硅基調(diào)制器，未來(lái)前景如何
馮杰
2024年12月06日 08:22
王興軍 唐一祎
光明日?qǐng)?bào)（ 2024年11月28日 16版）信息時(shí)代，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能迅猛發(fā)展，全球數(shù)據(jù)總量呈現(xiàn)指數(shù)式增長(zhǎng)。海量數(shù)據(jù)傳輸需要大容量、高速率的傳輸系統(tǒng)，光通信憑借高帶寬、低損耗等優(yōu)勢(shì)，成為通信的主要方式之一。在光通信系統(tǒng)中，硅基調(diào)制器是信息傳輸與處理的關(guān)鍵一環(huán)，是整個(gè)電光信息轉(zhuǎn)換的“心臟”——信息經(jīng)過(guò)這個(gè)樞紐來(lái)去、流轉(zhuǎn)，高效搭上光的“順風(fēng)車(chē)”，奔赴不同目的地。
讓光信號(hào)歡暢“奔跑”
日常生活中很多信息都以電信號(hào)的形式出現(xiàn)。例如，人們發(fā)送的一條簡(jiǎn)訊、對(duì)著話筒說(shuō)出的一句話，又或是電視機(jī)播放的畫(huà)面……最初都是搭載著跳動(dòng)的電流來(lái)傳遞的。但如果想讓光承載信息，再通過(guò)細(xì)細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)的光纖以最快速度傳輸?shù)侥康牡?，就需要將電信?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。若想順利實(shí)現(xiàn)這個(gè)轉(zhuǎn)變，硅基調(diào)制器是關(guān)鍵一環(huán)。
通常來(lái)說(shuō)，傳輸?shù)脑茧娦盘?hào)被稱為調(diào)制信號(hào)。用來(lái)接替電信號(hào)、搭載信息繼續(xù)在光鏈路上前進(jìn)的光被稱為載波，它通常由激光器產(chǎn)生，具有高方向性、高相干性、高能量密度等特點(diǎn)。當(dāng)硅基調(diào)制器將準(zhǔn)備傳輸?shù)男畔⒄{(diào)制到載波上，便實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)變，調(diào)制后攜帶信息的載波被稱為已調(diào)信號(hào)。該信號(hào)一旦形成，便可以歡暢無(wú)礙地“奔跑”在光路上，將信息傳輸?shù)侥康牡亍?/span>
那么，中間這個(gè)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，是如何由硅基調(diào)制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的呢？
為了與現(xiàn)代成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成工藝兼容，制造高集成度、低成本的光芯片，科學(xué)家通常使用硅作為制造調(diào)制器的基底材料。硅基調(diào)制器最常用的一種機(jī)制是硅的載流子色散效應(yīng)——這種效應(yīng)是指對(duì)摻雜硅施加電壓后，硅的載流子濃度會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致折射率發(fā)生變化?；谶@種載流子色散效應(yīng)，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了多種調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，最常用的一種結(jié)構(gòu)是馬赫—曾德?tīng)柛缮嫘凸杌{(diào)制器（MZM）。為了說(shuō)明這種調(diào)制器的工作原理，我們先假設(shè)待傳遞的信息是一串由0和1組成的二進(jìn)制序列，相應(yīng)地，電信號(hào)就是在高電平和低電平之間切換的變化電壓。
馬赫—曾德?tīng)柛缮嫘驼{(diào)制器有兩條同樣長(zhǎng)度的光波導(dǎo)（硅光芯片上讓光通行的鏈路）。將電信號(hào)通過(guò)金屬電極加載到其中一條硅波導(dǎo)（硅材料的光波導(dǎo)）上，其折射率將發(fā)生變化。由于光在介質(zhì)中的傳輸速度為光速除以折射率，那么光在硅波導(dǎo)中的傳播速度也會(huì)隨著折射率的變化而變化，這就實(shí)現(xiàn)了電對(duì)光的控制過(guò)程。將光載波均勻地分成兩束，其中一束光通過(guò)加載了電信號(hào)的硅波導(dǎo)，而另一束光通過(guò)不加電信號(hào)的硅波導(dǎo)，讓這兩束光分別通過(guò)各自的波導(dǎo)后再合到一起。由于兩束光的傳播速度不同，它們合束后，光強(qiáng)大小不再等于分束前的大小。如果選取適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)長(zhǎng)度，使得在電信號(hào)是高電平時(shí)合束后的光信號(hào)強(qiáng)度是0，在電信號(hào)是低電平時(shí)合束后的光信號(hào)強(qiáng)度是1，那么當(dāng)電信號(hào)變化時(shí)，輸出的光信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，要傳輸?shù)男畔⒕蛷碾娦盘?hào)上轉(zhuǎn)移到光信號(hào)上，整個(gè)電光轉(zhuǎn)換過(guò)程完成。
光通信領(lǐng)域不可或缺的核心技術(shù)
硅基調(diào)制器是光通信中信息傳輸與處理的核心器件，是光電子信息系統(tǒng)的關(guān)鍵組分。要認(rèn)識(shí)硅基調(diào)制器的應(yīng)用價(jià)值，可以先從光通信的重要地位講起。
