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技术分享 | 硅基电光调制器研究进展

2024-12-25 10:39:53 | 技术支持浏览量：22

技术分享 | 硅基电光调制器研究进展

1 引言

光纤传输技术的诞生和发展带动了电-光信号相互转换的需求，以建立从发射端到接收端的完整链路。其中，调制器肩负了把电信号转换为光信号的关键任务，决定了光信号的质量和链路的传输能力。从早期的体块电光晶体调制器发展到今天片上集成式、微米尺度的调制器，其速度、功耗、体积、成本等各方面的性能都获得了极大的提升。如今，社会和科技的发展仍在持续推动信息技术的进步。特别是近年来人工智能技术的爆发，尤其是大语言模型的训练，对信息互连技术提出了更高的要求。为了传输不断生成的海量训练数据，需要100Tbit/s 到 Pbit/s 量级的超宽带光互连网络。因此，大带宽的光-电转换能力成为不可或缺的硬件技术基座。基于单晶硅材料的电光调制器，自 20世纪 80年代以来，一直是集成光学研究领域中的热点方向，其发展历程比较清晰地呈现出从物理原理、结构设计到工程应用的脉络，同时伴随有各种不同层面的学术创新。硅基电光调制器目前已经在400Gbit/s 以上的高速光模块中得到大规模商用，并且在下一代光互连技术中被寄予厚望。此外，在微波光子、光纤传感等研究领域，硅基电光调制器也开始发挥其紧凑、灵活、低功耗等优势，进一步拓展了硅基光电子技术的应用范围。基于上述背景，本综述将回顾典型的硅基电光调制原理、工作模式和经典的器件结构形式，着重介绍近年来典型的学术创新和应用研究成果，总结发展机遇并分析存在的挑战。

2 硅基电光折射率调制原理

灵活、高效地调控单晶硅材料中的载流子，是微电子技术发展的基石。而光和载流子的相互作用则为硅基光调制带来了机遇。早在 1987 年，Soref 和 Bennett分析了近红外光在单晶硅中的折射率和吸收系数如何随载流子浓度变化而变化，成为日后硅基调制器研究的一个关键基础原理。该效应被称为自由载流子等离子色散（FCPD）效应。折射率、吸收系数变化和电子以及空穴浓度的关系分别为

吸收系数变化和电子以及空穴浓度的关系公式图

式中：e为元电荷；λ为真空波长；c为真空光速；ε0为真空介电常数；n为本征单晶硅折射率；为电子等效质量；为空穴等效质量；μe为电子迁移率；μh为空穴迁移率；ΔNe为电子浓度变化；ΔNh为空穴浓度变化。以1.3μm光波长为例，自由电子（空穴）浓度在10¹⁷~10²⁰cm⁻³之间变化时，折射率变化范围约为1×10⁻⁴~5×10⁻²［图1（a）］。文中指出，折射率调控的响应时间受到载流子寿命的影响：载流子注入形式的响应时间受到少子寿命的限制，一般在ns~μs量级，而载流子耗尽形式的响应时间则可低至ps量级。器件的整体响应速度还与其RC时间常数有关。这一系列结论后来得到了大量硅基电光开关和调制器实验研究的证实。根据Kramers-Kronig关系，硅折射率实部和虚部的变化总是同时发生，因此在FCPD效应中不仅有相位（折射率）调制，还伴随着吸收调制［图1（b）］。这在一定程度上影响了实际应用的效果，但一般能够通过增加移相器长度、降低调制电压等结构优化，在两种调制现象之间取得合理的平衡。

单晶硅在 1. 3 μm 波段的折射率和吸收系数变化随自由电子以及自由空穴浓度的关系图

图 1 单晶硅在 1. 3 μm 波段的折射率和吸收系数变化随自由电子以及自由空穴浓度的关系。（a）折射率；（b）吸收系数

除了 FCPD 效应，硅材料的三阶非线性极化引入的直流克尔（DC Kerr）效应也能被用于电光折射率调制。在一个直流电场和一个射频电场共同作用下，硅材料产生非线性极化响应，随时间变化的折射率函数可表示为

