文/John Wallace

硅光子学开始于研究实验室，是使用特制的半导体制备工艺精心制作的小批量器件。当然，这就是创新开始的方式。如果最初得到证实，硅光子学的下一步就是弄清楚如何更便宜、更容易地制造和使用这些器件。理想情况下，这意味着要从特殊制备工艺过渡到CMOS兼容（最好是用于计算机芯片制造的标准CMOS兼容）制造工艺。在任何研发项目中实现这一目标，都是迈向商业化的重要一步。

除此之外，将电子学和光子学器件真正结合在同一芯片上，在很大程度上还没有实现商业化，但这是人们广泛期望的目标。现在，来自英国南安普顿大学光电子研究中心（ORC）的研究人员展示了一种全硅光学发射器，该发射器可以在不使用数字信号处理的情况下，以100Gbit/s及更高的速率工作，并且是使用标准商用CMOS工艺（TSMC 28nm高介电常数金属栅极）制备的。^[1]此外，该器件将光子学和电子学器件结合为单个集成系统，包括电子CMOS驱动器（见图1）。

图1：硅光子光学调制器也包含电子CMOS驱动器，该器件以高达100Gbit/s的速率运行。（图片来源：ORC）

该光学调制器几乎使当前最先进器件的最大数据速率翻倍。光学调制器是服务于现代信息和通信技术系统的关键组件，它在传统的数据通信链路中和微波光子学和芯片级计算网络中，都发挥着重要的作用。

电子器件必须坚固

研究人员指出，要在芯片上正确组合电子器件和光子学器件，即使考虑CMOS工艺波动引入的不一致性后，无源电子元件（例如不对称变压器、峰值电感和终端电阻）也必须在超过70GHz的频率范围内保持低损耗。

在制成的芯片上，不对称变压器非常小，尺寸为61μm×63μm；CMOS驱动器连接到基于载波耗尽的光学调制器的两端，该调制器具有U形马赫曾德尔调制器（MZM）配置，包含2.47mm长的移相器部分，设计用于工作在1550nm波长。

在测试中，将两个独立的2⁷-1伪随机比特序列（PRBS）测试电信号馈入一个多路复用器，该多路复用器在0.5V电压摆幅下提供高达112Gbit/s的信号，并将所得的输出馈入驱动放大器。调制器的输出由掺铒光纤放大器（EDFA）放大，并将信号馈入高速示波器。最终的眼图（一种表征高速调制性能的方法）显示高达100Gbit/s的良好运行，消光比为3dB，功率效率为2.03pJ/bit。

ORC副主任Graham Reed教授说：“我们的结果基于完全集成的电子-光子学系统，而不是实验室研究过的独立硅调制器。迄今为止，在不依靠数字信号处理来恢复信号完整性的所有其他工作中，电子和光子学的集成获得的系统性能差于单个组件的性能，从而导致最大数据速率约为56Gbit/s。在全世界大多数研究人员都在努力将系统级性能提升5％-10％的背景下，我们的研究结果代表将近100％的提升，因此很高兴我们的设计理念获得了成功。这就是为什么我们认为这些结果很重要，因为它们可以改变设计人员配置未来数据通信传输系统的方式。”

研究人员指出，他们的调制器原型的带宽性能，已经可以与领先的铌酸锂调制器相媲美，而后者的功耗是前者的4倍，并且到目前为止还没有集成驱动器。

该项ORC研究是在南安普顿大学的硅光子学组内完成的，是600万英镑的工程与物理科学研究委员会（EPSRC）资助计划“未来系统硅光子学”的一部分。

参考文献

1. K. Li et al., Optica (2020); https://doi.org/10.1364/optica.411122.