中國科學家研製出全球首個110GHz純硅調製器

北京大學電子學院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯合團隊在超高速純硅調製器方面取得突破，實現了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調製器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報道第一個1GHz硅調製器後，國際上首次把純硅調製器帶寬提高到100GHz以上。日前，相關研究成果以《110GHz帶寬慢光硅調製器》為題在線發表於《科學·進展》。

“該純硅調製器同時具有超高帶寬、超小尺寸、超大通帶及互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成工藝兼容等優勢，滿足了未來超高速應用場景對超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩定性及晶圓級生產等需求，是硅基光電子領域的重大突破，為高速、短距離數據中心和光通信的應用提供了重要關鍵技術支撐，對於下一代數據中心的發展意義重大。”王興軍介紹。

“隨着人工智能、大數據、雲計算等新一代信息技術的大規模應用，全球數據總量呈指數式增長，以硅基光電子為代表的光電子集成技術成為光通信系統的重要發展趨勢。在硅基光電子芯片系統中，硅基調製器可以實現電信號向光信號的功能轉換，具有低成本、高集成度、CMOS集成工藝兼容等優點，是完成片上信息傳輸與處理的關鍵有源器件。”王興軍表示，但受限於硅材料本身較慢的載流子輸運速率，純硅調製器帶寬典型值一般為30至40GHz，難以適應未來超過100Gbaud通信速率的需要，因而也成為硅基光電子學在高速領域發展的瓶頸之一。

基於慢光效應的硅基調製結構。圖自北京大學電子學院網站

在本次工作中，研究團隊針對傳統硅基調製器帶寬受限問題，利用硅基耦合諧振腔光波導結構引入慢光效應，構建了完整的硅基慢光調製器理論模型，通過合理調控結構參數以綜合平衡光學與電學指標因素，實現對調製器性能的深度優化。研究團隊基於CMOS集成工藝兼容的硅基光電子標準工藝，在純硅材料體系下設計並製備了在1550納米左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調製器，實現了110GHz的超高電光帶寬，打破了迄今為止純硅調製器的帶寬上限，並同時將調製臂尺寸縮短至百微米數量級，在無須數字信號處理的情況下以簡單的二進制振幅鍵控調製格式實現了單通道超過110Gbps的高速信號傳輸，降低了算法成本與信號延遲，同時在寬達8納米的超大光學通帶內保持多波長通信性能的高度均一性。

超高帶寬硅慢光調製器性能表徵。圖自北京大學電子學院網站

“研究團隊在不引入異質材料與複雜工藝的前提下，實現了硅基調製器帶寬性能的飛躍，未來還可實現低成本晶圓級的量產，展示了硅基光電子學在下一代超高速應用領域的巨大價值。”王興軍説。

（記者 晉浩天）