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硅基調(diào)制器，未來前景如何
2024/11/28 17:11 來源：光明網(wǎng) 閱讀：1.4萬
信息時代,，云計算,、大數(shù)據(jù)、人工智能迅猛發(fā)展,，全球數(shù)據(jù)總量呈現(xiàn)指數(shù)式增長,。海量數(shù)據(jù)傳輸需要大容量、高速率的傳輸系統(tǒng),，光通信憑借高帶寬,、低損耗等優(yōu)勢，成為通信的主要方式之一,。在光通信系統(tǒng)中,，硅基調(diào)制器是信息傳輸與處理的關鍵一環(huán)，是整個電光信息轉(zhuǎn)換的“心臟”——信息經(jīng)過這個樞紐來去,、流轉(zhuǎn),，高效搭上光的“順風車”，奔赴不同目的地,。
讓光信號歡暢“奔跑”
日常生活中很多信息都以電信號的形式出現(xiàn),。例如，人們發(fā)送的一條簡訊,、對著話筒說出的一句話,，又或是電視機播放的畫面……最初都是搭載著跳動的電流來傳遞的。但如果想讓光承載信息,，再通過細細長長的光纖以最快速度傳輸?shù)侥康牡兀托枰獙㈦娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?。若想順利實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)變,，硅基調(diào)制器是關鍵一環(huán)。
通常來說,，傳輸?shù)脑茧娦盘柋环Q為調(diào)制信號,。用來接替電信號、搭載信息繼續(xù)在光鏈路上前進的光被稱為載波,，它通常由激光器產(chǎn)生,，具有高方向性、高相干性,、高能量密度等特點,。當硅基調(diào)制器將準備傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到載波上,，便實現(xiàn)了電信號到光信號的轉(zhuǎn)變，調(diào)制后攜帶信息的載波被稱為已調(diào)信號,。該信號一旦形成,，便可以歡暢無礙地“奔跑”在光路上，將信息傳輸?shù)侥康牡亍?/span>
那么,，中間這個轉(zhuǎn)變的過程,，是如何由硅基調(diào)制器來實現(xiàn)的呢？
為了與現(xiàn)代成熟的互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成工藝兼容,，制造高集成度,、低成本的光芯片，科學家通常使用硅作為制造調(diào)制器的基底材料,。硅基調(diào)制器最常用的一種機制是硅的載流子色散效應——這種效應是指對摻雜硅施加電壓后,，硅的載流子濃度會發(fā)生變化，從而導致折射率發(fā)生變化,?；谶@種載流子色散效應，科學家們設計出了多種調(diào)制器的結構,，最常用的一種結構是馬赫—曾德爾干涉型硅基調(diào)制器（MZM）,。為了說明這種調(diào)制器的工作原理，我們先假設待傳遞的信息是一串由0和1組成的二進制序列,，相應地,，電信號就是在高電平和低電平之間切換的變化電壓。
馬赫—曾德爾干涉型調(diào)制器有兩條同樣長度的光波導（硅光芯片上讓光通行的鏈路）,。將電信號通過金屬電極加載到其中一條硅波導（硅材料的光波導）上,，其折射率將發(fā)生變化。由于光在介質(zhì)中的傳輸速度為光速除以折射率,，那么光在硅波導中的傳播速度也會隨著折射率的變化而變化,，這就實現(xiàn)了電對光的控制過程。將光載波均勻地分成兩束,，其中一束光通過加載了電信號的硅波導,，而另一束光通過不加電信號的硅波導，讓這兩束光分別通過各自的波導后再合到一起,。由于兩束光的傳播速度不同,，它們合束后，光強大小不再等于分束前的大小,。如果選取適當?shù)牟▽чL度,，使得在電信號是高電平時合束后的光信號強度是0，在電信號是低電平時合束后的光信號強度是1，那么當電信號變化時,，輸出的光信號強度也會發(fā)生相應的變化,，要傳輸?shù)男畔⒕蛷碾娦盘柹限D(zhuǎn)移到光信號上，整個電光轉(zhuǎn)換過程完成,。
光通信領域不可或缺的核心技術
硅基調(diào)制器是光通信中信息傳輸與處理的核心器件,，是光電子信息系統(tǒng)的關鍵組分。要認識硅基調(diào)制器的應用價值,，可以先從光通信的重要地位講起,。
