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Nanophotonics|硅基光電子技術(shù)在高速通信中應(yīng)用的最新進(jìn)展與未來展望

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發(fā)表于 2024-9-4 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
引言硅基光電子技術(shù)憑借成熟的硅微電子加工基礎(chǔ)設(shè)施,已成為高速通信領(lǐng)域的重要技術(shù)。本文將探討硅基光電子集成芯片關(guān)鍵組件的最新進(jìn)展,重點(diǎn)關(guān)注波導(dǎo)光柵耦合器、光信號處理器和高速調(diào)制器[1]。6 N, |; S; A  I
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波導(dǎo)光柵耦合器波導(dǎo)光柵耦合器(WGC)是硅基光電子技術(shù)中的基礎(chǔ)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(jìn)展。
* Y1 r7 E/ y  }" d& [1 |6 L) D$ O2 s5 U% {" p

5 [6 E* d+ q; ?+ N3 w3 t: l: m- U圖1:優(yōu)化移位圖案覆蓋光柵耦合器的橫截面視圖。
+ m1 j3 C8 R) x圖1展示了使用多晶硅覆蓋層的高效率光柵耦合器設(shè)計。這種方法可實現(xiàn)亞分貝耦合損耗,同時保持與標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和方向性,從而提高耦合效率。
5 t. X3 w8 W, y) \. P5 C& J3 e最近的進(jìn)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(tǒng)設(shè)計(通常約30 nm)有顯著改進(jìn),主要通過使用諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鏡像對稱性實現(xiàn)。2 x, C+ g& g5 n$ l% F7 z

! r2 f  }' F3 ^1 {/ F圖2:寬帶波導(dǎo)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(jié)果。(PDF中的圖7)0 |' }1 c" _* K; n; X
圖2展示了寬帶光柵耦合器的設(shè)計和性能。諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鏡像對稱性顯著擴(kuò)大了帶寬,使這些耦合器適用于粗波分復(fù)用(CWDM)通信。
, |  E3 O$ p/ j7 _! b另一項重要進(jìn)展是多模波導(dǎo)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(fù)用(MDM)通信。4 b. h; q+ i4 L

1 x, q2 _* h2 I) ^, J4 P; d圖3:多模波導(dǎo)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(jié)構(gòu)的有效折射率與上層多晶硅覆蓋層相對下層的移位關(guān)系。(PDF中的圖8)
4 [% p  X3 m% j. q* t圖3所示的MWGC設(shè)計允許多模硅波導(dǎo)與少模光纖之間多個空間模式的高效耦合。這項技術(shù)對于實現(xiàn)未來高容量光通信系統(tǒng)中的模分復(fù)用非常重要。/ |& n+ b% s- ]1 ^
光信號處理器光信號處理器在先進(jìn)的光通信中發(fā)揮重要作用,可在光域中執(zhí)行矩陣運(yùn)算。與傳統(tǒng)的數(shù)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。7 E! }8 R3 x- l9 d& l
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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(diào)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(dǎo)的可調(diào)諧單元。(f, g) 使用(a)-(e)中基本單元的單一變換通用架構(gòu)。(h) 使用多平面光轉(zhuǎn)換的單一變換。$ d7 e0 {5 H9 o
圖4展示了能夠執(zhí)行矩陣變換的各種集成光學(xué)處理器設(shè)計。這包括傳統(tǒng)的馬赫-曾德干涉儀(MZI)設(shè)計,以及使用微環(huán)諧振器和慢光增強(qiáng)周期性雙模波導(dǎo)的替代方法。
, a2 u1 Q6 m' d# \8 Y) c最近在光信號處理器方面的進(jìn)展使多模光場的生成和控制成為可能,這對MDM系統(tǒng)中的模式解擾非常重要。' @" ]& N5 M, u5 E0 w3 [

