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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(lái)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(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g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(hào)處理器和高速調(diào)制器[1]。
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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。
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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。4 `- ]. V5 H( b! ~& i
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(jì)。這種方法可實(shí)現(xiàn)亞分貝耦合損耗,同時(shí)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(duì)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。8 G4 j6 j. c2 G6 W# A, x$ W
最近的進(jìn)展還開(kāi)發(fā)出了1-dB帶寬超過(guò)100 nm的寬帶光柵耦合器。這比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)(通常約30 nm)有顯著改進(jìn),主要通過(guò)使用諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鏡像對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)。
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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(shí)驗(yàn)結(jié)果。(PDF中的圖7)  Y" C( a! b" a$ Q
圖2展示了寬帶光柵耦合器的設(shè)計(jì)和性能。諧振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和鏡像對(duì)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。
* |1 D! r0 `7 s  a$ o& e7 P6 w: U4 m另一項(xiàng)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。+ }; q' {& ]# B; [' y3 e

4 w; z7 W% Z# C8 R0 L" Y* Y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(zhǎng)結(jié)構(gòu)的有效折射率與上層多晶硅覆蓋層相對(duì)下層的移位關(guān)系。(PDF中的圖8)
; ^6 ]( [$ g' a0 m圖3所示的MWGC設(shè)計(jì)允許多模硅波導(dǎo)與少模光纖之間多個(gè)空間模式的高效耦合。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)未來(lái)高容量光通信系統(tǒng)中的模分復(fù)用非常重要。
+ c( I: @* N4 o/ _( Z) c0 ]$ ~光信號(hào)處理器光信號(hào)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(hào)處理器相比,這些處理器在速度和能效方面具有優(yōu)勢(shì)。
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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。
! |3 U7 v# m% B5 R4 W, 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(jì)。這包括傳統(tǒng)的馬赫-曾德干涉儀(MZI)設(shè)計(jì),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。/ S6 V( \2 U0 |6 A: e6 d
最近在光信號(hào)處理器方面的進(jìn)展使多模光場(chǎng)的生成和控制成為可能,這對(duì)MDM系統(tǒng)中的模式解擾非常重要。
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1 F- B4 t* y  u* U. T* 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(dòng)態(tài)控制多模光纖遠(yuǎn)端模場(chǎng)分布的光子處理器。
6 n8 J) ]# l* ?8 ~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(dòng)態(tài)調(diào)整多模光纖輸出端的模場(chǎng)分布。
( Z3 k: P7 n$ i7 m! b, N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(gè)通道的數(shù)據(jù)速率超過(guò)300 Gb/s。" G/ E2 b" c3 ?

9 _% Q. z+ n( Y" {6 M! Y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。3 f( k$ O% @9 v- y1 l/ o
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(shí)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。
: B( T  S4 N# M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(dòng)電壓的優(yōu)點(diǎn)。
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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。- W' r  u. M+ I8 Y( v
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(jì)實(shí)現(xiàn)了高速操作,已證明可在112 Gbaud PAM-4調(diào)制下工作。) G6 Y9 R: O  m# g8 w9 b$ Y7 v7 N
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(shí)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(hào)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);谖h(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(guò)300 Gb/s每通道的數(shù)據(jù)速率。
1 c6 S" I" ~! }  ^5 ~這些發(fā)展對(duì)滿足數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)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。
9 t& s3 {' i7 _+ k& I* U硅基光電子技術(shù)的未來(lái)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(kāi)發(fā)更高效的光源和探測(cè)器。
  • 擴(kuò)展波長(zhǎng)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(kāi)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(jì)算等新興領(lǐng)域的應(yīng)用。
  • 研究光電共封裝技術(shù),實(shí)現(xiàn)更緊密的光電集成。
  • 開(kāi)發(fā)適用于5G及未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的硅基光電子解決方案。
  • 改進(jìn)設(shè)計(jì)工具和仿真軟件,加速硅基光電子器件和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。[/ol]
    ! Q6 I5 A' V1 E$ h( a, q% `這些進(jìn)展將推動(dòng)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(jì)算和其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,為未來(lái)的信息技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)大支持。
    4 b8 \3 q/ V1 e' d' r* ?
    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.. S5 y, F- M% ^- k2 s

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    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(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。8 z- Q! ]8 t& Z4 q0 z8 ^" ~3 \

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