中国科学家研制首个电光带宽达110吉赫兹纯硅调制器

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/10/510697.shtm

近日，北京大学电子学院教授王兴军、彭超与研究员舒浩文联合团队在高带宽纯硅调制器方面取得突破，实现了全球首个电光带宽达110吉赫兹（GHz）的纯硅调制器，国际上首次把纯硅调制器的带宽提高到100GHz以上。相关研究成果10月20日在线发表于《科学·进展》。

  ?

基于慢光效应的硅基调制结构。（课题组供图）

“该硅调制器同时具有超高带宽、超小尺寸、超大通带及CMOS工艺兼容等优势，满足了未来超高速应用场景对超高速率、高集成度、多波长通信、高热稳定性及晶圆级生产的需求，对于下一代数据中心的发展具有重要意义。”论文通讯作者王兴军告诉《中国科学报》。

随着人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的大规模应用，全球数据总量呈现指数式增长的发展趋势，以硅基光电子为代表的光电子集成技术成为光通信系统的重要发展趋势。

在硅基光电子芯片系统中，硅基调制器可实现电信号向光信号的功能转换，具有低成本、高集成度、CMOS工艺兼容等优点，是完成片上信息传输与处理的关键有源器件。

但是，受限于硅材料本身较慢的载流子输运速率，纯硅调制器带宽典型值一般为30-40GHz，最高报道的是70GHz，难以适应未来超过100G波特率通信速率的需要，因此成为硅基光电子学在高速领域进一步发展的瓶颈之一。

在该工作中，研究团队针对传统硅基调制器带宽受限的问题，利用硅基耦合谐振腔光波导结构引入慢光效应，构建了完整的硅基慢光调制器理论模型，通过合理调控结构参数去综合平衡光学与电学指标因素，实现对调制器性能的深度优化。

研究团队基于CMOS兼容的硅基光电子标准工艺，在纯硅材料体系下设计并制备了在1550nm左右通信波长下工作的超高带宽硅基慢光调制器，实现了110GHz的超高电光带宽，打破了迄今为止纯硅调制器的带宽上限，并同时将调制臂尺寸缩短至百微米数量级，在无需DSP的情况下以简单的OOK调制格式实现了单通道超越110Gbps的高速信号传输，降低了算法成本与信号延迟，同时在宽达8nm的超大光学通带内保持多波长通信性能的高度均一性。

研究团队在不引入异质材料与复杂工艺的前提下实现了硅基调制器带宽性能的飞跃，可实现低成本的晶圆级量产，展示了硅基光电子学在下一代超高速应用领域的巨大价值。

该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室等完成。

相关论文信息：