硅材料产生非线性极化响应折射率函数可表示图

式中：χ⁽³⁾为硅的三阶非线性极化张量；n_Si 为硅折射率；F_DC 为直流电场；F_RF为射频电场；Ω 为角频率。由于χ⁽³⁾较小（比如对于［110］晶向，为2. 8×10⁻¹⁹ m²/V²），一般需要较大的 F_DC 来获得足够的调制幅度，如此调制频率倍频项 (3χ⁽³⁾ 4n_Si )F²_RFcos2Ωt的效果相对更弱，可以忽略。因此，在直流电场的协助下，硅折射率仅通过自身的三阶非线性即可随射频调制电场的幅度线性变化，而不需要调控载流子浓度。这对某些调制线性度要求较高或者低温工作的应用场景而言，相比FCPD效应具有明显的优势。

3 硅基电光调制器的工作模式

基于 FCPD 效应的硅基电光调制器，有三种工作模式：载流子注入、载流子耗尽和载流子集聚。下面将分别介绍其工作原理及特性。载流子注入模式基于正偏PIN结构，即移相器波导主体为本征或仅有背景掺杂的硅，两侧分别P型和N型掺杂硅［图 2（a）］，且偏置电压的方向和空穴扩散方向一致，即二极管导通方向。对片上集成硅波导而言，单位电压形成的注入电流可达到mA量级。假设硅波导高度为220nm、长度为1mm，此时1mA电流引入的载流子浓度变化高达3×10²⁵ cm⁻³。因此，注入模式的硅基电光调制器所需要的驱动电压通常小于 1 V，长度一般在百μm量级，可以兼顾调制深度和插入损耗。如前所述，载流子注入模式的响应时间受到载流子寿命的限制，特别是恢复时间主要由载流子弛豫时间（1ns左右）决定，所以调制速率通常只能到Gbit/s量级。通过优化PIN结构、改善RC特性等方式，可以进一步提高调制速率至10Gbit/s。此外，由于硅材料本身具有较大的热光系数（1.8×10⁻⁴K⁻¹@300K），硅波导移相器本身的电功耗转化为欧姆热，将产生不可忽略的折射率变化，对波长敏感的调制应用存在一定负面影响。

四种硅基电光调制工作模式示意图

图 2 四种硅基电光调制工作模式示意图。（a）载流子注入；（b）载流子耗尽；（c）载流子集聚；（d）直流克尔效应

载流子耗尽模式通常基于反偏 PN 结结构，即移相器波导左右分别为 P 型掺杂和 N 型掺杂且两者相互接触，因此在结区会形成载流子的耗尽区［图 2（b）］。当反偏电压加载到 PN 结时耗尽区会增大，此时可通过调制电压改变耗尽区大小，从而调控载流子浓度。由于载流子一直处于反偏电场中，而耗尽区宽度变化范围也仅有百 nm 量级，因此响应时间相比自由弛豫更短。单晶硅中的少子迁移率为10³ cm²/（V·s）量级，假设电场强度为 2×10⁴V/cm（即 1V 反偏电压加载到 500nm 宽度的硅波导上），按照近似的线性移动模型估算，载流子漂移速度为2×10⁷cm/s，可得 200nm 距离的迁移时间仅为 ps 量级。载流子耗尽模式在速度和工艺上的优势使之成为目前商用硅光模块产品中高速硅基调制器的主要选择。因为耗尽区变化范围较小，该模式下的调制效率通常比载流子注入小 1~2 个数量级，在小于 5 V 的射频驱动电压下一般需要 mm 量级长度的移相器才能实现足够的相位/强度调制。

