戴尔灵越1427(S510538CN)评测 戴尔灵越147460
硅基光电子:微电子与光电子的交融点
来源:文章转载自《微纳电子与智能制造》期刊,作者:周志平、杨凤和、陈瑞轩、朱克健、徐鹏飞、孙鹏飞,谢谢。
摘要
在以大数据为基础的现代信息社会,硅基光电子已成为最具潜力的高效、低成本片上解决方案。其优势来自于微纳范围内成熟的微电子技术与宽带光电子技术的有机结合。近年来,人们对这一主题的兴趣呈指数级增长。其应用领域也从最初的微电子领域扩展到通信、计算、传感、人工智能、甚至消费领域。揭示硅基光电子发展的原始动机和挑战,回顾当前的研究和发展进展,并讨论其巨大的应用价值。希望此举能够推动微电子和光电子行业进一步深入合作,让这种高效率、低成本的片上解决方案尽快走进现代人的日常生活。
最初动机和挑战50年来,微电子一直是现代信息社会发展的驱动力。微电子芯片的发展遵循摩尔定律,即平均每18至24个月,其性能提高一倍,或者价格下降一半,以更高的集成度实现更高的信息处理性能。然而,近年来,由于物理、技术、经济等方面的限制,微电子芯片的微缩周期逐渐放缓,摩尔定律面临失效。到2020年,微电子技术可能从目前的5nm工艺节点升级到2-3nm节点。但2-3nm尺度可容纳的原子数不足15个,由于量子效应的影响加剧,晶体管的不可靠性显着增加,严重阻碍了微电子技术的进一步发展。然而,现代社会对高速信息处理的需求并未因微电子技术的滞后而降低,信息拥堵问题成为第一个突出矛盾。以三维存储相关的多核处理器和半导体技术为例,随着先进系统的进一步升级,三维存储技术迫切需要越来越高的传输速度。传统的电子信息互连架构主要是通过铜介质进行电子传导来实现。该架构的信息传输速度和距离受到RC时间常数和电损耗的限制。随着传输速度和传输距离的增加,所需铜线的直径将显着增加。当传输100km、10Gbps的电信号时,所需的铜线直径将达到惊人的200m,因此基本无法使用,出现信息拥塞的问题。
为了解决信息拥塞的问题,人们注意到了另一种信息载体,——个光子。光子作为信息传输的载体,与电子相比,具有稳定可控的调制复用维度,如振幅、相位、波长、偏振态、模式等,并且具有更大的带宽、更高的频谱利用率和通信能力。硅基光电子学是探索微纳尺度光子学、电子学和光电器件新颖工作原理,并采用与硅基集成电路技术兼容的技术和方法将其集成在同一硅衬底上的科学。利用硅基光电技术有望实现微电子器件和光电器件的大规模集成和超低功耗,从而获得性能优越的硅基光电芯片。它是解决传统微电子面临的信息拥塞问题的有效方法。
硅基光电子技术最初主要用于解决芯片内的光互连问题,后来逐渐扩展到通信、数据中心等领域。与传统微电子技术相比,硅基光电子技术不仅继承了微电子的小尺寸、低功耗、低成本、高集成度等特点,而且集成了光电子的多通道、大带宽、高速度、高密度的优点。随着大容量数据通信场景的不断增多以及新的需求和应用的出现,硅基光电子技术的发展逐渐从学术研究驱动转向市场需求驱动。在硅基光电芯片上,可以集成信息吞吐量所需的各种光子、电子和光电子器件,包括光波导、调制器和探测器以及晶体管集成电路。硅基光电子学学科/技术体系已基本建立。
硅材料是制备微电子芯片的最佳材料,具有良好的电性能。但其光电特性的“先天不足”,使得硅基光电技术在低能耗和大规模集成方面面临一定的挑战。
1.能耗(1) 作为间接带隙的半导体材料,单晶硅很难接收光子辐射。因此,要在硅衬底上实现低能耗、低阈值的激光光源,往往需要考虑多种材料的异质集成。
(2)硅单晶具有良好的晶格对称性,其线性电光效应为零,不利于线性、低能量的片上信号调制和信息加载。
(3)硅的带隙宽度为1.205eV,对应的光谱响应截止波长约为1100nm。它不能有效地检测1.1-12m通信和传感频段的光波。
