文/John Wallace

硅光子學(xué)開始于研究實(shí)驗(yàn)室，是使用特制的半導(dǎo)體制備工藝精心制作的小批量器件。當(dāng)然，這就是創(chuàng)新開始的方式。如果最初得到證實(shí)，硅光子學(xué)的下一步就是弄清楚如何更便宜、更容易地制造和使用這些器件。理想情況下，這意味著要從特殊制備工藝過(guò)渡到CMOS兼容（最好是用于計(jì)算機(jī)芯片制造的標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容）制造工藝。在任何研發(fā)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，都是邁向商業(yè)化的重要一步。

除此之外，將電子學(xué)和光子學(xué)器件真正結(jié)合在同一芯片上，在很大程度上還沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但這是人們廣泛期望的目標(biāo)�，F(xiàn)在，來(lái)自英國(guó)南安普頓大學(xué)光電子研究中心（ORC）的研究人員展示了一種全硅光學(xué)發(fā)射器，該發(fā)射器可以在不使用數(shù)字信號(hào)處理的情況下，以100Gbit/s及更高的速率工作，并且是使用標(biāo)準(zhǔn)商用CMOS工藝（TSMC 28nm高介電常數(shù)金屬柵極）制備的。^[1]此外，該器件將光子學(xué)和電子學(xué)器件結(jié)合為單個(gè)集成系統(tǒng)，包括電子CMOS驅(qū)動(dòng)器（見圖1）。

圖1：硅光子光學(xué)調(diào)制器也包含電子CMOS驅(qū)動(dòng)器，該器件以高達(dá)100Gbit/s的速率運(yùn)行。（圖片來(lái)源：ORC）

該光學(xué)調(diào)制器幾乎使當(dāng)前最先進(jìn)器件的最大數(shù)據(jù)速率翻倍。光學(xué)調(diào)制器是服務(wù)于現(xiàn)代信息和通信技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，它在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信鏈路中和微波光子學(xué)和芯片級(jí)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，都發(fā)揮著重要的作用。

電子器件必須堅(jiān)固

研究人員指出，要在芯片上正確組合電子器件和光子學(xué)器件，即使考慮CMOS工藝波動(dòng)引入的不一致性后，無(wú)源電子元件（例如不對(duì)稱變壓器、峰值電感和終端電阻）也必須在超過(guò)70GHz的頻率范圍內(nèi)保持低損耗。

在制成的芯片上，不對(duì)稱變壓器非常小，尺寸為61μm×63μm；CMOS驅(qū)動(dòng)器連接到基于載波耗盡的光學(xué)調(diào)制器的兩端，該調(diào)制器具有U形馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）配置，包含2.47mm長(zhǎng)的移相器部分，設(shè)計(jì)用于工作在1550nm波長(zhǎng)。

在測(cè)試中，將兩個(gè)獨(dú)立的2⁷-1偽隨機(jī)比特序列（PRBS）測(cè)試電信號(hào)饋入一個(gè)多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器在0.5V電壓擺幅下提供高達(dá)112Gbit/s的信號(hào)，并將所得的輸出饋入驅(qū)動(dòng)放大器。調(diào)制器的輸出由摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，并將信號(hào)饋入高速示波器。最終的眼圖（一種表征高速調(diào)制性能的方法）顯示高達(dá)100Gbit/s的良好運(yùn)行，消光比為3dB，功率效率為2.03pJ/bit。

ORC副主任Graham Reed教授說(shuō)：“我們的結(jié)果基于完全集成的電子-光子學(xué)系統(tǒng)，而不是實(shí)驗(yàn)室研究過(guò)的獨(dú)立硅調(diào)制器。迄今為止，在不依靠數(shù)字信號(hào)處理來(lái)恢復(fù)信號(hào)完整性的所有其他工作中，電子和光子學(xué)的集成獲得的系統(tǒng)性能差于單個(gè)組件的性能，從而導(dǎo)致最大數(shù)據(jù)速率約為56Gbit/s。在全世界大多數(shù)研究人員都在努力將系統(tǒng)級(jí)性能提升5％-10％的背景下，我們的研究結(jié)果代表將近100％的提升，因此很高興我們的設(shè)計(jì)理念獲得了成功。這就是為什么我們認(rèn)為這些結(jié)果很重要，因?yàn)樗鼈兛梢愿淖冊(cè)O(shè)計(jì)人員配置未來(lái)數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)的方式。”

研究人員指出，他們的調(diào)制器原型的帶寬性能，已經(jīng)可以與領(lǐng)先的鈮酸鋰調(diào)制器相媲美，而后者的功耗是前者的4倍，并且到目前為止還沒有集成驅(qū)動(dòng)器。

該項(xiàng)ORC研究是在南安普頓大學(xué)的硅光子學(xué)組內(nèi)完成的，是600萬(wàn)英鎊的工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）資助計(jì)劃“未來(lái)系統(tǒng)硅光子學(xué)”的一部分。

參考文獻(xiàn)

1. K. Li et al., Optica (2020); https://doi.org/10.1364/optica.411122.