基于载流子集聚模式的硅波导移相器具有硅-介质-硅的电容结构（SISCAP或 MOSCAP）。介质层通常为氧化硅，两侧的掺杂硅构成平板电容的电极［图 2（c）］。加载调制电压时介质-电极界面的载流子浓度会急剧变化（可达10¹⁹ cm^-3），从而形成对输入光的相位/幅度调制。电容值越大，可容纳的电荷就越多，对应更高的调制效率，但 RC响应却越慢，所以载流子集聚模式下的调制效率和带宽之间存在制衡关系。可以通过调节介质厚度、移相器长度、掺杂浓度乃至波导高度优化电容结构的阻值和容值，实现整体性能的均衡。目前载流子集聚模式的调制速率、带宽与载流子耗尽模式下的表现差别很小。但制备过程中为了引入介质层，通常需要沉积非晶硅并退火成多晶硅从而形成一个完整的波导，相比单纯的绝缘体上硅（SOI）工艺更复杂。通过DCKerr效应实现硅基电光调制的关键是提供额外的静电场，使调制电场在其协助下产生光学非线性的折射率变化，因此通常采用反偏PIN结构［图2（d）］。其中本征区（I区）作为接受外加电压形成背景电场的区域。值得注意的是，式（3）显示出的非线性折射率变化有多种来源，实际上可能还有来自FCPD效应的贡献。因此有时候需要通过不同的测试条件来区分不同的效应。

4 典型硅基电光调制器结构

光通信和光互连是目前硅基电光调制器最大的应用场景，因此强度调制成为主要的功能需求。一般采用马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和环形谐振腔两种结构，将硅波导的折射率调制转换为传输光强的调制。前者通过调制两个干涉臂的相位差来调制干涉光强，后者通过调制谐振腔等效光程移动谐振光谱从而改变工作波长的透过率。以下将具体介绍两种结构作为电光调制器时的特性。MZI 具有正弦型的强度-相位关系，所以要通过较长的移相器积累一定的相位变化才能得到足够的调制幅度，并且一般要将起始工作点设置在 1/4 周期（即 π/2 相位差）附近以获得更大的调制效率［图 3（a）］。在实际应用中，可以将 MZI 两个干涉臂设计为等长形式，以降低干涉光强对光波长或温度的敏感性，增加工艺容差和工作可靠性。图 3（b）给出了不同 MZI 初始臂长差（0~200 μm）的透过光谱，可以看出零相位差时（橙色直线）输出强度对波长完全不敏感。为了显示清晰，透过光谱进行了纵向平移。对于金属电极长度与等效微波波长相比拟甚至更长的移相器，高频调制电信号加载到电极上时会出现行波效应。此时电极各处的电压不再一致，而是随着调制信号的传输呈现波动变化，并且受到微波损耗的影响。而光波则是在行进的过程中持续接受电信号的调制。因此，为实现最佳的动态调制效率，需要光和电同步传输［图 3（c）］，使两者在各自的传输结构（硅光波导和行波电极）中具有相同的速度，从而避免在高速工作时调制效率急剧下降。

MZI 调制器工作原理

图 3 MZI 调制器工作原理。（a）MZI 调制器输出强度随相位差变化的关系曲线，以及工作点对调制效率的影响；（b）硅波导 MZI 初始臂长差分别为 0 μm、100 μm、200 μm 时（从上至下）的透过光谱；（c）光、电信号在调制器中非同步（上）和同步（下）传输时的波列示意图

环形谐振腔及其耦合波导通过光的谐振作用形成类似陷波滤波器的特性。当谐振腔光程等于波长整数倍时，环内光会产生谐振，经过耦合波导输出的比例显著减少。因此，利用硅波导的电光调制效应改变环形谐振腔的光程，即可调制谐振位置附近特定波长的光的透过率，形成光强调制的效果。图 4（a）给出了半径为 5 μm 的硅基环形谐振腔的透过谱，可以看到当折射率变化为 10−4 时，1540 nm 波长附近光的透过率有较大的变化。环形谐振腔的谐振峰呈现洛伦兹线形，半峰全宽随着谐振腔的品质因子（Q）的增加而变窄。相比于 MZI 结构，同样的电光折射率变化可以在环形谐振腔中引入更大的调制幅度。但若 Q 值过高，光在谐振腔内长时间环行，则会限制调制速率，而且也更容易受到温度漂移的影响。比如，光在环形谐振腔内的指数衰减时间常数（光子寿命）为:

