北京大学科研团队研制出全球首个110GHz纯硅调制器

  ICC讯 近期，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创记录突破，实现了全球首个电光带宽达110GHz的纯硅调制器，是2004年Intel在Nature期刊报道第一个1GHz硅调制器后，国际上第一次把纯硅调制器的带宽提高到100GHz以上。该纯硅调制器同时具有超高带宽、超小尺寸、超大通带及CMOS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的需求，对于下一代数据中心的发展具有重要意义。10月20日，相关研究成果以《110GHz带宽慢光硅调制器》(“Slow-light silicon modulator with 110-GHz bandwidth”)为题，在线发表于Science子刊《科学·进展》(Science Advances)。

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  随着人工智能、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术的大规模应用，全球数据总量呈现指数式增长的发展趋势，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，硅基调制器可实现电信号向光信号的功能转换，具有低成本、高集成度、CMOS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。但是，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30-40GHz，难以适应未来超过100Gbaud通信速率的需要，因此成为硅基光电子学在高速领域进一步发展的瓶颈之一。

基于慢光效应的硅基调制结构

  在该工作中，研究团队针对传统硅基调制器带宽受限的问题，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去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 nm左右通信波长下工作的超高带宽硅基慢光调制器，实现了110 GHz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，在无需DSP的情况下以简单的OOK调制格式实现了单通道超越110 Gbps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 nm的超大光学通带内保持多波长通信性能的高度均一性。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，可实现低成本的晶圆级量产，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。

超高带宽硅慢光调制器性能表征

  该论文的共同第一作者为北京大学电子学院2023届博士毕业生韩昌灏(现为加州大学圣塔芭芭拉分校博士后研究员)和2019级博士研究生郑昭。北京大学电子学院王兴军教授、彭超教授和舒浩文研究员为论文的通讯作者。主要合作者还包括北京大学电子学院副研究员白博文、博士后陈睿轩、王非凡、张子璇、博士毕业生金明、陶源盛、博士研究生沈碧涛、王艺蒙、王皓玉、北京信息科技大学副教授秦军、张江实验室副研究员杨丰赫。鹏城实验室余少华院士参与本工作并给予了重要指导。该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室作为第一单位完成。

  论文原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi5339