全球首个！北大研究团队开发出110GHz带宽纯硅电光调制器

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）算力需求的增长背后，是由光通信技术作为基础网络支撑，光通信采用光纤作为传输数据的介质，有高带宽、抗干扰等的特点，在数据中心以及电信等场景尤为重要。
 
近期在光通信领域，由北京大学研究团队发表的一篇《110GHz带宽慢光硅调制器》成功登上顶级学术期刊《Science Advances（科学进展）》，该团队实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器，突破了目前硅调制器的带宽上限，为硅光子学技术应用在下一代高速数据传输、宽带信号处理和大容量光子计算方面展示出巨大的潜力。
 
纯硅调制器的必要性
 
光通信的传输速率，很大程度上取决于电光调制器。在光通信中广泛使用到的硅光芯片中，一般是采用半导体制造工艺将硅光材料和器件集成到同一硅基的衬底上，形成由调制器、探测器、无源波导器件等组成的集成光路。
 
电光调制器负责将电信号转为光信号，这无论是在数据传输、芯片互连、信号处理和计算过程中都是不可或缺的。在未来的光电子应用中，但新芯片上需要实现Tbps级别的总数据吞吐量，所以，具备高带宽和小尺寸的调制器，对实现100Gbps以上的通道速度几乎是必须的。
 
受限于硅材料本身较慢的载流子输运速率，目前的纯硅调制器带宽一般在30GHz-40GHz，有报道的纯硅电光调制器带宽也被限制在60GHz左右的水平。
 
尽管目前通过异质材料在硅衬底上形成的器件，比如铌酸锂、聚合物以及等离子体材料等的电光调制器，甚至一些薄膜铌酸锂调制器带宽可以达到130GHz，但在硅衬底上混合集成不同材料是否是高速调制的必要方法，还存在不确定性。
 
纯硅调制器利用硅光子学的CMOS工艺兼容特性，将支持晶圆级制造、实现大规模生产以及大幅降低成本，这是纯硅相比异质集成硅基调制器的优势。另一方面，纯硅调制器还需要减小器件尺寸，以提升系统集成度，而且采用共振或是慢光效应能够显著提升调制效率和减小器件尺寸，但可能会限制调制器带宽。
 
因此，北京大学电子学院王兴军教授、彭超教授、舒浩文研究员联合团队需要解决的问题是，如何在兼容CMOS工艺的情况下，实现有超高带宽和紧凑尺寸的纯硅调制器。
 
如何制造出110GHz带宽的纯硅调制器
 
研究团队的目标是利用等离子体色散效应实现100GHz等级的电光带宽，同时保持尺寸尽可能小。因此，调制器可以通过使用简单的OOK编码来支持100Gbps以上的单通道数据传输速度，以最大限度地降低短程光链路的DSP复杂性和成本，通过在未来采用高阶调制格式来为更高的通道速度保留带宽预算。
 
研究团队表示，他们从理论上提出了一种利用光波导中的慢光效应实现工作在1550nm左右电信波长的高速硅调制器策略，该光波导由一系列级联的布拉格光栅组成，在物理上相当于耦合谐振光波导。

图源：《Slow-light silicon modulator with 110-GHz bandwidth》

 
慢光效应中的“慢”，其实不是我们通常理解中的光传播速度，一般我们所讲的光速是指单色平面电磁波的相速度，即描述一个正弦波传输速度的快慢，所有频率的平面波在真空中的相速度都是我们所理解的光速，约为每秒30万千米。
 
群速度则是用于描述脉冲光，而快慢光技术所研究的也是脉冲光在不同介质中的传播。脉冲光可以被认为是很多频率不同的平面波叠加而成，无法用相速度定义，因此需要用到群速度，（通常可以认为能量传播速度）来定义。所以这里慢光效应的“慢”就是指群速度。
 
而这次该研究团队发现了一种由级联波纹波导诱导的慢光效应，能够有效地提高调制效率，同时保持相应速度而不衰减。他们通过综合平衡包括群指数、光子寿命、电频带宽和损耗等多个因素，利用标准硅光子工艺流程设计并制造了硅调制器，这款硅调制器在8英寸的SOI晶片上制造，使用标准90nm光刻SOI工艺，由硅光晶圆代工厂CompoundTek进行代工。
 
最终，在124微米超紧凑长度的慢光硅调制器上实现了前所未有的110 GHz的超高带宽。根据研究团队的描述，该器件的带宽和尺寸都突破了传统认知中纯硅调制器的性能限制，同时无需额外的复杂工艺或异质功能材料的辅助。
 
与其他类型的谐振调制器（如微环/盘调制器）相比，经过优化设计的级联波纹波导调制器在相同尺度上呈现出更紧凑的尺寸，与其电子支持元件的尺寸更加相近，同时具有更宽的光学带宽，并且对温度变化的敏感性较低。这有助于充分利用光谱资源并节省功耗预算，从而使其在光学神经网络和高度并行数据传输等应用中发挥作用，以实现高吞吐量和大规模集成。
 
小结：
 
在光通信以及光子计算的需求下，作为核心之一的调制器需要拥有更高的带宽以及更小的尺寸。在这次110GHz带宽慢光硅调制器之前，去年浙江大学戴道锌团队也在Chip上发表了一篇名为《超紧凑薄膜铌酸锂微腔电光调制器突破110GHz》的文章，该团队实现了首个带宽超110 GHz的微腔型薄膜铌酸锂电光调制器，并具备具有超小尺寸、超高带宽、超低能耗等优点。
 
未来更大带宽、更小尺寸、更低能耗将会是电光调制器的重要发展方向，同时会为光互连技术带来巨大的潜力。