环形谐振腔调制器工作原理图

图 4 环形谐振腔调制器工作原理。（a）不同折射率变化下硅基环形谐振腔的透过光谱；（b）环形谐振腔内光子寿命和 Q 值的关系

当Q值达到10⁵，对1550nm波长而言，τ约为82ps［图4（b）］，难以实现几十Gbit/s的高速调制。在实际应用中，可使用Q值小于1×10⁴的硅波导环形谐振腔作为高速调制器结构，此时微环直径通常在10μm量级。因此，可以将调制器的尺寸从MZI结构的10⁵μm²量级极大地压缩到微环结构的10²μm²量级，有利于实现大规模电光调制器阵列的高密度集成。而且，由于电极尺寸也随之大幅压缩，电路连接变为集总方式，需要的电压摆幅、功耗也随之减少。但是，环形谐振腔对温度敏感，需要额外的反馈控制来稳定工作温度，抵消了一部分功耗优势，同时完全发挥环形谐振腔调制器的紧凑性还需要定制化的电学驱动方案进行配合。

5 最新研究进展

5.1 高速电光调制器

高速率、小尺寸、低功耗一直是光互连和光通信应用中硅基电光调制器的重要发展目标。相关研究的热度从20世纪90 年代持续至今，并且随着半导体制造技术的进步和普及获得了长足进步。2023年，南安普顿大学 Zhang 等报道了基于载流子集聚效应的 MOS 型微环调制器，3dB电光带宽超过 50GHz，支持单波长NRZ格式100Gbit/s的调制速率［图5（a）］。该工作详细研究了不同偏置条件下微环的传输特性变化，首次展示了利用高浓度的载流子集聚实现显著的折射率-吸收系数共调制，在微环结构中比单纯的折射率调制具有更大的调制幅度。值得说明的是，MOS 型移相器波导中介质层的一侧为额外生长并重结晶的多晶硅，使掺杂后的波导损耗高达38dB/cm。但通过增加微环直径（30μm）减少弯曲损耗，负载Q值仍在3450~4600之间，适用于高速调制的应用场景，同时没有明显增加器件插损。

同年，北京大学 Han 等提出并实现了基于硅波导光栅结构的慢光调制器，带宽高达 110GHz，支持NRZ格式112Gbit/s 的高速调制，且移相器长度仅有124μm［图 5（c）、（d）］。该结构由多个布拉格光栅波导串联组成。通过合理设计光栅的结构参数，使光子晶体波导在 1550nm 附近具有 8nm的光学带宽，群折射率达到 6. 1。因此，光能以更慢的速度在波导中传输，增强了与硅材料以及驱动电信号的相互作用，移相器长度得以从 mm量级缩短至百μm量级，显著减少了电信号的损耗，大幅增加了电学带宽和电光带宽。

高速电光调制器（a）MOS 型硅基微环调制器及其 100 Gbit/s 调制眼图

图 5 高速电光调制器。（a）MOS 型硅基微环调制器及其 100 Gbit/s 调制眼图（图片重印得到文献［39］（Springer Nature）许可）；（b）MOS 型硅基微环调制器电光测试链路的电光（EO）频率响应（图片重印得到文献［39］（Springer Nature）许可）；（c）硅基慢光调制器；（d）硅基慢光调制器的电光频率响应（上）以及 112 Gbit/s 眼图（下）（图（d）~（f）得到文献许可，CC-BY-NC）