光通信是用光載波進行信息傳輸?shù)募夹g。從諾貝爾物理學獎得主,、“光纖之父”高錕提出光纖通信以來,，低損耗光纖的發(fā)展和波分復用技術的突破，將光通信推到信息通信網(wǎng)絡中不可替代的重要位置,。近些年來,，隨著云計算、人工智能,、大數(shù)據(jù),、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術的大規(guī)模應用,，全球數(shù)據(jù)量持續(xù)大幅增長,，對數(shù)據(jù)通信鏈路的速率和容量提出了更高要求。全球咨詢機構IDC預測,，2024年全年生成的數(shù)據(jù)量為159.2ZB（1ZB是十萬億億字節(jié)）,，這個數(shù)據(jù)量極為驚人。而光通信技術可以構建用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ啪W(wǎng)絡,，以滿足持續(xù)增長的數(shù)據(jù)需求,。如今，具有高帶寬,、大容量,、低損耗、低串擾,、低成本等優(yōu)勢的光通信網(wǎng)絡,，已成為網(wǎng)絡通信的主要方式。
作為光通信系統(tǒng)重要的組成部分,，硅基調(diào)制器具有小尺寸、大通帶,、低損耗,、低成本等優(yōu)勢。它的制造工藝與現(xiàn)有的CMOS集成技術兼容,，完善的制造工藝與基礎設施能夠保證硅基調(diào)制器在硅襯底上實現(xiàn)高密度集成,、晶圓級大批量生產(chǎn),，不需要重新建立生產(chǎn)線，這大大降低了生產(chǎn)制造的成本,。同時,，由于它的制造技術與微電子芯片類似，容易和微電子器件集成形成尺寸很小的模塊,，并組成復雜的系統(tǒng),。
在光通信系統(tǒng)中，硅基調(diào)制器與發(fā)端的激光器,、收端的光電探測器,、驅(qū)動端的電學電路、中間傳輸?shù)墓饫w一起,，協(xié)同工作實現(xiàn)信號傳輸,。在長距離的光纖傳輸通信場景中，比如海底鋪設光纜的跨洋傳輸,、城市與城市以及國家與國家之間的跨地區(qū)通信等,，硅基調(diào)制器將不同的信號通過波分復用技術調(diào)制到不同波長的載波上，能實現(xiàn)大容量,、高速率的通信,；在短距離傳輸系統(tǒng)中，比如數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信,、各數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換等大吞吐量數(shù)據(jù)通信場景中,，硅基調(diào)制器對信號進行高速調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號在光纖中進行高速,、低延遲,、低損耗的數(shù)據(jù)傳輸。
除了用于光通信系統(tǒng),，硅基調(diào)制器還在其他各種光電子信息系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,。
在醫(yī)療領域，硅基調(diào)制器可以用于醫(yī)療設備監(jiān)控,，憑借其低延遲,、低損耗的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效率,、高質(zhì)量的醫(yī)療服務,；在音視頻信息領域，硅基調(diào)制器可以實現(xiàn)視頻信號,、語音信號的高速傳輸,，甚至能在一秒內(nèi)下載幾十部高清電影，極大滿足大眾對于高速獲取信息的需求；在工業(yè)控制領域,，傳感器采集完數(shù)據(jù)后,，硅基調(diào)制器將信息進行調(diào)制和傳輸，能實現(xiàn)高靈敏度,、高效率的實時傳感,、探測與控制；在航空航天領域,，也需要用到硅基調(diào)制器,，借助光纖低損耗、抗腐蝕,、抗電磁干擾的優(yōu)勢,，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸與處理……可以說，硅基調(diào)制器已經(jīng)廣泛深入各個領域,，承擔著電光轉(zhuǎn)換的重要任務,，并助力信息處理、傳輸通信,。
近年來,，硅基光電子技術發(fā)展迅猛。其中,，硅基調(diào)制器作為核心器件,，性能也獲得了飛速提升。
