全球首個(gè)！北大研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出110GHz帶寬純硅電光調(diào)制器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）算力需求的增長(zhǎng)背后，是由光通信技術(shù)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐，光通信采用光纖作為傳輸數(shù)據(jù)的介質(zhì)，有高帶寬、抗干擾等的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)中心以及電信等場(chǎng)景尤為重要。

近期在光通信領(lǐng)域，由北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇《110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》成功登上頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science Advances（科學(xué)進(jìn)展）》，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)110GHz的純硅調(diào)制器，突破了目前硅調(diào)制器的帶寬上限，為硅光子學(xué)技術(shù)應(yīng)用在下一代高速數(shù)據(jù)傳輸、寬帶信號(hào)處理和大容量光子計(jì)算方面展示出巨大的潛力。

純硅調(diào)制器的必要性

光通信的傳輸速率，很大程度上取決于電光調(diào)制器。在光通信中廣泛使用到的硅光芯片中，一般是采用半導(dǎo)體制造工藝將硅光材料和器件集成到同一硅基的襯底上，形成由調(diào)制器、探測(cè)器、無(wú)源波導(dǎo)器件等組成的集成光路。

電光調(diào)制器負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào)，這無(wú)論是在數(shù)據(jù)傳輸、芯片互連、信號(hào)處理和計(jì)算過(guò)程中都是不可或缺的。在未來(lái)的光電子應(yīng)用中，但新芯片上需要實(shí)現(xiàn)Tbps級(jí)別的總數(shù)據(jù)吞吐量，所以，具備高帶寬和小尺寸的調(diào)制器，對(duì)實(shí)現(xiàn)100Gbps以上的通道速度幾乎是必須的。

受限于硅材料本身較慢的載流子輸運(yùn)速率，目前的純硅調(diào)制器帶寬一般在30GHz-40GHz，有報(bào)道的純硅電光調(diào)制器帶寬也被限制在60GHz左右的水平。

盡管目前通過(guò)異質(zhì)材料在硅襯底上形成的器件，比如鈮酸鋰、聚合物以及等離子體材料等的電光調(diào)制器，甚至一些薄膜鈮酸鋰調(diào)制器帶寬可以達(dá)到130GHz，但在硅襯底上混合集成不同材料是否是高速調(diào)制的必要方法，還存在不確定性。

純硅調(diào)制器利用硅光子學(xué)的CMOS工藝兼容特性，將支持晶圓級(jí)制造、實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)以及大幅降低成本，這是純硅相比異質(zhì)集成硅基調(diào)制器的優(yōu)勢(shì)。另一方面，純硅調(diào)制器還需要減小器件尺寸，以提升系統(tǒng)集成度，而且采用共振或是慢光效應(yīng)能夠顯著提升調(diào)制效率和減小器件尺寸，但可能會(huì)限制調(diào)制器帶寬。

因此，北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)需要解決的問(wèn)題是，如何在兼容CMOS工藝的情況下，實(shí)現(xiàn)有超高帶寬和緊湊尺寸的純硅調(diào)制器。

如何制造出110GHz帶寬的純硅調(diào)制器

研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是利用等離子體色散效應(yīng)實(shí)現(xiàn)100GHz等級(jí)的電光帶寬，同時(shí)保持尺寸盡可能小。因此，調(diào)制器可以通過(guò)使用簡(jiǎn)單的OOK編碼來(lái)支持100Gbps以上的單通道數(shù)據(jù)傳輸速度，以最大限度地降低短程光鏈路的DSP復(fù)雜性和成本，通過(guò)在未來(lái)采用高階調(diào)制格式來(lái)為更高的通道速度保留帶寬預(yù)算。

研究團(tuán)隊(duì)表示，他們從理論上提出了一種利用光波導(dǎo)中的慢光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)工作在1550nm左右電信波長(zhǎng)的高速硅調(diào)制器策略，該光波導(dǎo)由一系列級(jí)聯(lián)的布拉格光柵組成，在物理上相當(dāng)于耦合諧振光波導(dǎo)。

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

慢光效應(yīng)中的“慢”，其實(shí)不是我們通常理解中的光傳播速度，一般我們所講的光速是指單色平面電磁波的相速度，即描述一個(gè)正弦波傳輸速度的快慢，所有頻率的平面波在真空中的相速度都是我們所理解的光速，約為每秒30萬(wàn)千米。

群速度則是用于描述脈沖光，而快慢光技術(shù)所研究的也是脈沖光在不同介質(zhì)中的傳播。脈沖光可以被認(rèn)為是很多頻率不同的平面波疊加而成，無(wú)法用相速度定義，因此需要用到群速度，（通常可以認(rèn)為能量傳播速度）來(lái)定義。所以這里慢光效應(yīng)的“慢”就是指群速度。

而這次該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種由級(jí)聯(lián)波紋波導(dǎo)誘導(dǎo)的慢光效應(yīng)，能夠有效地提高調(diào)制效率，同時(shí)保持相應(yīng)速度而不衰減。他們通過(guò)綜合平衡包括群指數(shù)、光子壽命、電頻帶寬和損耗等多個(gè)因素，利用標(biāo)準(zhǔn)硅光子工藝流程設(shè)計(jì)并制造了硅調(diào)制器，這款硅調(diào)制器在8英寸的SOI晶片上制造，使用標(biāo)準(zhǔn)90nm光刻SOI工藝，由硅光晶圓代工廠CompoundTek進(jìn)行代工。

最終，在124微米超緊湊長(zhǎng)度的慢光硅調(diào)制器上實(shí)現(xiàn)了前所未有的110 GHz的超高帶寬。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的描述，該器件的帶寬和尺寸都突破了傳統(tǒng)認(rèn)知中純硅調(diào)制器的性能限制，同時(shí)無(wú)需額外的復(fù)雜工藝或異質(zhì)功能材料的輔助。

與其他類型的諧振調(diào)制器（如微環(huán)/盤(pán)調(diào)制器）相比，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的級(jí)聯(lián)波紋波導(dǎo)調(diào)制器在相同尺度上呈現(xiàn)出更緊湊的尺寸，與其電子支持元件的尺寸更加相近，同時(shí)具有更寬的光學(xué)帶寬，并且對(duì)溫度變化的敏感性較低。這有助于充分利用光譜資源并節(jié)省功耗預(yù)算，從而使其在光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高度并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用中發(fā)揮作用，以實(shí)現(xiàn)高吞吐量和大規(guī)模集成。

小結(jié)：

在光通信以及光子計(jì)算的需求下，作為核心之一的調(diào)制器需要擁有更高的帶寬以及更小的尺寸。在這次110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器之前，去年浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)也在Chip上發(fā)表了一篇名為《超緊湊薄膜鈮酸鋰微腔電光調(diào)制器突破110GHz》的文章，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)帶寬超110 GHz的微腔型薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器，并具備具有超小尺寸、超高帶寬、超低能耗等優(yōu)點(diǎn)。

未來(lái)更大帶寬、更小尺寸、更低能耗將會(huì)是電光調(diào)制器的重要發(fā)展方向，同時(shí)會(huì)為光互連技術(shù)帶來(lái)巨大的潛力。