集成可编程光芯片的研究与功能验证

李智慧; 梁宇鑫; 范诗佳; 廖海军; 刘大鹏; 冯靖; 崔乃迪

doi:10.12263/DZXB.20221398

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集成可编程光芯片的研究与功能验证

学术论文 | 更新时间：2025-12-11

- 集成可编程光芯片的研究与功能验证
- Research and Functional Verification of Integrated Programmable Photonic Chips
- 电子学报 2024年52卷第5期页码：1524-1533
- 作者机构：
  
  联合微电子中心有限责任公司硅基光电子中心，重庆 401332
- 作者简介：
  
  [ "李智慧女，1992年2月出生于河北省唐山市.2019年毕业于电子科技大学光电科学与工程学院.现为联合微电子中心有限责任公司工程师.主要从事可编程光芯片及氮化硅相关的研究工作. E-mail: zhihui.li@cumec.cn" ]
  [ "梁宇鑫男，1989年3月出生于河北省唐山市.2019年毕业于大连理工大学物理与光电工程学院.现为联合微电子中心有限责任公司高级工程师.主要从事氮化硅光子集成和可编程光芯片方面的研究工作.E-mail: yuxin.liang@cumec.cn" ]
  [ "范诗佳男，1996年1月出生于湖南省邵阳市.2020年毕业于电子科技大学光电科学与工程学院.现为联合微电子中心有限责任公司工程师.主要从事硅光设计方面的研究工作. E-mail: shijia.fan@cumec.cn" ]
  [ "廖海军男，1993年8月出生于重庆市奉节县.2018年毕业于西南交通大学电气工程及其自动化专业.现为联合微电子中心有限责任公司中级工程师.主要从事微波光子及其延时线电路设计方面的研究工作. E-mail: haijun.liao@cumec.cn" ]
  [ "刘大鹏男.2020年博士毕业于中国科学院半导体研究所.现为联合微电子中心有限责任公司高级工程师.主要从事集成微波光子技术方面的研究工作. E-mail: dapeng.liu@cumec.cn" ]
  [ "冯靖男，1994年12月出生于安徽省安庆市.2019年毕业于南京航空航天大学电子信息工程学院.现为联合微电子中心有限责任公司中级工程师.主要从事微波光子技术方面的研究工作. E-mail: jing.feng@cumec.cn" ]
  [ "崔乃迪男，博士.联合微电子中心有限责任公司硅基光电子中心副主任、高级工程师，重庆市鸿雁计划入选者.主要从事光子集成技术及微波光子技术领域的研究工作.先后主持包括国家自然科学基金、国防创新特区专项、173重点项目、中国电科XX工程在内的多项国家级及省部级项目.在国内外一级学术期刊和重要学术会议上发表论文十余篇，授权专利十余项. E-mail: naidi.cui@cumec.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2022YFB2802703);国家自然科学基金(62105051)
- DOI：10.12263/DZXB.20221398
  中图分类号： TN256;TN252
- 收稿：2022-12-15，
  
  修回：2023-04-27，
  
  纸质出版：2024-05-25
- 稿件说明：
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李智慧,梁宇鑫,范诗佳,等. 集成可编程光芯片的研究与功能验证[J]. 电子学报,2024,52(05):1524-1533.

LI Zhi-hui, LIANG Yu-xin, FAN Shi-jia, et al. Research and Functional Verification of Integrated Programmable Photonic Chips[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(05): 1524-1533.
李智慧,梁宇鑫,范诗佳,等. 集成可编程光芯片的研究与功能验证[J]. 电子学报,2024,52(05):1524-1533. DOI：10.12263/DZXB.20221398

LI Zhi-hui, LIANG Yu-xin, FAN Shi-jia, et al. Research and Functional Verification of Integrated Programmable Photonic Chips[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(05): 1524-1533. DOI：10.12263/DZXB.20221398

摘要

随着对高速、超紧凑数据信号管理需求的日益增长，光子集成电路（Photonics Integrated Circuits，PIC）在先进的光子信号处理中受到广泛关注，其中可编程光芯片因其特有的通用性、可重构特性逐渐受到开发者的青睐.本文依托联合微电子中心有限责任公司（United MicroElectronics Center Co. Ltd，CUMEC）的绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）自主工艺平台，设计并制备了包含9个六边形单元的3×3六边形架构可编程光芯片，利用迭代扫描法实现了消光比高达30 dB的开关电压标定，并通过扁平化版图优化设计使芯片尺寸降低了21%；采用此可编程光芯片进一步完成了典型功能验证：通过对输入输出端的可调基本单元（Tunable Basic Unit，TBU）耦合系数进行调谐，可实现消光比、谐振波长、自由光谱范围可调的马赫曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）/ 微环谐振腔（Micro-Ring Resonator，MRR），消光比可高达42.3 dB/28 dB；可实现延时量大范围可调谐的延时线及任意输入/输出端口之间的路由.该芯片是目前世界上规模最大的六边形架构可编程光芯片，并实现了与有源单元的单片集成，在微波光子信号处理、化学生物传感、量子信息、光计算领域具有广阔的应用前景.

Abstract

With the increasing demand for high-speed

ultra-compact data signal management

photonics integrated circuits (PIC) have attracted extensive attention in advanced photonic signal processing. Programmable photonic chips are gradually becoming favored by developers for their inherent generic and reconfigurable features. Based on United Microelectronics Center Co.

Ltd (CUMEC) silicon-on-insulator (SOI) integrated photonics platform

we have designed and fabricated a 3×3 hexagon-shape programmable photonic chip containing 9 hexagon units. The optical switch's extinction ratio of up to 30 dB was achieved by the “Iteration Scanning Method”

and there is a 21% chip size reduction through “Flatting” layout optimization. The typical functions of this programmable chip are further verified by tuning the input/output coupling coefficients of tunable basic unit (TBU). This allows for a Mach-Zehnder interferometer (MZI) or a micro-ring resonator (ORR) with a tunable extinction ratio

resonance wavelength and free spectra range to be realized

and the corresponding extinction ratio can reach 42.3 dB and 28 dB

respectively. Other functions

such as an optical delay line with a wide tunable range

as well as routing between any input and output ports

are also successfully realized with this programmable photonic chip. This is the largest scale hexagon-shape programmable chip which could be integrated with active devices. This chip offers a wide range of potential applications

in the areas of microwave photonics signal processing

bio-chemical sensing

quantum information and optical computing.

关键词

Keywords

references

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