2004年,，英特爾公司成功研制出首個馬赫—曾德爾干涉型硅基調(diào)制器,。該設備采用金屬氧化物半導體（MOS）結構，電光帶寬達1GHz,。盡管它的調(diào)制效率較低,，但這一成果標志著硅基光電子技術進入實用化階段。該公司又于2007年研發(fā)出高速MZM調(diào)制器,，采用了反向偏置載流子耗盡型PN結結構,，并利用行波電極大幅提高帶寬，達到20GHz,，支持30Gbit/s信號傳輸,。同年，IBM公司開發(fā)出基于正向偏置PIN結的調(diào)制器,，實現(xiàn)了更高的調(diào)制效率,，但其帶寬不足。
為了簡化制造工藝并提升性能,，2011年,，有研究團隊引入橫向PN結結構,，通過優(yōu)化電極設計實現(xiàn)40Gbit/s信號傳輸。此后,，插指型PN結的應用進一步增大光場與耗盡區(qū)的接觸面積，帶來調(diào)制效率和速率的雙重提升,。在2022年的研究中,，硅基MZM首次被驗證能夠在復雜的空間輻照環(huán)境中穩(wěn)定工作，為未來在航空航天領域的應用奠定了基礎,。
隨著帶寬需求的快速增長,，高階信號調(diào)制技術逐漸成為研究熱點。通過串聯(lián)PN結并采用單驅(qū)動結構,，研究人員設計出可以傳輸50Gbit/s信號的單驅(qū)動MZM,，并通過IQ調(diào)制與偏振復用技術，實現(xiàn)112Gbit/s到224Gbit/s的超高速信號傳輸,。這些研究展示了硅基調(diào)制器在未來數(shù)據(jù)中心與骨干通信網(wǎng)絡中的巨大潛力,。
在對電光帶寬的追求上，加拿大麥吉爾大學團隊通過創(chuàng)新的分段式電極設計,，實現(xiàn)41GHz到67GHz的帶寬提升,，支持高達360Gbit/s的單波信號傳輸。與此同時,，國家信息光電子創(chuàng)新中心研究團隊通過改進制造工藝,，將硅襯底掏空以降低損耗，成功制備出60GHz帶寬的調(diào)制器,，可實現(xiàn)高效的PAM-4信號傳輸,，支持800Gbit/s光電混合集成發(fā)射機。
從最初的實驗室研究到如今的產(chǎn)業(yè)應用,，硅基調(diào)制器已成為光通信領域不可或缺的核心技術,。隨著技術的持續(xù)進步，它將在推動全球信息化進程中發(fā)揮更大的作用,。
未來的硅基調(diào)制器,，速率更高、能耗更低,、尺寸更小,、成本更低
傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)大多基于分立器件，體積龐大,，不利于集成,。硅基光電子學的發(fā)展，推動了硅基器件的研究,，讓我們能在小小的一塊芯片上,，搭載光通信與信息處理系統(tǒng),。然而，作為核心器件的硅基調(diào)制器仍面臨許多研究挑戰(zhàn),，結構,、性能有待進一步探索、提高,。
簡單來說,，硅基調(diào)制器主要有以下幾個發(fā)展趨勢：
更高的信號傳輸速率。隨著數(shù)據(jù)量爆炸式增長,，對傳輸鏈路的容量要求也越來越高,。因此，提高硅基調(diào)制器傳輸速率并通過波分復用等方式實現(xiàn)超大數(shù)據(jù)傳輸容量,，成為硅基調(diào)制器研究的關鍵任務,。
更低的能耗。光電子系統(tǒng)的能耗是其在實際應用中的重要指標,，通過優(yōu)化硅基調(diào)制器的設計與工藝提高調(diào)制效率,、減小信號傳輸中所需加載的驅(qū)動電壓，將有效減少通信過程中所需的能耗,，并更易于和微電子系統(tǒng)集成,。
更小型的尺寸。硅基調(diào)制器是硅基光電子系統(tǒng)的重要組成單元,，進一步縮小硅基調(diào)制器尺寸,，能顯著減小芯片上系統(tǒng)的總體尺寸。如果能達到微電子器件的尺寸量級,，將大幅提高其與超小型微電子器件的尺寸匹配度,，有利于實現(xiàn)高密度光電集成。
面向?qū)嶋H應用的產(chǎn)業(yè)化與低成本制造,。推動硅基調(diào)制器真正邁入實用化,，需要建設標準化的硅基調(diào)制器產(chǎn)業(yè)鏈條，包括設計,、工藝,、測試、封裝等步驟,，以實現(xiàn)大規(guī)模,、低成本的生產(chǎn)制造。
硅基調(diào)制器具有高速率,、低功耗,、小尺寸、低成本等優(yōu)勢,，是突破未來光電子信息系統(tǒng)速率,、帶寬,、功耗和尺寸等瓶頸的關鍵功能單元。我們相信,，隨著硅基光電子學與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，硅基調(diào)制器的性能將會進一步提升，在光通信等信息領域發(fā)揮越來越重要的作用,。（王興軍 唐一祎 分別系北京大學電子學院副院長,，北京大學電子學院博士研究生）