電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）算力需求的增長背后，是由光通信技術(shù)作為基礎網(wǎng)絡支撐，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，在數(shù)據(jù)中心以及電信等場景尤為重要。

近期在光通信領域，由北京大學研究團隊發(fā)表的一篇《110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》成功登上頂級學術(shù)期刊《Science Advances（科學進展）》，該團隊實現(xiàn)了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調(diào)制器，突破了目前硅調(diào)制器的帶寬上限，為硅光子學技術(shù)應用在下一代高速數(shù)據(jù)傳輸、寬帶信號處理和大容量光子計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、探測器、無源波導器件等組成的集成光路。

電光調(diào)制器負責將電信號轉(zhuǎn)為光信號，這無論是在數(shù)據(jù)傳輸、芯片互連、信號處理和計算過程中都是不可或缺的。在未來的光電子應用中，但新芯片上需要實現(xiàn)Tbps級別的總數(shù)據(jù)吞吐量，所以，具備高帶寬和小尺寸的調(diào)制器，對實現(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速率，目前的純硅調(diào)制器帶寬一般在30GHz-40GHz，有報道的純硅電光調(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)制器利用硅光子學的CMOS工藝兼容特性，將支持晶圓級制造、實現(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。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能夠顯著提升調(diào)制效率和減小器件尺寸，但可能會限制調(diào)制器帶寬。

因此，北京大學電子學院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯(lián)合團隊需要解決的問題是，如何在兼容CMOS工藝的情況下，實現(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

研究團隊的目標是利用等離子體色散效應實現(xiàn)100GHz等級的電光帶寬，同時保持尺寸盡可能小。因此，調(diào)制器可以通過使用簡單的OOK編碼來支持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復雜性和成本，通過在未來采用高階調(diào)制格式來為更高的通道速度保留帶寬預算。

研究團隊表示，他們從理論上提出了一種利用光波導中的慢光效應實現(xiàn)工作在1550nm左右電信波長的高速硅調(diào)制器策略，該光波導由一系列級聯(lián)的布拉格光柵組成，在物理上相當于耦合諧振光波導。

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

慢光效應中的“慢”，其實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。脈沖光可以被認為是很多頻率不同的平面波疊加而成，無法用相速度定義，因此需要用到群速度，（通常可以認為能量傳播速度）來定義。所以這里慢光效應的“慢”就是指群速度。

而這次該研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種由級聯(lián)波紋波導誘導的慢光效應，能夠有效地提高調(diào)制效率，同時保持相應速度而不衰減。他們通過綜合平衡包括群指數(shù)、光子壽命、電頻帶寬和損耗等多個因素，利用標準硅光子工藝流程設計并制造了硅調(diào)制器，這款硅調(diào)制器在8英寸的SOI晶片上制造，使用標準90nm光刻SOI工藝，由硅光晶圓代工廠CompoundTek進行代工。

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

與其他類型的諧振調(diào)制器（如微環(huán)/盤調(diào)制器）相比，經(jīng)過優(yōu)化設計的級聯(lián)波紋波導調(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，同時具有更寬的光學帶寬，并且對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)省功耗預算，從而使其在光學神經(jīng)網(wǎng)絡和高度并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢弥邪l(fā)揮作用，以實現(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，去年浙江大學戴道鋅團隊也在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，該團隊實現(xiàn)了首個帶寬超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。

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