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硅基調(diào)制器，未來前景如何

馮杰

2024年12月06日 08:22

王興軍 唐一祎

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(guān)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?，就需要將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘枴Ｈ粝腠樌麑崿F(xiàn)這個轉(zhuǎn)變，硅基調(diào)制器是關(guān)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(dǎo)體（CMOS）集成工藝兼容，制造高集成度、低成本的光芯片，科學(xué)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(yīng)——這種效應(yīng)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(dǎo)致折射率發(fā)生變化?；谶@種載流子色散效應(yīng)，科學(xué)家們設(shè)計出了多種調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，最常用的一種結(jié)構(gòu)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(shè)待傳遞的信息是一串由0和1組成的二進制序列，相應(yīng)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(dǎo)（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(dǎo)（硅材料的光波導(dǎo)）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(dǎo)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(dǎo)，而另一束光通過不加電信號的硅波導(dǎo)，讓這兩束光分別通過各自的波導(dǎo)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▽?dǎo)長度，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(yīng)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(lǐng)域不可或缺的核心技術(shù)

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(guān)鍵組分。要認識硅基調(diào)制器的應(yīng)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(shù)。從諾貝爾物理學(xué)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(fù)用技術(shù)的突破，將光通信推到信息通信網(wǎng)絡(luò)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(shù)的大規(guī)模應(yīng)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(gòu)IDC預(yù)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(shù)可以構(gòu)建用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，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(luò)，已成為網(wǎng)絡(luò)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(shù)兼容，完善的制造工藝與基礎(chǔ)設(shè)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(shù)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(fù)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(xué)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(shè)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(fù)用技術(shù)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(lǐng)域，硅基調(diào)制器可以用于醫(yī)療設(shè)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(wù)；在音視頻信息領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)域，承擔著電光轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)，并助力信息處理、傳輸通信。

近年來，硅基光電子技術(shù)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(shè)備采用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)，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(shù)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(jié)結(jié)構(gòu)，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(jié)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(jié)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化電極設(shè)計實現(xiàn)40Gbit/s信號傳輸。此后，插指型PN結(jié)的應(yīng)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(fù)雜的空間輻照環(huán)境中穩(wěn)定工作，為未來在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

隨著帶寬需求的快速增長，高階信號調(diào)制技術(shù)逐漸成為研究熱點。通過串聯(lián)PN結(jié)并采用單驅(qū)動結(jié)構(gòu)，研究人員設(shè)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(fù)用技術(shù)，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(luò)中的巨大潛力。

在對電光帶寬的追求上，加拿大麥吉爾大學(xué)團隊通過創(chuàng)新的分段式電極設(shè)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(yīng)用，硅基調(diào)制器已成為光通信領(lǐng)域不可或缺的核心技術(shù)。隨著技術(shù)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(xué)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(jié)構(gòu)、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(fù)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(guān)鍵任務(wù)。

更低的能耗。光電子系統(tǒng)的能耗是其在實際應(yīng)用中的重要指標，通過優(yōu)化硅基調(diào)制器的設(shè)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(yīng)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(shè)標準化的硅基調(diào)制器產(chǎn)業(yè)鏈條，包括設(shè)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(guān)鍵功能單元。我們相信，隨著硅基光電子學(xué)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(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

（作者分別系北京大學(xué)電子學(xué)院副院長，北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生）