另一方面，南安普顿大学Li等报道了CMOS-硅光集成的单波长112Gbaud/s光发射器（图6），112Gbit/s开关键控（OOK）调制格式和224Gbit/s四电平脉冲幅度调制（PAM4）格式的每比特功耗分别仅有0.7pJ和0.855pJ，并且无需在信号输入端进行预加重或者整形。光发射器的驱动芯片采用28nmCMOS工艺制备，以倒装焊的形式集成在U形MZI硅基调制器上方。有别于以往的光电集成硅光发射机，这项研究不再将驱动芯片的输出电压品质作为设计参量，而是将差分电流的信号完整性作为芯片的核心设计目标。当系统建模中的输入参量从电压信号变为电流信号，就可以将负载阻抗、峰化电感以及调制器的移相器视作一个整体进行建模和优化。根据调制器的特性合理设计近端负载阻抗和峰化电感器特征尺寸，能够将发射器的带宽响应优化到目标工作频段，从而最大程度地把驱动能力输送到整个调制器上。电感网络通过经典的螺旋形金属结构（T-coil）实现。在这种设计思想的指导下，基于2. 47mm 移相器长度的驱动-调制器集成发射器实现了 43GHz 的3dB带宽，明显大于同批次2mm传统直条形MZI调制器的31. 5GHz 带宽。该研究将驱动器和调制器的设计思想深度结合，对高速、低功耗集成光收发器件的光电协同设计具有非常重要的启发意义。

实现光电器件单片集成一直是硅基光电子研究的一个重要目标，将微电子和光电子器件无缝衔接，能够完全发挥兼容 CMOS工艺的优势，并且极大地降低封装成本。2015 年，加州大学伯克利分校 Sun 等报道了使用单片集成硅光收发的微处理器，首次演示了处理器和存储器之间的直接光互连。2024 年，中国科学院半导体研究所 Li 等报道了基于45nmCMOS工艺

CMOS-硅光集成的单波长 112 Gbaud/s 光发射器图

图 6 CMOS-硅光集成的单波长 112 Gbaud/s 光发射器。（a）以调制器、电感网络、近端阻抗和远端阻抗作为整体进行协同设计的概念示意图；（b）移相器长度 2. 47 mm 的驱动芯片-调制器集成发射器；（c）集成发射器的电光频率响应（图片重印得到文献许可，CC BY 4. 0）

的硅基单片集成光收发芯片，包含了驱动器、调制器、探测器、跨阻放大器等所有相关的光、电器件［图7（a）］。该芯片使用了 4 个微环调制器，每个微环分别支持 64 Gbit/s 的高速调制［图7（b）］，聚合速率达到256Gbit/s，误码率小于10-12。同年，宾夕法尼亚大学 Omirzakhov 等报道了单片集成的8通道光发射器，单通道无误码速率达到32Gbit/s，每比特功耗低至63fJ。此外，该调制器的微环结构中设置了一段 MOSCAP 型的波导用于波长调谐，其电容特性使得静态维持功耗理论上为 0［图 7（c）］。再结合集成的反馈-锁定电路，波长能够在 10 ms 内迅速锁定到目标位置。通过光电单片集成，将稳定微环调制器工作状态的辅助电路和光器件在同一芯片上进行加工，对大规模微环器件的应用具有重要意义。单片集成技术有望突破目前分离式光电芯片的集成规模、电学寄生效应、功耗和复杂度等固有瓶颈，被认为是未来光互连其中一个重要发展方向。表 1 总结了近年面向高速光互连的硅基电光调制器的典型研究进展。