(4)硅的热光系数比氮化硅、氧化硅等钝化材料大一个数量级(室温下约为1.8510-4K-1)。环境温度变化和芯片热量积累对硅基光电器件的性能有显着影响,温度控制会增加芯片的能耗。
2.大规模集成由于“衍射限制”,传统光电器件的尺寸往往在微米甚至毫米量级,很难达到纳米级别。由此带来的两大问题:占地面积大、难以与微电子器件高效耦合/对接,使得目前硅基光电芯片的集成度无法与微电子芯片相比。
但随着硅基光电子学术研究的深入探讨和产业技术的不断创新,硅材料的局限性也被一一突破。例如,通过选择合适的光源材料,在硅衬底上实现低阈值、高效率的光源;通过设计热不敏感器件来减少甚至消除温度控制能耗;通过混合表面等离子体激元器件来减小光电器件的尺寸并实现大规模片上集成。未来,硅基光电子技术将在学术界和工业界的共同推动下日益成熟。
当前的研发现状在大数据、云计算、物联网等新一代通信需求的驱动下,硅基光电子技术取得长足进步,开启了以光电子与微电子深度融合为标志的后摩尔时代。为了进一步突破硅材料的限制,将硅基光电子技术应用于更广泛的信息技术领域,当前的研究重点集中在大规模集成和低能耗系统上。在大规模集成方面,用于大容量数据通信的硅基光电收发芯片是目前研究最深入、应用最广泛的硅基光电芯片之一。图1为北京大学周志平课题组于2014年研发的100Gbps硅基光电收发芯片,填补了该领域的国内空白。该芯片实现了偏振分束器、光栅、耦合器、光混频器、调制器、探测器等数十种光电器件在几平方毫米的面积内的系统集成,并实现100Gbps数据的调制传输和相干接收。信号传输100公里后,误码率可优于10-5。
2018年,麻省理工学院的Ram研究小组探索了两种兼容CMOS工艺的光电单片集成平台。一是在不改变CMOS工艺步骤的情况下,首次实现硅基光电器件与45nm、32nm SOI微电子器件的单片集成。该系统包含超过7000万个微电子器件和850个光电器件,在单芯片内实现CPU和存储器之间的光学互连和数据传输。在高性能计算、数据中心等领域具有广阔的应用前景。二是CMOS体硅集成平台。考虑到SOI晶圆本身的成本以及微电子芯片巨头(英特尔、三星等)的工艺平台,体硅晶圆在成本和应用场景上更具竞争力。如图2所示,采用多晶硅材料,波导、微环调制器和探测器可以同时集成在一起,可以充分发挥硅基光电集成的优势,大大降低硅基光电芯片的制造成本。
除了集成工艺平台的探索外,稳定可靠的片上光源可以拓宽硅基光电芯片的应用领域。目前主要的硅基片上光源实现方案分为三类,包括掺铒硅光源、锗硅IV光源和硅基III-V光源。掺铒元素的硅虽然长期观察到1.53m波长的光致发光现象,但发光效率低,且存在严重的温度猝灭现象,无法满足实际要求。因此,人们转而研究利用掺铒(富硅)氮化硅更好的发光性能来实现低开启电压电泵浦光源。北京大学周志平课题组通过实验验证,额外掺杂镱可以提高掺铒硅的发光效率,并利用铒镱硅酸盐在1.2 mA/cm2的电流密度下实现了波长1.53 m的电致发光。硅锗激光器主要通过能级调控来实现高效发光。实现方法通常采用n型掺杂、应力拉伸和GeSn合金。 2011年发表了第一台电泵浦硅锗激光器。与III-V族材料相比,锗材料具有发光效率随温度升高、非饱和条件下电注入与发光功率呈超线性关系、增益谱大等优点。然而,它们仍然面临阈值电流高和发光效率低的问题。 III-V族外延生长硅基量子点激光器主要采用InAs/GaAs作为工作材料。与传统量子阱激光器相比,量子点激光器具有阈值电流低、温度特性好的特点。适用于高温工作环境,满足低功耗、高密度、大规模数据通信短距离互连的需求。该激光器的工作性能(阈值电流、斜率效率)取决于生长材料的质量。