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)在超高速純硅調(diào)制器方面取得突破，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)110GHz的純硅調(diào)制器。這是自2004年英特爾在《自然》期刊報(bào)道第一個(gè)1GHz硅調(diào)制器后，國際上首次把純硅調(diào)制器帶寬提高到100GHz以上。日前，相關(guān)研究成果以《110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》為題在線發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》。

“該純硅調(diào)制器同時(shí)具有超高帶寬、超小尺寸、超大通帶及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成工藝兼容等優(yōu)勢，滿足了未來超高速應(yīng)用場景對(duì)超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩(wěn)定性及晶圓級(jí)生產(chǎn)等需求，是硅基光電子領(lǐng)域的重大突破，為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應(yīng)用提供了重要關(guān)鍵技術(shù)支撐，對(duì)于下一代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展意義重大?！蓖跖d軍介紹。

“隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)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(shù)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(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)向光信號(hào)的功能轉(zhuǎn)換，具有低成本、高集成度、CMOS集成工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是完成片上信息傳輸與處理的關(guān)鍵有源器件。”王興軍表示，但受限于硅材料本身較慢的載流子輸運(yùn)速率，純硅調(diào)制器帶寬典型值一般為30至40GHz，難以適應(yīng)未來超過100Gbaud通信速率的需要，因而也成為硅基光電子學(xué)在高速領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸之一。

基于慢光效應(yīng)的硅基調(diào)制結(jié)構(gòu)。圖自北京大學(xué)電子學(xué)院網(wǎng)站

在本次工作中，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)硅基調(diào)制器帶寬受限問題，利用硅基耦合諧振腔光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引入慢光效應(yīng)，構(gòu)建了完整的硅基慢光調(diào)制器理論模型，通過合理調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)以綜合平衡光學(xué)與電學(xué)指標(biāo)因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制器性能的深度優(yōu)化。研究團(tuán)隊(duì)基于CMOS集成工藝兼容的硅基光電子標(biāo)準(zhǔn)工藝，在純硅材料體系下設(shè)計(jì)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(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了110GHz的超高電光帶寬，打破了迄今為止純硅調(diào)制器的帶寬上限，并同時(shí)將調(diào)制臂尺寸縮短至百微米數(shù)量級(jí)，在無須數(shù)字信號(hào)處理的情況下以簡單的二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)了單通道超過110Gbps的高速信號(hào)傳輸，降低了算法成本與信號(hào)延遲，同時(shí)在寬達(dá)8納米的超大光學(xué)通帶內(nèi)保持多波長通信性能的高度均一性。

超高帶寬硅慢光調(diào)制器性能表征。圖自北京大學(xué)電子學(xué)院網(wǎng)站

“研究團(tuán)隊(duì)在不引入異質(zhì)材料與復(fù)雜工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)了硅基調(diào)制器帶寬性能的飛躍，未來還可實(shí)現(xiàn)低成本晶圓級(jí)的量產(chǎn)，展示了硅基光電子學(xué)在下一代超高速應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價(jià)值?！蓖跖d軍說。

（記者 晉浩天）