北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研制出全球首個(gè)110GHz純硅調(diào)制器

  ICC訊 近期，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)制器方面取得創(chuàng)記錄突破，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)110GHz的純硅調(diào)制器，是2004年Intel在Nature期刊報(bào)道第一個(gè)1GHz硅調(diào)制器后，國(guó)際上第一次把純硅調(diào)制器的帶寬提高到100GHz以上。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CMOS工藝兼容等優(yōu)勢(shì)，滿足了未來(lái)超高速應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)超高速率、高集成度、多波長(zhǎng)通信、高熱穩(wěn)定性及晶圓級(jí)生產(chǎn)的需求，對(duì)于下一代數(shù)據(jù)中心的發(fā)展具有重要意義。10月20日，相關(guān)研究成果以《110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》(“Slow-light silicon modulator with 110-GHz bandwidth”)為題，在線發(fā)表于Science子刊《科學(xué)·進(jìn)展》(Science Advances)。

文章截圖

  隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)總量呈現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，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(shì)。在硅基光電子芯片系統(tǒng)中，硅基調(diào)制器可實(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。但是，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30-40GHz，難以適應(yīng)未來(lái)超過(guò)100Gbaud通信速率的需要，因此成為硅基光電子學(xué)在高速領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。

基于慢光效應(yīng)的硅基調(diào)制結(jié)構(gòu)

  在該工作中，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)硅基調(diào)制器帶寬受限的問(wèn)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(guò)合理調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)去綜合平衡光學(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 nm左右通信波長(zhǎng)下工作的超高帶寬硅基慢光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了110 GHz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(wú)需DSP的情況下以簡(jiǎn)單的OOK調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)了單通道超越110 Gbps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 nm的超大光學(xué)通帶內(nèi)保持多波長(zhǎng)通信性能的高度均一性。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，可實(shí)現(xiàn)低成本的晶圓級(jí)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。

超高帶寬硅慢光調(diào)制器性能表征

  該論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院2023屆博士畢業(yè)生韓昌灝(現(xiàn)為加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校博士后研究員)和2019級(jí)博士研究生鄭昭。北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、彭超教授和舒浩文研究員為論文的通訊作者。主要合作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院副研究員白博文、博士后陳睿軒、王非凡、張子璇、博士畢業(yè)生金明、陶源盛、博士研究生沈碧濤、王藝蒙、王皓玉、北京信息科技大學(xué)副教授秦軍、張江實(shí)驗(yàn)室副研究員楊豐赫。鵬城實(shí)驗(yàn)室余少華院士參與本工作并給予了重要指導(dǎo)。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為第一單位完成。

  論文原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5339