——110 GHz纯硅调制器

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，以硅材料为基础的半导体产业为海量信息处理提供了核心技术支撑。而在后摩尔时代，为应对半导体产业对更高速率和更高集成密度的需求与挑战，以微电子先进成熟的半导体工艺为基础，充分利用光电子超快传输速率的优势，实现片上光互连已成为信息技术发展的必然趋势和业界的普遍共识。硅基光电子技术可基于半导体产业的设备、技术与投资来进行光子集成回路的设计、制造与封装，被认为是实现高速片上光互连，从而实现半导体产业升级的最有潜力的方案。在硅基光电子芯片系统中，硅基电光调制器作为核心半导体器件，可实现电信号向光信号的调制，具有低成本、高集成度、低能耗、CMOS工艺兼容等优点，是完成片上信息传输与处理的关键功能单元。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30-40 GHz，难以适应未来半导体产业对超过100 Gbaud互连速率的需要，因此成为硅基光电子学在高速光互连领域进一步发展的瓶颈之一。

针对以上挑战，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，提出了超高带宽纯硅慢光调制器的设计架构与方法，实现了全球首个电光带宽达110 GHz的纯硅调制器，是2004年Intel在Nature报道第一个1 GHz硅调制器后，国际上第一次把纯硅调制器的带宽提高到100 GHz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，满足了后摩尔时代下片上光互连对超高速率、高集成度、多波长通信、高热稳定性及半导体晶圆级生产的需求，对未来高性能计算与数据中心等领域具有重要意义。2023年10月20日，相关研究成果以《110 GHz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)。

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，以耗尽型半导体PN结调制结构所带来的等离子色散效应为基础，利用硅基耦合谐振腔光波导结构引入慢光效应，增强调制区中光场与材料之间的相互作用，构建了完整的硅基慢光调制器理论基础与设计模型。研究团队通过综合平衡包括群折射率、光子寿命、调制带宽在内的若干因素，展现了调制器的性能指标与结构参数之间的关联，从而合理调控结构参数去综合平衡光学与电学指标，实现对调制器性能的深度优化。

图1. 基于慢光效应的纯硅调制结构。

图2. 超高带宽纯硅慢光调制器设计模型。

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纯硅慢光调制器，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，并同时将半导体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，显著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，利用半导体工艺流程实现了硅基调制器带宽性能的飞跃，充分发挥了硅基光电子学的半导体产业优势，打破了迄今为止纯硅调制器的带宽上限，为使用硅基光电子学实现每通道110 Gbaud以上的数据通信铺平了道路，并可同时实现低成本大批量的晶圆级制造，展示了硅基光电子学在后摩尔时代高速光互连中的巨大价值。

图3. 超高带宽纯硅慢光调制器形貌表征。

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白博文副研究员、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、北京信息科技大学秦军副教授、张江实验室杨丰赫副研究员。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。