文/John Wallace

硅光子學開始于研究實驗室，是使用特制的半導體制備工藝精心制作的小批量器件。當然，這就是創(chuàng)新開始的方式。如果最初得到證實，硅光子學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渡到CMOS兼容（最好是用于計算機芯片制造的標準CMOS兼容）制造工藝。在任何研發(fā)項目中實現(xiàn)這一目標，都是邁向商業(yè)化的重要一步。

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

圖1：硅光子光學調制器也包含電子CMOS驅動器，該器件以高達100Gbit/s的速率運行。（圖片來源：ORC）

該光學調制器幾乎使當前最先進器件的最大數(shù)據(jù)速率翻倍。光學調制器是服務于現(xiàn)代信息和通信技術系統(tǒng)的關鍵組件，它在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信鏈路中和微波光子學和芯片級計算網(wǎng)絡中，都發(fā)揮著重要的作用。

電子器件必須堅固

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

在制成的芯片上，不對稱變壓器非常小，尺寸為61μm×63μm；CMOS驅動器連接到基于載波耗盡的光學調制器的兩端，該調制器具有U形馬赫曾德爾調制器（MZM）配置，包含2.47mm長的移相器部分，設計用于工作在1550nm波長。

在測試中，將兩個獨立的2⁷-1偽隨機比特序列（PRBS）測試電信號饋入一個多路復用器，該多路復用器在0.5V電壓擺幅下提供高達112Gbit/s的信號，并將所得的輸出饋入驅動放大器。調制器的輸出由摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，并將信號饋入高速示波器。最終的眼圖（一種表征高速調制性能的方法）顯示高達100Gbit/s的良好運行，消光比為3dB，功率效率為2.03pJ/bit。

ORC副主任Graham Reed教授說：“我們的結果基于完全集成的電子-光子學系統(tǒng)，而不是實驗室研究過的獨立硅調制器。迄今為止，在不依靠數(shù)字信號處理來恢復信號完整性的所有其他工作中，電子和光子學的集成獲得的系統(tǒng)性能差于單個組件的性能，從而導致最大數(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)級性能提升5％-10％的背景下，我們的研究結果代表將近100％的提升，因此很高興我們的設計理念獲得了成功。這就是為什么我們認為這些結果很重要，因為它們可以改變設計人員配置未來數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)的方式。”

研究人員指出，他們的調制器原型的帶寬性能，已經可以與領先的鈮酸鋰調制器相媲美，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動器。

該項ORC研究是在南安普頓大學的硅光子學組內完成的，是600萬英鎊的工程與物理科學研究委員會（EPSRC）資助計劃“未來系統(tǒng)硅光子學”的一部分。

參考文獻

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