我科學家研制出全球首個110GHz純硅調制器
來源：光明日報 時間：2023-10-23 09:37
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)合團隊在超高速純硅調制器方面取得創(chuàng)記錄突破，實現(xiàn)了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調制器，是自2004年英特爾在《自然》期刊報道第一個1GHz硅調制器后，國際上首次把純硅調制器帶寬提高到100GHz以上。相關研究成果日前以《110GHz帶寬慢光硅調制器》為題在線發(fā)表于《科學·進展》。
“該純硅調制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(yōu)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(wěn)定性及晶圓級生產(chǎn)等需求，是硅基光電子領域的重大突破，為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應用提供了重要關鍵技術支撐，對于下一代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展意義重大。”王興軍介紹。
“隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術的大規(guī)模應用，全球數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)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(tǒng)的重要發(fā)展趨勢。在硅基光電子芯片系統(tǒng)中，硅基調制器可以實現(xiàn)電信號向光信號的功能轉換，具有低成本、高集成度、CMOS工藝兼容等優(yōu)點，是完成片上信息傳輸與處理的關鍵有源器件?！蓖跖d軍表示，但受限于硅材料本身較慢的載流子輸運速率，純硅調制器帶寬典型值一般為30-40GHz，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(fā)展的瓶頸之一。
在本次工作中，研究團隊針對傳統(tǒng)硅基調制器帶寬受限問題，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制器理論模型，通過合理調控結構參數(shù)以綜合平衡光學與電學指標因素，實現(xiàn)對調制器性能的深度優(yōu)化。
研究團隊基于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并制備了在1550納米左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調制器，實現(xiàn)了110 GHz的超高電光帶寬，突破了迄今為止純硅調制器的帶寬上限，并同時將調制臂尺寸縮短至百微米數(shù)量級，在無需數(shù)字信號處理的情況下，以簡單二進制振幅鍵控調制格式實現(xiàn)了單通道超過110 Gbps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。
“研究團隊在不引入異質材料與復雜工藝的前提下，實現(xiàn)了硅基調制器帶寬性能的飛躍，未來還可實現(xiàn)低成本晶圓級的量產(chǎn)，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。”王興軍說。
責任編輯：吳蘇靈
校對：張棟鈞
