Nanophotonics|硅基光电子技术在高速通信中应用的最新进展与未来展望

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引言硅基光电子技术凭借成熟的硅微电子加工基础设施，已成为高速通信领域的重要技术。本文将探讨硅基光电子集成芯片关键组件的最新进展，重点关注波导光栅耦合器、光信号处理器和高速调制器[1]。

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波导光栅耦合器波导光栅耦合器（WGC）是硅基光电子技术中的基础元件，用于光纤和光电子集成芯片之间的接口。最近的研究在耦合效率、带宽和偏振处理方面取得了显著进展。
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图1：优化移位图案覆盖光栅耦合器的横截面视图。
图1展示了使用多晶硅覆盖层的高效率光栅耦合器设计。这种方法可实现亚分贝耦合损耗，同时保持与标准硅基光电子代工工艺的兼容性。多晶硅覆盖层相对于下层硅光栅的移位位置可以精确控制光栅强度和方向性，从而提高耦合效率。
/ k; C; q( g( }- `- |, u最近的进展还开发出了1-dB带宽超过100 nm的宽带光栅耦合器。这比传统设计（通常约30 nm）有显著改进，主要通过使用谐振腔增强结构和镜像对称性实现。
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$ ]# E* |4 I; c; D, ]; x$ n3 I( j图2：宽带波导光栅耦合器。（a） 横截面视图，（b） 显微镜图像，（c） 宽带光栅耦合器的模拟和实验结果。（PDF中的图7）
图2展示了宽带光栅耦合器的设计和性能。谐振腔增强结构和镜像对称性显著扩大了带宽，使这些耦合器适用于粗波分复用（CWDM）通信。
另一项重要进展是多模波导光栅耦合器（MWGC），能够在多模光纤中选择性地激发不同模式通道，用于模分复用（MDM）通信。

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9 k- D2 V# b9 q* @( C图3：多模波导光栅耦合器（MWGC）。（a） 用于少模光纤的高效MWGC示意图。（b） 优化移位图案覆盖MWGC的横截面视图。（c） 光栅亚波长结构的有效折射率与上层多晶硅覆盖层相对下层的移位关系。（PDF中的图8）
  z7 X" S) A7 n% C图3所示的MWGC设计允许多模硅波导与少模光纤之间多个空间模式的高效耦合。这项技术对于实现未来高容量光通信系统中的模分复用非常重要。
光信号处理器光信号处理器在先进的光通信中发挥重要作用，可在光域中执行矩阵运算。与传统的数字信号处理器相比，这些处理器在速度和能效方面具有优势。

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+ T: G$ g5 Q" ?/ m图4：用于矩阵变换的集成处理器。（a） 典型MZI。（b） 具有平衡相移器的MZI。（c） 作为可变分束器的可调谐方向耦合器。（d） 基于微环谐振器的单元用于单一变换。（e） 使用双模慢光波导的可调谐单元。（f， g） 使用（a）-（e）中基本单元的单一变换通用架构。（h） 使用多平面光转换的单一变换。
% f* G8 {- w$ s; i7 G6 w8 [& P  \图4展示了能够执行矩阵变换的各种集成光学处理器设计。这包括传统的马赫-曾德干涉仪（MZI）设计，以及使用微环谐振器和慢光增强周期性双模波导的替代方法。
* c+ i' t$ A' I$ a! P# T最近在光信号处理器方面的进展使多模光场的生成和控制成为可能，这对MDM系统中的模式解扰非常重要。

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图5：用于模式操控的可编程光电子技术。（a） 理论示意图。（b） 用于生成和控制自由空间结构光束的光子处理器。（c） 用于动态控制多模光纤远端模场分布的光子处理器。
( d2 u# _6 V) |' K" i" w# Q6 Q( i图5展示了可编程光子处理器在操控光学模式方面的多功能性。这些处理器可以生成和控制结构光束，并动态调整多模光纤输出端的模场分布。
高速调制器硅基光电子调制器是高速光通信的重要组件。最近的发展将这些调制器的性能推向了新的极限，使单个通道的数据速率超过300 Gb/s。
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" S+ Y2 _7 P6 ]* \图6：330 Gb/s微环调制器（MRM）。（a） 制造的器件，（b） 电光S21，（c） 光学传输，（d） PAM-8误码率。
图6展示了最先进的硅微环调制器（MRM），能够使用PAM-8调制实现高达330 Gb/s的数据速率。MRM的紧凑尺寸和高调制效率使其非常适合集成到多通道光收发器中。
; A! V' S' P4 D+ v另一种有前途的高速调制技术是GeSi电吸收调制器（EAM）。这些调制器具有高带宽、紧凑尺寸和低驱动电压的优点。

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0 D- ]$ Z5 h9 D/ S图7：用于紧凑型硅基光电子收发器的GeSi-EAM和GeSi-光电二极管。（a） 制造的收发器，（b） GeSi-EAM的电光S21，（c） GeSi-PD的光电S21。
/ f) l" l. U8 `5 d图7展示使用GeSi-EAM和GeSi-光电二极管技术的集成收发器。紧凑设计实现了高速操作，已证明可在112 Gbaud PAM-4调制下工作。
0 S% o3 O$ t9 o结论硅基光电子技术的最新进展显著提高了高速光通信关键组件的性能。波导光栅耦合器现在可以实现亚分贝耦合损耗、更宽的带宽，并支持多种模式和偏振。光信号处理器能够在光域中高效执行矩阵运算和模式解扰，为先进调制格式和模分复用技术提供了基础。基于微环谐振器和电吸收效应的高速调制器已经展示了超过300 Gb/s每通道的数据速率。
这些发展对满足数据中心和电信网络日益增长的高数据速率需求非常重要。随着研究的继续，我们可以期待在集成密度、能效和整体系统性能方面取得进一步的改进，从而巩固硅基光电子技术在下一代光通信系统中的地位。
硅基光电子技术的未来发展方向可能包括：

进一步提高器件的集成度和性能，如开发更高效的光源和探测器。

扩展波长范围，探索中红外和远红外波段的应用。

改进制造工艺，提高良品率和一致性，降低成本。

开发新的光电子集成芯片架构，如三维集成和异质集成。

探索硅基光电子技术在量子通信和光计算等新兴领域的应用。

研究光电共封装技术，实现更紧密的光电集成。

开发适用于5G及未来6G网络的硅基光电子解决方案。

改进设计工具和仿真软件，加速硅基光电子器件和系统的开发周期。[/ol]
这些进展将推动硅基光电子技术在高速通信、数据中心互连、传感器、光计算和其他领域的广泛应用，为未来的信息技术发展提供强大支持。
参考文献[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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9 [" n# z+ k4 E7 D深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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