由于IV族硅与III-V族材料的晶格常数差异较大、热膨胀系数不同、极性不同,在硅上直接生长III-V族材料会引入大量位错。这些位错宏观上表现为III-V族材料中的缺陷或裂纹,微观上则由于在激光器的有源区引入大量非辐射中心,导致发光效率低、阈值电流增大。因此,硅衬底外延生长量子点激光器的发展中心主要围绕提高III-V族材料的质量。量子点不仅可以作为激光器的高效发光中心,还可以用于缓冲层以降低位错密度。伦敦大学学院刘教授课题组首先实现了在硅衬底上直接生长的O波段量子点激光器,随后首次报道了室温下连续工作模式超过3100h的超低阈值量子点激光器。加州大学圣巴巴拉分校的Bowers 研究小组报道了一种硅基量子点激光器,在连续光工作模式下阈值电流仅为36mA。东京大学荒川研究小组最近也在硅(001)晶面上外延生长了高质量的InAs/GaAs量子点激光器。虽然硅基外延生长的量子点激光器是目前在硅衬底上实现单片集成光源最有前途和最重要的方式,但其仍然面临着缓冲层过厚和波导耦合困难的问题。
此外,利用金属表面等离子体强大的限域光场能力,可以大大减小光电器件的尺寸,有利于硅基光电器件的大规模集成。表面等离子体的纳米级光场约束能力和自然偏振敏感性非常适合硅基混合表面等离子体芯片偏振复用器件和系统的研究和实现,从而解决传统硅基偏振复用系统尺寸过大、偏振分离度低的问题。图3(a)显示了硅基混合表面等离子体偏振复用系统的示意图。关键部件包括TE/TM偏振器、偏振旋转器和偏振分束器。入射光首先穿过偏振分束器,将TE 和TM 模式分成两路。对于TM模式,经过90偏振旋转器后,旋转为TE模式。为了进一步提高消光度,可以通过TE偏光镜滤除残留的TM偏振。双通道光经过对称集成光电器件后,原来的TE模经过90偏振旋转器,旋转为TM模。为了进一步提高消光度,可以通过TM偏光镜滤除残留的TE偏光。最后,两路光通过偏振合束器合为一路输出,从而同时完成TE和TM偏振信号的处理和利用,达到偏振复用的目的。北京大学周志平课题组在硅基混合表面等离子体偏振复用系统方面开展了大量研究工作。在偏振旋转器的研究方面,从理论上设计并进行了实验加工了片上混合表面等离子体偏振旋转器,如图3(b)所示。经实验测量,该偏振旋转器的偏振旋转效率高达99.2%,长度仅为2.5m。在偏振器方面,已经实现了TE通过的硅基混合表面等离子体偏振器,如图3(c)所示。在1.52~1.58m波长范围内,实验测得消光比高达24~33.7dB,且器件长度仅为6m。与使用传统介电材料的偏振旋转器和偏振器相比,混合表面等离子体激元器件的尺寸更加紧凑。
硅材料较大的热光系数使得硅基光波导系统对周围温度环境的变化极其敏感。这会对硅衬底上的波分复用系统的工作波长产生很大的影响,通常需要额外的温控管理来稳定工作状态。如图(4d)所示,使用非对称MMI实现的任意分光比的12光功率分束器可以作为片上监控单元,为控制系统提供反馈。为了减少温度控制带来的额外能耗,可以通过设计一个对温度不敏感的片上滤波器来实现。北京大学周志平课题组对微环型、马赫曾德干涉型和阵列波导光栅型三种常见的温度不敏感滤波器进行了研究。微环滤波器可以利用双环耦合谐振光谱分裂的现象来抵消热光效应引起的波长漂移,避免使用与CMOS工艺不兼容的负热光系数材料[35]。马赫-曾德尔滤波器使用两个有效折射率不同的波导作为马赫-曾德尔干涉仪的两个臂,以实现温度不敏感。采用有效热光系数差较大的条形波导和沟道浅蚀刻波导,结合多级级联的马赫曾德尔干涉结构,实现了器件尺寸更加紧凑的温度不敏感平顶滤波器,如图4(a)所示。为了克服带状波导与通道浅蚀刻波导之间的模式失配问题,还提出了带状波导与通道浅蚀刻波导的模式转换器,如图4(c)所示。以往的阵列波导光栅滤波器设计存在材料与CMOS工艺不兼容、特征尺寸较小等问题。通过在马赫-曾德滤波器的两个臂上使用不同类型的波导,可以实现对温度不敏感的阵列波导光栅滤波器,如图4(b)所示,并设计任意比率作为片上监控单元,为控制系统提供反馈。