8 k- x, ?* I* R" n& i圖5:用于模式操控的可編程光電子技術(shù)。(a) 理論示意圖。(b) 用于生成和控制自由空間結(jié)構(gòu)光束的光子處理器。(c) 用于動態(tài)控制多模光纖遠(yuǎn)端模場分布的光子處理器。  t! |% g) w- Y9 a6 J
圖5展示了可編程光子處理器在操控光學(xué)模式方面的多功能性。這些處理器可以生成和控制結(jié)構(gòu)光束,并動態(tài)調(diào)整多模光纖輸出端的模場分布。; `' n2 K7 Z4 i9 e
高速調(diào)制器硅基光電子調(diào)制器是高速光通信的重要組件。最近的發(fā)展將這些調(diào)制器的性能推向了新的極限,使單個通道的數(shù)據(jù)速率超過300 Gb/s。
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8 F9 J, l9 V- c( |  l$ C2 i+ ]圖6:330 Gb/s微環(huán)調(diào)制器(MRM)。(a) 制造的器件,(b) 電光S21,(c) 光學(xué)傳輸,(d) PAM-8誤碼率。# \. a$ A5 T" c8 Z# k
圖6展示了最先進(jìn)的硅微環(huán)調(diào)制器(MRM),能夠使用PAM-8調(diào)制實現(xiàn)高達(dá)330 Gb/s的數(shù)據(jù)速率。MRM的緊湊尺寸和高調(diào)制效率使其非常適合集成到多通道光收發(fā)器中。7 S, f1 j2 I, C$ Q- y, {: v, x
另一種有前途的高速調(diào)制技術(shù)是GeSi電吸收調(diào)制器(EAM)。這些調(diào)制器具有高帶寬、緊湊尺寸和低驅(qū)動電壓的優(yōu)點(diǎn)。( X8 v+ Q. b* {. d

1 M3 {; W. i1 W. R, p/ W- s/ h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。
; {6 \( B5 C0 Q0 m圖7展示使用GeSi-EAM和GeSi-光電二極管技術(shù)的集成收發(fā)器。緊湊設(shè)計實現(xiàn)了高速操作,已證明可在112 Gbaud PAM-4調(diào)制下工作。3 {: c1 E) g  X# A, L( K
結(jié)論硅基光電子技術(shù)的最新進(jìn)展顯著提高了高速光通信關(guān)鍵組件的性能。波導(dǎo)光柵耦合器現(xiàn)在可以實現(xiàn)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(yùn)算和模式解擾,為先進(jìn)調(diào)制格式和模分復(fù)用技術(shù)提供了基礎(chǔ)。基于微環(huán)諧振器和電吸收效應(yīng)的高速調(diào)制器已經(jīng)展示了超過300 Gb/s每通道的數(shù)據(jù)速率。
" t" C( O3 `8 n這些發(fā)展對滿足數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)日益增長的高數(shù)據(jù)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(tǒng)性能方面取得進(jìn)一步的改進(jìn),從而鞏固硅基光電子技術(shù)在下一代光通信系統(tǒng)中的地位。
% S8 F2 Z# m+ O8 l/ C硅基光電子技術(shù)的未來發(fā)展方向可能包括:
  • 進(jìn)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(kuò)展波長范圍,探索中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的應(yīng)用。
  • 改進(jìn)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(gòu),如三維集成和異質(zhì)集成。
  • 探索硅基光電子技術(shù)在量子通信和光計算等新興領(lǐng)域的應(yīng)用。
  • 研究光電共封裝技術(shù),實現(xiàn)更緊密的光電集成。
  • 開發(fā)適用于5G及未來6G網(wǎng)絡(luò)的硅基光電子解決方案。
  • 改進(jìn)設(shè)計工具和仿真軟件,加速硅基光電子器件和系統(tǒng)的開發(fā)周期。[/ol]
    ! u* _1 V2 _, S9 p# C4 g這些進(jìn)展將推動硅基光電子技術(shù)在高速通信、數(shù)據(jù)中心互連、傳感器、光計算和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,為未來的信息技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)大支持。
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    參考文獻(xiàn)[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.# n- T* B) Y2 t9 _; a
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    ) B1 r& a3 ]! y0 q9 `點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請
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    9 P* [" W+ W+ m  ^) @深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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