光通信是用光載波進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。從諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、“光纖之父”高錕提出光纖通信以來(lái)，低損耗光纖的發(fā)展和波分復(fù)用技術(shù)的突破，將光通信推到信息通信網(wǎng)絡(luò)中不可替代的重要位置。近些年來(lái)，隨著云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)量持續(xù)大幅增長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)通信鏈路的速率和容量提出了更高要求。全球咨詢機(jī)構(gòu)IDC預(yù)測(cè)，2024年全年生成的數(shù)據(jù)量為159.2ZB（1ZB是十萬(wàn)億億字節(jié)），這個(gè)數(shù)據(jù)量極為驚人。而光通信技術(shù)可以構(gòu)建用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，以滿足持續(xù)增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求。如今，具有高帶寬、大容量、低損耗、低串?dāng)_、低成本等優(yōu)勢(shì)的光通信網(wǎng)絡(luò)，已成為網(wǎng)絡(luò)通信的主要方式。
作為光通信系統(tǒng)重要的組成部分，硅基調(diào)制器具有小尺寸、大通帶、低損耗、低成本等優(yōu)勢(shì)。它的制造工藝與現(xiàn)有的CMOS集成技術(shù)兼容，完善的制造工藝與基礎(chǔ)設(shè)施能夠保證硅基調(diào)制器在硅襯底上實(shí)現(xiàn)高密度集成、晶圓級(jí)大批量生產(chǎn)，不需要重新建立生產(chǎn)線，這大大降低了生產(chǎn)制造的成本。同時(shí)，由于它的制造技術(shù)與微電子芯片類似，容易和微電子器件集成形成尺寸很小的模塊，并組成復(fù)雜的系統(tǒng)。
在光通信系統(tǒng)中，硅基調(diào)制器與發(fā)端的激光器、收端的光電探測(cè)器、驅(qū)動(dòng)端的電學(xué)電路、中間傳輸?shù)墓饫w一起，協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。在長(zhǎng)距離的光纖傳輸通信場(chǎng)景中，比如海底鋪設(shè)光纜的跨洋傳輸、城市與城市以及國(guó)家與國(guó)家之間的跨地區(qū)通信等，硅基調(diào)制器將不同的信號(hào)通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)調(diào)制到不同波長(zhǎng)的載波上，能實(shí)現(xiàn)大容量、高速率的通信；在短距離傳輸系統(tǒng)中，比如數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信、各數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)交換等大吞吐量數(shù)據(jù)通信場(chǎng)景中，硅基調(diào)制器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)在光纖中進(jìn)行高速、低延遲、低損耗的數(shù)據(jù)傳輸。
除了用于光通信系統(tǒng)，硅基調(diào)制器還在其他各種光電子信息系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。
在醫(yī)療領(lǐng)域，硅基調(diào)制器可以用于醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控，憑借其低延遲、低損耗的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)；在音視頻信息領(lǐng)域，硅基調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)、語(yǔ)音信號(hào)的高速傳輸，甚至能在一秒內(nèi)下載幾十部高清電影，極大滿足大眾對(duì)于高速獲取信息的需求；在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳感器采集完數(shù)據(jù)后，硅基調(diào)制器將信息進(jìn)行調(diào)制和傳輸，能實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高效率的實(shí)時(shí)傳感、探測(cè)與控制；在航空航天領(lǐng)域，也需要用到硅基調(diào)制器，借助光纖低損耗、抗腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸與處理……可以說(shuō)，硅基調(diào)制器已經(jīng)廣泛深入各個(gè)領(lǐng)域，承擔(dān)著電光轉(zhuǎn)換的重要任務(wù)，并助力信息處理、傳輸通信。
近年來(lái)，硅基光電子技術(shù)發(fā)展迅猛。其中，硅基調(diào)制器作為核心器件，性能也獲得了飛速提升。
2004年，英特爾公司成功研制出首個(gè)馬赫—曾德?tīng)柛缮嫘凸杌{(diào)制器。該設(shè)備采用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)，電光帶寬達(dá)1GHz。盡管它的調(diào)制效率較低，但這一成果標(biāo)志著硅基光電子技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化階段。該公司又于2007年研發(fā)出高速M(fèi)ZM調(diào)制器，采用了反向偏置載流子耗盡型PN結(jié)結(jié)構(gòu)，并利用行波電極大幅提高帶寬，達(dá)到20GHz，支持30Gbit/s信號(hào)傳輸。同年，IBM公司開(kāi)發(fā)出基于正向偏置PIN結(jié)的調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了更高的調(diào)制效率，但其帶寬不足。
