集成电光调制器：光通信和光互连的关键瓶颈器件

  不知道是否有人在关心光电子的读者中做过这样的调查：光通信系统中最关键的光电子器件是什么?假如有，大部分人的回答可能是“半导体激光器”。光电探测器可能会是少数人的答案。至于电光调制器…不一定都听说过。

  实际上，电光调制器是把电子信号加载至光载波上的关键功能器件。对光通信链路、特别是需求高速增长的数据中心互联(Data Centre Interconnect , DCI)链路来说，它的性能不仅决定了发射光信号的码率、质量和传输距离，并且也是光模块尺寸和功耗的决定性因素。因此，电光调制器是高速光通信链路真正的关键瓶颈性器件。

  Advanced Photonics特邀比利时根特大学知名学者Roel Baets率领的硅基光子集成研究团队撰写电光调制器技术综述文章。相关工作以Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies为题发表于 Advanced Photonics 2021年第2期，是关注光通信、光互连技术发展者的必读。

图1 光通信系统使世界互联(图片来自网络)

  电光调制器简史

  在长达30年的时间里，铌酸锂晶体钛扩散波导电光调制器是长距离高数码率光通信系统的不二选择。其基本工作原理是基于铌酸锂(Lithium Niobate)晶体电光效应(Electro-Optic Effect , 又称Pockels效应)，通过施加电场导致折射率变化，进而实现光相位调制。铌酸锂晶体对光通信波段波长完全透明，具有极低的插入损耗。Pockels效应产生纯相位调制而没有寄生振幅调制，且该效应本身几乎没有响应速度限制。其基本性能参数为半波电压-长度积，即获得Π相位调制所需的电压与传播长度之乘积。

  将电光相位调制器置于马赫-曾德干涉器(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)或其他干涉光路中(例如环形谐振腔)，即可构建振幅调制器，并进一步构建复杂的正交相位(IQ)调制器等面向相干光通信的器件。铌酸锂晶体马赫-曾德调制器(MZM)具有优秀的性能，然而其高昂的价格、较大的尺寸和较高的功耗是高密度、短距离的光互连链路不能容忍的。早期的X切铌酸锂晶体电光调制器模块长度达10 cm以上，驱动电压达5-6 V，器件本身(50Ω 特征阻抗匹配)功耗即达～0.5 W，驱动电路模块功耗往往高达数瓦。由于光波与调制电信号的传播速度适配问题，较长的器件长度也不利于提高调制带宽。Z切铌酸锂晶体电光调制器降至CMOS兼容的电压范围(～3 V)，长度降低至5 cm以下，器件本身及驱动电路模块功耗大幅度下降，但对于光互连链路仍然太高。

  因此光互连链路大量采用对激光器驱动电流进行直接调制。直接调制具有简单、低成本的特点，但是信号码率受到激光器调制带宽限制，并且往往伴随显著的寄生频率调制，即所谓“啁啾(Chirp)效应”。随着数据码率的剧增，直接调制已经不能满足信号码率、信号质量和复杂调制格式的要求。

图2 铌酸锂晶体(图片来自网络)

图3 铌酸锂电光调制器(图片来自网络)

  激光器与电致吸收(Electro-absorption)调制器单片集成的外调制激光器(EML)提供了部分解决方案。EA调制器是光强度调制器。其工作原理是半导体材料能带间隙随电场的变化(半导体材料的Franz-Keldish效应或量子阱结构的Quantum Confined Stark Effect, QCSE)导致半导体对光子能量接近但略低于能带间隙的光波长吸收系数变化。EA调制器具有尺寸小、驱动电压低以及可与激光器单片集成的优点，同时也具有插入损耗较高、寄生相位调制即啁啾效应较大、对波长较为敏感和饱和光功率受限的缺点。基于QCSE也可对光子能量低于且较远离能带间隙的光波实现寄生幅度调制较小的相位调制、并进一步构建MZM强度调制器和相干调制器。

  近年来，随着硅基光子(Silicon Photonics, SiPh)集成技术的崛起，基于硅材料的电光调制器作为硅基光子集成芯片的核心部件开始进入光互连链路实用。绝大多数硅基电光调制器都基于自由载流子等离子体效应(Free Carrier Plasma Effect)，即在半导体中注入自由载流子时，半导体折射率将发生变化，因而实现光相位调制。然而自由载流子同时也产生附加的光吸收，因此自由载流子等离子体效应电光相位调制器具有一定程度的寄生振幅调制，不但导致额外插入损耗，在进一步构建MZM强度调制器时并可能影响调制信号的消光比，需要在设计时仔细优化。这一问题也对实现更复杂的高阶、相干调制格式形成了限制。同时，载流子有限的注入和扫出的速度，决定了自由载流子等离子体效应调制器的调制速度或数据码率上限。

  如何避免硅基自由载流子等离子体电光调制器的缺点、进一步提高硅基光子芯片发射光信号的质量、数码率，并实现频谱效率更高的复杂调制格式，是一个主要技术挑战。近年来，多种新型电光材料如聚合物、铁电材料薄膜如铌酸锂、钛酸钡(BTO)、钛锆酸铅(PZT)等薄膜乃至石墨烯等二维材料构建的电光调制器崭露头角。

图4 硅基(a)LiNbO3，(b)BTO，(c)PZT和(d)有机物调制器的代表性截面，

图片来自Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies

  其中，铌酸锂薄膜(Thin Film Lithium Niobate , TFLN)电光调制器得到研究者和产业界重视。铌酸锂材料的高可靠性在现有钛扩散波导铌酸锂晶体调制器近30年的实际应用中得到了证实。相对于钛扩散形成的弱波导，薄膜波导在保持低插入损耗的同时具有较强的光限制，可将光波集中于横截面积约为扩散波导十分之一的脊形波导内，从而大幅度降低半波电压-长度积，降低器件与驱动电路功耗、减小尺寸并有利于进一步提高调制带宽。基于TFLN的电光调制器和其他光子器件连续取得突破性进展，实现了硅基集成，展示了～ 2 V-cm的半波电压-长度积、单波长高达320 Gb/s的数据速率和面向相干光通信的正交相位(IQ)调制，并已经开始商业化进程。

  电光聚合物、BTO、PZT等适于硅基集成的材料具有远高于TFLN的Pockels系数，展示了低于1 V-cm的半波电压-长度积，有可能进一步大幅度提升电光调制器性能。硅基集成石墨烯构建的电光调制器具有电致折射率或电致吸收调制能力，因而可能构建电致吸收强度调制器或相位调制器。石墨烯调制器展示了很低的调制电压-长度积，且由于石墨烯具有很高电子迁移率，其响应速度可以支持很高的调制数码率。基于这些新材料的电光调制器是值得关注的发展方向。

  结语

  电光调制器作为光通信、光互连链路中的关键瓶颈器件，近年来得到越来越多的重视，成为光电集成技术的重要突破点，为光通信、光互连不断提高数据传输速率、拓展传输距离提供关键的支撑。欢迎阅读Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies了解更多电光调制器领域最新进展。