中国科学家研制出全球首个110GHz纯硅调制器

北京大学电子学院王兴军教授、彭超教授、舒浩文研究员联合团队在超高速纯硅调制器方面取得突破，实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器。这是自2004年英特尔在《自然》期刊报道第一个1GHz硅调制器后，国际上首次把纯硅调制器带宽提高到100GHz以上。日前，相关研究成果以《110GHz带宽慢光硅调制器》为题在线发表于《科学·进展》。

“该纯硅调制器同时具有超高带宽、超小尺寸、超大通带及互补金属氧化物半导体（CMOS）集成工艺兼容等优势，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等需求，是硅基光电子领域的重大突破，为高速、短距离数据中心和光通信的应用提供了重要关键技术支撑，对于下一代数据中心的发展意义重大。”王兴军介绍。

“随着人工智能、大数据、云计算等新一代信息技术的大规模应用，全球数据总量呈指数式增长，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，硅基调制器可以实现电信号向光信号的功能转换，具有低成本、高集成度、CMOS集成工艺兼容等优点，是完成片上信息传输与处理的关键有源器件。”王兴军表示，但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至40GHz，难以适应未来超过100Gbaud通信速率的需要，因而也成为硅基光电子学在高速领域发展的瓶颈之一。

基于慢光效应的硅基调制结构。图自北京大学电子学院网站

在本次工作中，研究团队针对传统硅基调制器带宽受限问题，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以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集成工艺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1550纳米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，在无须数字信号处理的情况下以简单的二进制振幅键控调制格式实现了单通道超过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8纳米的超大光学通带内保持多波长通信性能的高度均一性。

超高带宽硅慢光调制器性能表征。图自北京大学电子学院网站

“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，未来还可实现低成本晶圆级的量产，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。”王兴军说。

（记者 晋浩天）