北京大學科研團隊研制出全球首個110GHz純硅調制器

  ICC訊 近期，北京大學電子學院王興軍教授、彭超教授、舒浩文研究員聯合團隊在超高速純硅調制器方面取得創記錄突破，實現了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調制器，是2004年Intel在Nature期刊報道第一個1GHz硅調制器后，國際上第一次把純硅調制器的帶寬提高到100GHz以上。該純硅調制器同時具有超高帶寬、超小尺寸、超大通帶及CMOS工藝兼容等優勢，滿足了未來超高速應用場景對超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩定性及晶圓級生產的需求，對于下一代數據中心的發展具有重要意義。10月20日，相關研究成果以《110GHz帶寬慢光硅調制器》(“Slow-light silicon modulator with 110-GHz bandwidth”)為題，在線發表于Science子刊《科學·進展》(Science Advances)。

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  隨著人工智能、大數據、云計算、物聯網等新一代信息技術的大規模應用，全球數據總量呈現指數式增長的發展趨勢，以硅基光電子為代表的光電子集成技術成為光通信系統的重要發展趨勢。在硅基光電子芯片系統中，硅基調制器可實現電信號向光信號的功能轉換，具有低成本、高集成度、CMOS工藝兼容等優點，是完成片上信息傳輸與處理的關鍵有源器件。但是，受限于硅材料本身較慢的載流子輸運速率，純硅調制器帶寬典型值一般為30-40GHz，難以適應未來超過100Gbaud通信速率的需要，因此成為硅基光電子學在高速領域進一步發展的瓶頸之一。

基于慢光效應的硅基調制結構

  在該工作中，研究團隊針對傳統硅基調制器帶寬受限的問題，利用硅基耦合諧振腔光波導結構引入慢光效應，構建了完整的硅基慢光調制器理論模型，通過合理調控結構參數去綜合平衡光學與電學指標因素，實現對調制器性能的深度優化。研究團隊基于CMOS兼容的硅基光電子標準工藝，在純硅材料體系下設計并制備了在1550 nm左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調制器，實現了110 GHz的超高電光帶寬，打破了迄今為止純硅調制器的帶寬上限，并同時將調制臂尺寸縮短至百微米數量級，在無需DSP的情況下以簡單的OOK調制格式實現了單通道超越110 Gbps的高速信號傳輸，降低了算法成本與信號延遲，同時在寬達8 nm的超大光學通帶內保持多波長通信性能的高度均一性。研究團隊在不引入異質材料與復雜工藝的前提下實現了硅基調制器帶寬性能的飛躍，可實現低成本的晶圓級量產，展示了硅基光電子學在下一代超高速應用領域的巨大價值。

超高帶寬硅慢光調制器性能表征

  該論文的共同第一作者為北京大學電子學院2023屆博士畢業生韓昌灝(現為加州大學圣塔芭芭拉分校博士后研究員)和2019級博士研究生鄭昭。北京大學電子學院王興軍教授、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電子學院副研究員白博文、博士后陳睿軒、王非凡、張子璇、博士畢業生金明、陶源盛、博士研究生沈碧濤、王藝蒙、王皓玉、北京信息科技大學副教授秦軍、張江實驗室副研究員楊豐赫。鵬城實驗室余少華院士參與本工作并給予了重要指導。該工作由北京大學電子學院區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室作為第一單位完成。

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