图4. 不同的温度控制方法
片上能耗的一个重要来源还包括调制器的调制能耗。由于硅材料不具有线性电光效应,因此硅中的高速调制需要利用自由载流子色散效应。基于这种效应,Intel和康奈尔大学分别于2004年和2005年在《自然》杂志中报道了微环谐振腔调制器和Mach-Zehnder调制器,将硅基调制速率提高到1Gbps以上。此后,调制速度超过50Gbps的硅基电光调制器相继出现。然而,自由载波色散效应在提高调制器速率的同时,由于调制效率有限,也导致了巨大的调制能耗。采用微环谐振腔的调制器虽然提高了调制效率,从而降低了驱动电压和调制能耗,但谐振腔对温度过于敏感。温度变化20可产生约1nm的谐振波长变化。为了减少温度的影响,每一位都需要皮焦耳级的热调谐能量来补偿温度影响,整体运行能耗巨大。马赫-曾德调制器虽然对温度不敏感,但其调制效率较低,每比特调制的能耗一般高达数百飞焦耳。在这种能耗水平下,光互连架构的优势将难以与传统电互连架构竞争。为了降低调制器的能耗,北京大学周志平研究组于2017年提出了集总Mach-Zehnder调制器结构,并建立了完整的电光理论分析模型。通过优化电极结构和载流子掺杂结构,Mach-Zehnder调制器的能耗可降低至80. 8fJ/bit(50标准微波电缆驱动器)和21.5fJ/bi(t10集成驱动电路),而调制速度可达50Gbps,这使得基于硅基光电子技术的光互连架构有望媲美并超越传统的电互连架构,如图5所示。
巨大的应用价值硅基光电子技术因其集成度高、体积小、与微电子工艺兼容等优势,在数据中心、通信、自动驾驶、传感、高性能计算、人工智能等各个领域展现出巨大的应用价值,如图6所示。
随着云计算、大数据等新业务的发展,数据中心的流量呈爆炸式增长。网络拥塞、延迟等问题的出现,使得“进光纤、退铜线”成为必然趋势。目前,基于100G光模块的光互连架构已在数据中心全面铺开。 IEEE P802.3bs 400GbE 标准也已发布。基于200G/400G光模块的光互连架构已经开始布局。为了同时满足数据中心对光模块的成本和性能要求,当前光模块的发展趋势是不断提高集成度,在材料面积和材料功能之间实现更好的利用。硅基光电子技术与微电子工艺具有良好的兼容性,因此可以大大提高集成度和成本效益。而且子系统的高度集成可以为整个光互连网络提供更高的稳定性和更低的功耗。这使得基于硅基光电技术的光模块成为通信和数据中心的最佳解决方案,如图7所示。从2012年思科首次在商用CPAK100G光模块中使用硅基光电引擎,到2016年Luxtera和Intel的QSFP28硅光模块投放市场,再到2019年,我Intel、Macom等相继宣布采用硅基光电引擎。 400GDR4、FR4等硅光模块。硅基光电子技术在100G数据中心光互连架构中的应用价值已得到充分证明,并在未来400G光通信市场中逐步部署。
在通信领域,硅基光电子技术因其高集成度和精确高效的相位调制特性,非常适合实现相干调制解调功能,可应用于通信城域骨干网的长距离通信。 Acacia、Elenion、Inphi、Macom等都推出了硅光相干芯片。 Acacia和Macom已实现硅光相干模块的量产并向通信客户发货。随着5G大规模商用的临近,光模块将在通信领域迎来新的应用场景。据CIR预测,到2022年,5G回传总支出将超过20亿美元,光网络行业将是5G回传建设的主要受益者。由于5G宏基站数量的增加,光模块的总需求量将是4G时代的3至6倍。预计仅5G前传就需要约5000万个25G/50G光模块。在需求拉动下,以微电子技术为基础的硅基光电子技术将充分发挥其成本优势。同时,硅基光电子技术也能有效满足5G对传输速率、超低时延、高稳定性的要求。 2018年,英特尔宣布将其100G硅光子收发器模块产品扩展到数据中心之外,并公布了用于5G和物联网(IoT)的新型硅基光电产品的详细信息。 5G的成本和技术需求将为硅基光电子技术的应用带来新的拐点。
