面向高性能计算机超结点的关键微纳光电子器件及其集成技术研究 -(2)

二、预期目标

本项目的总体目标：

本项目总体目标是面向百亿亿次的高性能计算机超结点中CPU间数据交换对微纳光电子集成芯片的迫切要求，引进光子晶体与表面等离激元方面的最新成果、结合半导体外延技术与异质材料兼容技术，发展与CMOS工艺兼容的光电子微纳加工技术，研制高性能的微纳激光光源、调制器、光交换阵列及探测器等核心光电子器件, 最终实现功能上满足CPU间数据交换要求的微纳光电子集成芯片。该芯片（图2a）支持8个以上CPU间的数据交换、胖树网络拓朴结构、CPU输出输入带宽800Gb/s以上，光交换规模16?16以上，CPU间交换总带宽达到12.8Tb/s（图2b）。发表论文200篇，申请发明专利80项，培养研究生100名。

（a）

（b）

图2 (a)超结点中CPU间微纳光电子集成芯片原理图；(b)超结点中CPU间微纳光电子集成芯片布局图

在既定关键科学问题的解决上取得突破性的理论和实验进展，深化“半导体光电子学”与“高性能计算科学”之间的交叉融合；通过材料、结构、工艺和器件的创新，形成具有自主知识产权的多功能、大规模半导体光电子集成核心技术，创建面向高性能计算机超结点微纳光电子集成的基本构架和工艺体系，进一步掌握纳米结构的先进设计方法和精确制备技术，研制成功一批具有国际先进水平的半导体光电子器件与集成芯片。使我国在光电子集成器件与系统的国际竞争中赢得较大的战略优势，为我国信息基础设施和电子信息产业水平的全面升级开辟道路，推动经济、社会发展，提升国家安全保障能力，并带动相关领域科学技术的进步。

五年预期目标：

微纳激光器：掌握光子晶体慢光效应及等离激元等作用机制下的边发射硅基混合集成激光器工作机制、设计和实现方法，掌握图形键合硅基混合集成的工艺技术，通过倏逝场耦合实现高效硅波导输出，波长为1.3μm或1.5μm，输出功率达到mW量级。

微纳调制器：掌握设计高速、低功耗的低温度敏感性的电光调制器的关键技术，研制出速度≥25Gb/s，消光比≥5dB，尺寸≤0.5mm×2mm的硅基微纳电光调制器。

微纳探测器：掌握设计和制备波导型III-V族微纳探测器的关键技术，掌握大失配材料系Si/Ge外延生长动力学过程和硅基锗微纳结构集成材料的形成机理，在硅基上制备出超低位错密度高质量的纳米锗薄膜，位错密度小于1x105cm-2。研制出1.3?1.6?m 硅基混合集成微纳光电探测器，器件响应度0.5A/W以上，带宽达到25GHz，工作电压小于5V。

微纳光电子集成芯片：针对面向高性能计算机的互连网络体系结构，给出光交换解决方案，降低微纳光电子器件的数量和指标要求，减少纳米制造的难度，提高光电子器件纳米制造的可行性，并达到未来10年高性能计算机对超结点内交换的性能需求。CPU输出输入带宽800Gb/s以上，光交换规模16?16以上，CPU间交换总带宽达到12.8Tb/s。

本项目组将在国内外核心刊物上发表论文200篇以上，获得或申请国家发明专利80项以上；培养博士后4-8名，博士40名，硕士60名。本项目组将进一步促进所在国家实验室、国家重点实验室、教育部重点实验室等科研基地的建设，营造更好的基础研究氛围，进一步深化与国外顶尖科研机构及科研团队的实质性合作；从而使项目组自身发展成为一支更有活力、更高水平的研究团队。

三、研究方案

1、学术思路

本项目明确面向高性能计算机超结点对微纳光电子集成芯片的需求， 深入研究集成系统中所需的新型高性能微纳光电子器件，突破微纳激光光源、微纳高速高响应探测器、高速光调制器、高速16?16 光交换阵列等核心器件，重点探索基于微纳结构的新物理效应、纳米加工方法及微纳器件集成技术，实现 CMOS 工艺兼容的硅基微纳光电子集成芯片。学术思路主要体现在以下三个方面：(1)高性能微纳光电子器件的研究须深入挖掘现有器件的工作机理、设计方法，充分采用纳米研究领域的新原理、新结构、新技术，依靠异质材料和复合结构在纳米尺度下的介观效应，突破传统光电子器件的光场调控极限，在纳米光电子结构体系中实现高性能的光场耦合、传输与共振，完成高密度、大容量、低功耗集成系统中的光传输与交换的操控。(2)新型纳米加工方法和集成技术是实现本项目研究中各种高性能微纳光电子器件的基础。通过探索并采用纳米尺度条件下的新型异质材料加工方法，以突破光电子器件性能极限，并且达到功能兼容与集成化目标，满足集成系统中高性能微纳光电子器件的指标要求。(3)明确的总体目标是本项目的关键思路之一。高性能计算国家重大战略需求为本项目提出了高水平的指引，也为项目成果提供了原理性验证条件，并对微纳光电子器件提出了明确的性能要求。本项目在此指引下引入纳米研究领域的新思路，突破传统器件的性能限制因素，使器件性能得到显著提升。 2、技术途径 …… 此处隐藏：284字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……