Nanophotonics|硅基光電子技術在高速通信中應用的最新進展與未來展望

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引言硅基光電子技術憑借成熟的硅微電子加工基礎設施，已成為高速通信領域的重要技術。本文將探討硅基光電子集成芯片關鍵組件的最新進展，重點關注波導光柵耦合器、光信號處理器和高速調制器[1]。


波導光柵耦合器波導光柵耦合器（WGC）是硅基光電子技術中的基礎元件，用于光纖和光電子集成芯片之間的接口。最近的研究在耦合效率、帶寬和偏振處理方面取得了顯著進展。
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圖1：優(yōu)化移位圖案覆蓋光柵耦合器的橫截面視圖。
" r) Q+ e1 n. G$ n圖1展示了使用多晶硅覆蓋層的高效率光柵耦合器設計。這種方法可實現亞分貝耦合損耗，同時保持與標準硅基光電子代工工藝的兼容性。多晶硅覆蓋層相對于下層硅光柵的移位位置可以精確控制光柵強度和方向性，從而提高耦合效率。
! d, v/ n; u9 D  n最近的進展還開發(fā)出了1-dB帶寬超過100 nm的寬帶光柵耦合器。這比傳統設計（通常約30 nm）有顯著改進，主要通過使用諧振腔增強結構和鏡像對稱性實現。

圖2：寬帶波導光柵耦合器。（a） 橫截面視圖，（b） 顯微鏡圖像，（c） 寬帶光柵耦合器的模擬和實驗結果。（PDF中的圖7）
3 p  S! D1 I3 G* H, b/ A1 y+ P圖2展示了寬帶光柵耦合器的設計和性能。諧振腔增強結構和鏡像對稱性顯著擴大了帶寬，使這些耦合器適用于粗波分復用（CWDM）通信。
# M/ ^3 ]6 ^% B4 d另一項重要進展是多模波導光柵耦合器（MWGC），能夠在多模光纖中選擇性地激發(fā)不同模式通道，用于模分復用（MDM）通信。
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2 @; A! \, u( ?7 ]圖3：多模波導光柵耦合器（MWGC）。（a） 用于少模光纖的高效MWGC示意圖。（b） 優(yōu)化移位圖案覆蓋MWGC的橫截面視圖。（c） 光柵亞波長結構的有效折射率與上層多晶硅覆蓋層相對下層的移位關系。（PDF中的圖8）
4 H8 n$ @+ H7 J" n& `6 ^' Z* L圖3所示的MWGC設計允許多模硅波導與少模光纖之間多個空間模式的高效耦合。這項技術對于實現未來高容量光通信系統中的模分復用非常重要。
( l; K- J! n, k光信號處理器光信號處理器在先進的光通信中發(fā)揮重要作用，可在光域中執(zhí)行矩陣運算。與傳統的數字信號處理器相比，這些處理器在速度和能效方面具有優(yōu)勢。
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) G/ Z) {2 d; F. a8 w" m8 B圖4：用于矩陣變換的集成處理器。（a） 典型MZI。（b） 具有平衡相移器的MZI。（c） 作為可變分束器的可調諧方向耦合器。（d） 基于微環(huán)諧振器的單元用于單一變換。（e） 使用雙模慢光波導的可調諧單元。（f， g） 使用（a）-（e）中基本單元的單一變換通用架構。（h） 使用多平面光轉換的單一變換。
圖4展示了能夠執(zhí)行矩陣變換的各種集成光學處理器設計。這包括傳統的馬赫-曾德干涉儀（MZI）設計，以及使用微環(huán)諧振器和慢光增強周期性雙模波導的替代方法。
2 Z0 \% _5 i3 c3 f5 t$ k  [最近在光信號處理器方面的進展使多模光場的生成和控制成為可能，這對MDM系統中的模式解擾非常重要。
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圖5：用于模式操控的可編程光電子技術。（a） 理論示意圖。（b） 用于生成和控制自由空間結構光束的光子處理器。（c） 用于動態(tài)控制多模光纖遠端模場分布的光子處理器。
3 F5 c* r6 n* n1 u" X圖5展示了可編程光子處理器在操控光學模式方面的多功能性。這些處理器可以生成和控制結構光束，并動態(tài)調整多模光纖輸出端的模場分布。
高速調制器硅基光電子調制器是高速光通信的重要組件。最近的發(fā)展將這些調制器的性能推向了新的極限，使單個通道的數據速率超過300 Gb/s。
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( M6 ?. f( e- [9 }/ r圖6：330 Gb/s微環(huán)調制器（MRM）。（a） 制造的器件，（b） 電光S21，（c） 光學傳輸，（d） PAM-8誤碼率。
' F6 `; W3 b9 ^0 C7 N' K* C圖6展示了最先進的硅微環(huán)調制器（MRM），能夠使用PAM-8調制實現高達330 Gb/s的數據速率。MRM的緊湊尺寸和高調制效率使其非常適合集成到多通道光收發(fā)器中。
另一種有前途的高速調制技術是GeSi電吸收調制器（EAM）。這些調制器具有高帶寬、緊湊尺寸和低驅動電壓的優(yōu)點。
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* u1 u8 S6 y) U. ?. ?圖7：用于緊湊型硅基光電子收發(fā)器的GeSi-EAM和GeSi-光電二極管。（a） 制造的收發(fā)器，（b） GeSi-EAM的電光S21，（c） GeSi-PD的光電S21。
( j9 C, N' d8 \3 L0 M) Z8 G圖7展示使用GeSi-EAM和GeSi-光電二極管技術的集成收發(fā)器。緊湊設計實現了高速操作，已證明可在112 Gbaud PAM-4調制下工作。
結論硅基光電子技術的最新進展顯著提高了高速光通信關鍵組件的性能。波導光柵耦合器現在可以實現亞分貝耦合損耗、更寬的帶寬，并支持多種模式和偏振。光信號處理器能夠在光域中高效執(zhí)行矩陣運算和模式解擾，為先進調制格式和模分復用技術提供了基礎�；�于微環(huán)諧振器和電吸收效應的高速調制器已經展示了超過300 Gb/s每通道的數據速率。
4 N; b7 l. S6 ~. k! a; |這些發(fā)展對滿足數據中心和電信網絡日益增長的高數據速率需求非常重要。隨著研究的繼續(xù)，我們可以期待在集成密度、能效和整體系統性能方面取得進一步的改進，從而鞏固硅基光電子技術在下一代光通信系統中的地位。
硅基光電子技術的未來發(fā)展方向可能包括：

進一步提高器件的集成度和性能，如開發(fā)更高效的光源和探測器。

擴展波長范圍，探索中紅外和遠紅外波段的應用。

改進制造工藝，提高良品率和一致性，降低成本。

開發(fā)新的光電子集成芯片架構，如三維集成和異質集成。

探索硅基光電子技術在量子通信和光計算等新興領域的應用。

研究光電共封裝技術，實現更緊密的光電集成。

開發(fā)適用于5G及未來6G網絡的硅基光電子解決方案。

改進設計工具和仿真軟件，加速硅基光電子器件和系統的開發(fā)周期。[/ol]
2 f6 h- A( p! c# V這些進展將推動硅基光電子技術在高速通信、數據中心互連、傳感器、光計算和其他領域的廣泛應用，為未來的信息技術發(fā)展提供強大支持。
參考文獻[1]X. Zhou, D. Yi, D. W. U Chan and H. K. Tsang, "Silicon photonics for high-speed communications and photonic signal processing," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 27, pp. 1-14, 2024.

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