硅基光电子学在高性能计算和人工智能领域也受到了广泛关注。在高性能计算领域,能耗和信息读取速度成为制约高性能计算发展的两大因素。根据目前的技术发展,未来每秒执行数百亿次数学运算的高性能计算系统全年消耗的电力将超过40亿千瓦时。同时,处理器与内存之间、处理器之间的信息读取速度严重滞后于处理器的计算速度,导致处理器的计算性能仅低于20%。受电子器件物理极限的限制,传统的缩小芯片特征尺寸并不能有效解决上述问题。与电子相比,光子具有传输速度高、并行化、带宽大、功耗低等特点。因此,利用硅基光电芯片进行信息交互和计算是突破高性能计算发展瓶颈的关键。 2015年,加州大学和麻省理工学院报道了首个集成光电处理器,迈出了硅基光电技术在高性能计算领域应用的第一步。如图8(a)所示,基于硅基光电子技术,在一颗芯片上同时制备7000万个微电子器件和850个电子器件,并通过光子在计算和存储单元之间进行高速通信。在此基础上,2018年成功实现了10Gbps通信速度和集成波分复用技术。此外,硅基光电子技术也为人工智能领域提供了新的发展思路。利用光学结构制备用于深度学习应用的硅基光电人工智能芯片于2017年被正式提出,有望实现高速、低能耗的推理和训练过程,如图8(b)所示。
如上所述,硅基光电子技术在数据中心、通信、高性能计算和人工智能等领域展现出巨大的应用价值。其市场规模如图9所示。到2020年,市场总规模将达到3亿美元以上。数据中心和通信将是硅基光电子技术应用的核心应用场景。但随着高性能计算领域的瓶颈显现,硅基光电子在高性能计算领域的市场份额也将快速增长。
值得一提的是,硅基光电子技术在其他领域的应用潜力也得到了挖掘。例如,近年来兴起的自动驾驶、传感领域。激光雷达已成为自动驾驶不可或缺的关键传感器。得益于SOI材料高折射率对比度和与微电子工艺兼容的先天优势,基于硅基光电技术的固态激光雷达在稳定性、成本和大规模集成方面比传统的多线机械旋转解决方案具有巨大优势。2015年,加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)成功研发出32通道红外光学相控阵芯片,如图10所示。它将激光器、光放大器等有源器件与其他无源光链路集成在一起,实现了首款真正的硅基固态激光雷达芯片。 2017年,麻省理工学院报告了第一个频率可调谐连续波(FMCW)固态硅基激光雷达样本。这些最新结果表明硅基固态激光雷达又向实用化迈出了关键一步。
在传感领域,目前硅基光电技术主要应用于疾病检测,并已得到业界验证。该疾病的复杂性和多相性,以及它对生活方式和基因的依赖性,使得无标记体外诊断成为疾病诊断的关键。利用硅基光学微环基质在生物过程中的共振变化和放大效应,可以在体外时域同时定量检测多种疾病的生物标志物,具有灵敏度高、成本低的特点。美国Genalyte公司已将这项技术全面商业化,只需几滴血即可完成多达62项测试,充分证明了硅基光电子技术在传感领域的巨大商业价值。