為了簡(jiǎn)化制造工藝并提升性能，2011年，有研究團(tuán)隊(duì)引入橫向PN結(jié)結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化電極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)40Gbit/s信號(hào)傳輸。此后，插指型PN結(jié)的應(yīng)用進(jìn)一步增大光場(chǎng)與耗盡區(qū)的接觸面積，帶來(lái)調(diào)制效率和速率的雙重提升。在2022年的研究中，硅基MZM首次被驗(yàn)證能夠在復(fù)雜的空間輻照環(huán)境中穩(wěn)定工作，為未來(lái)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
隨著帶寬需求的快速增長(zhǎng)，高階信號(hào)調(diào)制技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)串聯(lián)PN結(jié)并采用單驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，研究人員設(shè)計(jì)出可以傳輸50Gbit/s信號(hào)的單驅(qū)動(dòng)MZM，并通過(guò)IQ調(diào)制與偏振復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)112Gbit/s到224Gbit/s的超高速信號(hào)傳輸。這些研究展示了硅基調(diào)制器在未來(lái)數(shù)據(jù)中心與骨干通信網(wǎng)絡(luò)中的巨大潛力。
在對(duì)電光帶寬的追求上，加拿大麥吉爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)創(chuàng)新的分段式電極設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)41GHz到67GHz的帶寬提升，支持高達(dá)360Gbit/s的單波信號(hào)傳輸。與此同時(shí)，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)制造工藝，將硅襯底掏空以降低損耗，成功制備出60GHz帶寬的調(diào)制器，可實(shí)現(xiàn)高效的PAM-4信號(hào)傳輸，支持800Gbit/s光電混合集成發(fā)射機(jī)。
從最初的實(shí)驗(yàn)室研究到如今的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，硅基調(diào)制器已成為光通信領(lǐng)域不可或缺的核心技術(shù)。隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，它將在推動(dòng)全球信息化進(jìn)程中發(fā)揮更大的作用。
未來(lái)的硅基調(diào)制器，速率更高、能耗更低、尺寸更小、成本更低
傳統(tǒng)的光通信系統(tǒng)大多基于分立器件，體積龐大，不利于集成。硅基光電子學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了硅基器件的研究，讓我們能在小小的一塊芯片上，搭載光通信與信息處理系統(tǒng)。然而，作為核心器件的硅基調(diào)制器仍面臨許多研究挑戰(zhàn)，結(jié)構(gòu)、性能有待進(jìn)一步探索、提高。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，硅基調(diào)制器主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
更高的信號(hào)傳輸速率。隨著數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)傳輸鏈路的容量要求也越來(lái)越高。因此，提高硅基調(diào)制器傳輸速率并通過(guò)波分復(fù)用等方式實(shí)現(xiàn)超大數(shù)據(jù)傳輸容量，成為硅基調(diào)制器研究的關(guān)鍵任務(wù)。
更低的能耗。光電子系統(tǒng)的能耗是其在實(shí)際應(yīng)用中的重要指標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化硅基調(diào)制器的設(shè)計(jì)與工藝提高調(diào)制效率、減小信號(hào)傳輸中所需加載的驅(qū)動(dòng)電壓，將有效減少通信過(guò)程中所需的能耗，并更易于和微電子系統(tǒng)集成。
更小型的尺寸。硅基調(diào)制器是硅基光電子系統(tǒng)的重要組成單元，進(jìn)一步縮小硅基調(diào)制器尺寸，能顯著減小芯片上系統(tǒng)的總體尺寸。如果能達(dá)到微電子器件的尺寸量級(jí)，將大幅提高其與超小型微電子器件的尺寸匹配度，有利于實(shí)現(xiàn)高密度光電集成。
面向?qū)嶋H應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化與低成本制造。推動(dòng)硅基調(diào)制器真正邁入實(shí)用化，需要建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化的硅基調(diào)制器產(chǎn)業(yè)鏈條，包括設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)試、封裝等步驟，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本的生產(chǎn)制造。
硅基調(diào)制器具有高速率、低功耗、小尺寸、低成本等優(yōu)勢(shì)，是突破未來(lái)光電子信息系統(tǒng)速率、帶寬、功耗和尺寸等瓶頸的關(guān)鍵功能單元。我們相信，隨著硅基光電子學(xué)與產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，硅基調(diào)制器的性能將會(huì)進(jìn)一步提升，在光通信等信息領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
（作者分別系北京大學(xué)電子學(xué)院副院長(zhǎng)，北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生）