单片集成光电芯片图

表 1 高速光互连硅基电光调制器典型研究进展

高速光互连硅基电光调制器典型研究进展表图

5.2 高线性度电光调制器

微波光子技术以光为载体进行大带宽微波信号的长距离传输和高速处理。相比于传输数字信号（如比特序列），传输微波光子的模拟信号要求电-光转换器件和整体链路具有更高的信号保真能力。其中电光调制器是把模拟电信号加载到光上的关键器件，更高的电光转换线性度有利于减少信号失真。经典的MZI和环形谐振腔调制器在调制幅度变大的过程逐渐呈现出非线性，一定程度上影响了模拟光信号的质量。根据链路特性在电域对信号进行预处理可以解决非线性失真问题，但是带宽受限，且需要引入额外的硬件、功耗开销，所以需要从源头上采用高线性度的电光转换器件提高信号质量。21世纪初，约翰·霍普金斯大学Xie等提出使用微环辅助的MZI结构实现高线性的调制器方案。将移相器设置在微环中，并调节MZI两臂的相位差，可以获得超过1π的线性转换范围，大幅提升了单纯MZI结构的线性工作范围。2024年，特拉华大学Shawon等基于该结构实现了自动线性化的硅基微环辅助MZI调制器［图8（a）］，在1.1GHz调制频率的无杂散动态范围（SFDR）高达113dB·Hz2/3。研究人员同时还开发了反馈控制模块，通过片上光电探测器读取调制器状态并自动调谐偏置，可以将器件维持在最佳线性工作点。

高线性硅基电光调制器。（a）微环辅助 MZI 调制器及其光电交互结构示意图

图 8 高线性硅基电光调制器。（a）微环辅助 MZI 调制器及其光电交互结构示意图（图片重印得到文献［47］（©2024，IEEE）许可）；（b）基于光栅波导的慢光移相器结构示意图（上）及其模式分布（图片重印得到文献［48］（©2022，Optica Publishing Group）许可）；（c）双臂驱动的超高线性度 MZI 调制方案示意图；（d）双臂驱动方案获得的 SFDR（图（c）、（d）重印得到文献（©2023，OpticaPublishing Group）许可）

除了调制器结构传输特性的影响，采用 FCPD 效应的传统折射率调制原理同样会引起硅基调制器的非线性。相比之下，DC Kerr 效应完全依赖单晶硅的三阶非线性，能够实现折射率调制的高线性度。2022 年，浙江大学信息科学与电子工程学院 Xia 等结合 DC Kerr 效应和光栅波导慢光效应（群折射率为 10），成功获得 0. 85 V·cm 调制效率、115 dB·Hz2/3SFDR（@1 GHz）和 30 GHz 电光带宽的硅基 MZI 调制器［图 8（b）］。该研究特地将 MZI 一臂设计为 PIN 结构、另一臂设计为 PN 结构，分别使用 DC Kerr 和载流子耗尽模式进行调制，系统比较两者的多项性能指标。结果显示，在慢光的作用下，载流子耗尽模式具有更高的调制效率，而 DC Kerr 在带宽和线性度方面的优势较为明显。研究组基于该调制器进一步展示了在 2 km 单模光纤以 PAM4 格式进行 112 Gbit/s 的高速传输，误码率低于 2×10−2，满足 SD-FEC 纠错阈值。次年，该研究机构 Yue 等基于双驱动的 MZI 调制器，通过优化两臂的偏置和射频调制幅度，将 MZI 结构的非线性和硅基移相器的非线性相互抵消，成功获得高达 123. 4 dB·Hz6/7 的 SFDR，为迄今使用硅基电光调制器获得的最高线性度［图 8（c）、（d）］。表 2 总结了近年来高线性度硅基电光调制器的典型研究进展。

5.3超高消光比电光调制器

超高消光比（>30 dB）的光调制在分布式光纤传感、激光雷达等方向有广泛的应用需求。尤其是对相干性有要求的场景，无法使用直接调制激光，一般是通过对低噪声光源进行调制，来产生高消光比的激光脉冲序列。声光调制是实现超高消光比调制的常用手段，可实现 >55 dB 的消光比，但在速率、尺寸和功耗方面存在瓶颈。硅基光电子平台和技术的发展为突破这些瓶颈提供新的思路。