总结本文全面分析了微电子与光电子深度融合的晶体——硅基光电子的发展现状和趋势。一方面,集成电路芯片的发展趋于饱和;另一方面,由于大数据、云计算、物联网的发展,信息高速公路系统各级支线的数据流量也大幅增加。进光铜退已经延伸至芯片内部。硅基光电芯片将光电技术的极高带宽、超快速度、高抗干扰特性与微电子技术大规模集成、低能耗、低成本等优势结合起来。利用硅工艺平台在同一硅衬底上同时生产多个以光子和电子为载流子的微纳级信息功能器件,形成完整的新型、功能全面的大规模光电集成芯片。作为“后摩尔时代的核心技术”,受到发达国家和地区的高度重视。硅基光电芯片在能耗、成本、尺寸等方面可以带来巨大优势。不仅可以应用于中兴、华为等全球顶尖通信公司的通信设备,还可以应用于思科、微软、Facebook、谷歌、亚马逊、阿里巴巴等高科技公司及其巨型数据中心的产品。他们更有可能很快进入传感和消费领域。如果微电子和光电产业能够进一步深入合作,以硅材料为平台的大规模光电集成芯片、高效率、低成本的片上解决方案,就能早于微电子芯片进入现代人的日常生活。
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用户评论
这款戴尔灵越147460真是太厉害了!做工精致,屏幕清晰细腻,运行流畅,日常办公和娱乐都非常丝滑,强烈推荐! <li>感觉这个戴尔灵越1427屏幕不太够亮,在户外看着好费力,其他配置还是不错的。 <li>这款戴尔灵越1427的键盘手感真心不错,敲击起来很舒适。但是,续航时间有点让我失望了,出门携带的话需要经常找充电宝。 <li>之前一直用的别的品牌笔记本,这次尝试戴尔灵越147460感觉真是不一样!轻薄便携,配置也很均衡,性价比很高。 <li>这款笔记本的系统优化得很好,启动速度很快,多任务运行也不卡顿,很适合年轻人使用。 <li>说实话,我对戴尔的品牌一直没有什么好感,但是这次戴尔灵越1427让我刮目相看,性能强大,外观时尚,功能全面,真是个宝藏笔记本! <li>这款笔记本的设计很简洁大方,也很符合我的审美,唯一的缺点是A接口位置有点奇怪,不太方便插入数据线。 <li>想买一台轻薄便携的笔记本,这款戴尔灵越1427不错,配置也很适合我日常办公需求。 <li>感觉这个笔记本做工有点糙了,塑胶件握起来不够高级,如果可以再提高做工品质,那真是完美! <li>戴尔灵越系列我一直都很喜欢,这次这款1427性能更上一层楼,很期待能体验更好的使用感! <li>作为学生党,需要一台轻便的笔记本上课和作业,这款戴尔灵越147460非常合适,而且价格也比较友好。
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我觉得这台笔记本性价比不高啊,同样的配置其他品牌可以更便宜一些,不过吧它外观确实很时尚,符合我的审美需求。 <li>这款笔记本的散热效果不错,即使长时间使用也不会发烫,这也让我非常放心。 <li>这款戴尔灵越1427真是一机在手,天下我有!无论是办公还是休闲娱乐,都能轻松满足我的需求!
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虽然这款戴尔灵越1427的配置很优秀,但是价格偏高,希望能降低一些,更加吸引消费者。
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希望戴尔品牌可以改进一下笔记本的设计细节,比如接口位置等等,这样会更方便使用。 <li>我对戴尔灵越147460充满期待,我已经迫不及待想要体验它的强大性能了!
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这款戴尔灵越1427的屏幕色彩非常鲜艳饱满,观影体验非常不错!
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