具有量子阱翼片的硅基光电子调制器

逍遥设计自动化

引言
硅基光电子调制器是现代光通信网络中的核心组件，用于实现高速数据传输。本文介绍调制器设计的最新进展，特别关注通过量子阱提升性能的技术方案[1]。
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基本架构与工作原理
当代硅基光电子调制器通常采用马赫-曾德尔干涉仪(MZ)结构，配备PN结相移器。
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图1：(a)偏振复用IQ集成硅基光电子调制器芯片的光学显微镜俯视图，(b)波导布局示意图，(c)单个MZ调制器结构图，(d)IQ MZ调制器配置。该图全面展示了现代硅基光电子调制器的各个集成层次。

, [' v4 M; `7 Z) Y7 t2 f! Q4 K2 z$ C基本结构包含一个肋型波导，宽度为500纳米，高度为220纳米，通过自由载流子等离子体效应整合PN结实现相位调制。设计还包括与相移器相连的通道波导，以及用作分束器和合束器的多模干涉仪。
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' \; `' I* P. F- m4 s性能局限与挑战
% J; m8 |+ x- I0 J! D2 E' H硅基光电子调制器面临的主要挑战是调制带宽与光损耗之间的基本权衡。
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3 d  H: q) K: U7 j* \图2：硅基光电子调制器在不同相移器长度和直流偏置条件下的电光频率响应，突出显示了带宽限制。
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% X/ U  T3 q* i提高调制速度的传统方法面临多个限制因素。首先是载流子迁移时间，载流子需要穿过耗尽区，引入响应延迟。其次是速度失配问题，光信号与电信号传播速度的差异影响高频性能。最后是RC耦合的限制，结电容与串联电阻的组合限制了调制带宽。
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量子阱增强设计
. ?$ S0 p3 _7 C6 v在翼片上使用量子阱(QW)结构的新方案为解决这些限制提供了解决方案。
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图3：带有量子阱翼片的肋型波导相移器的示意横截面，展示了Si/SiGe量子阱结构的集成。
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3 a6 @2 g2 ^4 S1 |增强设计采用5纳米Si0.4Ge0.6/Si量子阱结构，在翼片上进行战略性布置，配备100纳米二氧化硅间隙，并通过精心优化波导几何结构维持光限制。该架构通过量子阱区域的高载流子迁移率，实现了降低串联电阻而不增加光损耗的目标，同时保持了良好的调制效率。

性能提升
  r* S7 d  x5 I. P( A" [量子阱增强设计相比传统结构展现出显著的性能优势。
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图4：PN结相移器的数值电光响应（以集总元件电路表示），对比了有无量子阱覆层的器件。

$ y2 Z! h7 @, i9 M5 `5 r通过量子阱结构的创新设计，调制带宽提升至105千兆赫兹，实现了200千兆波特符号速率的突破。更重要的是，该设计保持光损耗约2.9分贝/厘米，实现了相比传统设计带宽提升一倍的优异性能。这种性能提升源于量子阱结构的独特特性，既允许高迁移率载流子传输，又维持光模式限制，有效解决了限制硅基光电子调制器的传统带宽-损耗权衡问题。

量子阱增强设计代表了硅基光电子技术的重要进展，在保持与现有制造工艺兼容的同时，实现了更高的数据传输速率。这种方法为需要提高带宽和改善效率的新一代光通信系统提供了技术支持。本文展示了通过精心设计量子结构来克服光电器件的基本限制，为光通信技术的持续发展提供了新思路。

参考文献
[1] K. Ogawa, "Increase in Modulation Speed of Silicon Photonics Modulator with Quantum-Well Slab Wings: New Insights from a Numerical Study," Photonics, vol. 11, no. 535, Jun. 2024, doi: 10.3390/photonics11060535.
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