表 2 高线性度硅基电光调制器的典型研究进展

高线性度硅基电光调制器的典型研究进展表图

然而，常用的硅基电光调制器的消光比，特别是在动态调制过程中，通常不超过10dB，需要通过器件创新将该指标大幅提高。2022年，上海交通大学Liu等［55］基于模式复用谐振原理在硅基微环调制器上实现了55dB的静态消光比。该结构通过把部分TE0模式转换为TE1模式［图9（a）］，在微环中实现两套模式的同时谐振以及相互干涉。微调微环的相位即可使两套模式的其中一个谐振波长重合，把初始状态的40dB静态消光比增加到55dB［图9（b）］。研究还展示了50Gbit/s的PAM4格式调制和30Gbit/s的PAM8格式调制［图9（c）］。

超高消光比电光调制器（a）模式复用微环调制器结构示意图

图 9 超高消光比电光调制器。（a）模式复用微环调制器结构示意图；（b）微调微环移相器偏置电压时的透过光谱；（c）微环调制器 40 Gbit/s PAM4（上）、50 Gbit/s PAM4（中）和 30 Gbit/s PAM8（下）眼图（图（a）~（c）得到文献［55］（©2022，Optica Publishing Group）许可）；（d）耦合微环调制器结构示意图；（e）调制器不同波长位置的消光比及其对应的滤波通带；（f）耦合微环调制器应用在分布式光纤传感系统中时，测得准确的振动信号位置及频率（图（d）~（f）得到文献许可，CC BY 4. 0）

2023 年之江实验室 Cheng 等基于耦合微环滤波器结构［图 9（d）］，实现了动态消光比高达 68 dB 的硅基电光调制器［图 9（e）］。该结构的带通滤波光谱呈现出 60 dB 以上的带外抑制比。在微环中引入高效的 PIN 载流子注入型移相器，通过 1 V 左右的低驱动电压即可实现光谱的明显移动，从而达到超高消光比的强度调制。同时器件调制功耗仅有 3. 6 mW，比商用声光调制器低两个数量级。进一步将调制器应用于分布式声波传感系统［图 9（f）］，得到的传感串扰和背景噪声与使用声光调制器的结果非常接近，展现了片上集成的硅基光电子器件在分布式光纤传感领域显著的应用潜力。表 3 总结了近年超高消光比硅基电光调制器的典型研究进展。

6 结束语

硅基电光调制器得益于紧凑、高效、适应晶圆级大规模制备等优势，已经开始广泛应用于高速光互连中。相应的商用光模块生产也进入了产能爬升的阶段，未来有望成为数据互连领域光技术的主流选择。这也是硅基集成光电子，包括高速电光调制器技术发展多年后令人鼓舞的阶段性成果。

表 3 超高消光比硅基电光调制器的典型研究进展

超高消光比硅基电光调制器的典型研究进展表图

另一方面，随着面向人工智能应用的智算中心规模的进一步扩大，总能耗也在不断增加，对电力基础设施提出更严苛的要求。因此，单元器件的能耗、效率将影响大型智算中心的运行效益甚至建设的可行性。目前硅调制器在载流子耗尽和载流子集聚等高速工作模式下，其调制效率仍然比传统的三五族半导体化合物材料（铟磷、铟镓砷等）要低一个数量级，并且和带宽、插损存在相互制约关系。近年来，研究人员针对硅基电光调制器的瓶颈，通过新型的器件结构设计、光电协同优化或单片集成技术，取得了大量突破性的进展，为面向未来的集成光互连技术打下坚实的基础。同时我们也留意到，硅基电光调制基本原理、机制方面的重要创新成果相对较少。在实际应用层面，尽管存在前文所提到的若干限制，硅 FCPD 效应的主导地位仍难以动摇。因此，倘若在调制原理上有所突破，将有机会为整个光互连行业带来显著收益。对此，随着光互连技术需求的快速增长，以及国内外相关技术的发展，硅基-三五族材料异质集成技术一直存在的产率、良率问题可能会在近几年内得到解决，从而将片上集成电光调制器的调制效率提升到新的台阶。尽管异质集成目前在生产成本上难以匹敌纯硅工艺，但在若干特殊场景比如新型片间光互连中有望起到关键作用。

