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

逍遙設(shè)計自動化

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]。


. S" R- r0 E' v/ @3 v! l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。
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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)。

! 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）
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。

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。
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。

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。
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。

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。
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。
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。
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。
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)。

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。
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。
6 A) \* S8 n1 P6 A0 P" [) |/ {9 f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.

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