤波器和超宽带多通道光电一体化收发系统，成果发表在LaserPhotonics Reviews【16:2200158(2022)】、Photonics Research【9:1569(2021)】Photonics Research 11:682(2023)】。

获奖情况： 2022中国光学十大进展、2022中国光学领域十大社会影响力事件、2022年度中国芯片科学十大进展、2022年度信息通信领域十大科技进展、2023中国光学十大社会影响力事件-

高校院所、央企/国企、领军企业等对接项目合作、联合研发。

该项目紧紧围绕大规模硅基光电子片上信息系统的机理、架构、工艺、器件、封测开展相关研究工作，针对硅基光电子集成芯片中的三大关键科学和技术问题:大容量并行化、高分辨高灵敏、超宽带集成化，以大规模硅基光电子集成芯片设计和研发为核心，开发硅基多材料体系兼容的集成工艺，研制自主可控的核心单元器件、集成芯片和功能模块，并在光通信、微波光子、光传感、光计算等热点领域实现机理创新、技术突破和性能跨越。 针对硅基光电子集成芯片与通信系统缺乏规模化、并行化硅基光源这一世界性难题，提出并行光源驱动的硅基光电子集成系统全新架构，成果发表在Nature上，ESI高被引/热点论文，他引119次。相关成果被人民日报、光明日报、中国科学报、Physics Today等国内外媒体专栏报道。入选中国十大科技创新奖、中国信息通信科学领域十大进展、中国光学十大社会影响力事件、中国芯片科学十大进展、中关村论坛重大科技成果等奖项。 针对目前三维成像系统的时间-频率堵塞问题，发现了一种硅基并行混沌光源探测新机理，利用信号与噪声之间的互相关性低来抑制噪声影响，实现了目前最高测量精度的耐干扰并行激光雷达。相关成果发表在Nature Photonics上，ESI高被引论文，他引52次，入选中国光学十大社会影响力事件。 在超高速纯硅调制器方面取得创记录突破，实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器，是2004年Intel在Nature期刊报道第一个1GHz硅调制器后，国际上第一次把纯硅调制器的带宽提高到100GHz以上，发表Science Advances。 针对目前微波光子系统集成化、模块化、大带宽、高精度、低功耗等迫切需求，研制了国际上首个光-电全集成化的微波光子瞬时测频系统。成果发表在Photonics Research上，被美国光学学会网站专题报道，当月下载量Top1，入选主编推荐奖（250篇文章中选2篇）。同时，提出等效单模传输设计理念，实现国际最高宽频段和超精细处理，成果发表在Photonics Research，入选了主编特别推荐“Editor’s Pick”。