面向微波光子的高线性硅基电光调制器，经过多年的发展取得了长足进步。通过器件结构、调制机制、工作条件等方面的优化，克服MZI传输函数以及FCPD效应的非线性，使 SFDR指标持续提升，逐渐达到实际应用中射频系统对线性度的要求（一般不小于120 dB·Hz2/3）。和其他光电系统类似，微波光子系统同样追求低链路损耗和低功耗，所以更高的调制效率也对链路性能有所裨益。当前高线性硅基电光调制器的大规模应用面临着若干挑战。一是需要控制更多的工作点且精确度要求更高，增加了驱动控制的复杂度，受工作环境变化的影响也较为明显。复杂控制所要求的额外硬件开销，有可能会使光子集成技术在系统应用中的紧凑性优势难以保持。二是微波光子链路中经常需要使用载波抑制的双边带调制工作模式，但目前高线性调制器在线性区工作时仍无法实现载波抑制。再者，硅基电光调制器的高线性工作点不一定和最大带宽工作点重合，实际工作带宽可能会因此受限。推动实际应用还需要在电光调制器线性化原理上取得进一步的突破。

面向分布式光纤传感的硅基超高消光比调制器最近首次报道，为低功耗片上传感系统的发展带来新的机遇。该研究也反映出PIN型调制器的超高效率不得不以ns量级的响应时间为代价，比PN 型的高速调制器慢了一个数量级以上。这个代价在千米量级的长距离光纤传感应用中反而可以接受，因为常见的光时域反射式（OTDR）传感系统一般需要数十到百 ns长的调制光脉冲。而光频域反射式（OFDR）的传感结构需要调制器在MHz到GHz范围内进行扫频调制，结合相应的解调算法即可在数十千米的光纤上获得米级分辨率的应变传感能力，但对消光比的要求只有不到30dB。此时采用经典的硅基PN型高速调制器，相比传统分立式电光调制器（如铌酸锂电光调制器）可获得更高的紧凑性和集成度，调制速率方面也完全满足扫频要求。相应地，OFDR 结构也需要更复杂的调制驱动模块和更高的硬件成本。器件的稳定性对分布式光纤传感非常重要，单晶硅材料较大的热光系数（1. 8×10⁻⁴K⁻¹@300K）可能会导致波长敏感的硅基光子器件（如硅基微环调制器）偏离最佳工作点而使系统性能下降，温度控制策略或绝热器件设计将是未来实际系统应用中必不可少的一部分。

综上所述，硅基电光调制器在高速光通信、光互连应用场景中已经开始发挥重要作用，相关的前沿研究还在各种新技术的加持下继续快速发展。但纯硅FCPD效应的调制效率存在固有限制，和带宽、插损相制衡，有可能要借助异质集成来突破这一瓶颈。面向微波光子的高线性度调制器研究也在持续地进行，性能不断提升，其SFDR已经可以超过120dB·Hz^2/3，基本满足微波射频系统对于线性度的需求，但对大规模应用而言仍需在优化工作点控制、扩展调制工作模式、提高线性区工作带宽等关键瓶颈上取得突破。超高消光比的硅基电光调制器最近首次展示出在分布式声波传感系统中的应用潜力，近期有望通过集成更多光电器件在单个硅光芯片上实现更完整的调制解调功能，为下一代低功耗、高紧凑传感系统的研发提供新的思路。除此之外，硅基电光调制器还在光学相控阵、光计算、中红外气体传感等应用中起到波束扫描、权重加载、信号调制解调等重要作用。根据不同的应用需求持续推进各种高性能片上集成电光调制器的研制，将为相关先进光电系统的发展、迭代和升级提供重要的技术支撑。

[作者] 陈必更，李科，赵奕儒，虞绍良

[来源期刊] 激光与光电子学进展

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