硅基光子晶体慢光调制器

逍遥设计自动化

引言
随着人工智能和物联网应用推动数据中心和高性能计算需求的增长，光互连技术在减少电路损耗方面发挥着关键作用。硅基光电子技术因与成熟的电子工艺兼容，已成为有效的集成平台。本文探讨了同时实现高速度和低功耗的硅基光子晶体慢光调制器的最新进展[1]。
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工作原理和器件结构
核心创新在于利用具有低群速度的光子晶体波导（PCW）实现慢光效应，增强光学效果。慢光效应使VπL与群折射率ng成比例降低，同时减小相移器的长度和电容Cpn。图1展示了分布式电极硅基PCW慢光马赫-曾德尔调制器（MZM）的结构。

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图1：展示了(a)分布式电极硅基PCW慢光MZM布局，(b)电极的电路模型，(c)共面波导的集总π模型，(d)单元电路模型，(e)带/不带电感的模拟特性阻抗，(f)计算的总电极长度，以及(g)可实现的带宽。

p-n掺杂相移器被分成N个长度为lseg的段。相移器在载流子损耗模式下采用反向偏置工作，避免载流子瞬态引起的带宽限制。在分段相移器之间插入布线电感LH，形成类似分布式常数线路的LC阶梯结构。

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$ Q& o, ~5 V, n" \8 P  ~器件实现与制造
原型器件在兼容CMOS的300毫米硅绝缘体（SOI）工艺中制造，包括电极在内的尺寸仅为0.5毫米×0.6毫米=0.3平方毫米。图2提供了已实现结构的详细视图。
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$ v4 Y, b; R: S. g图2：器件实现示意图，包括(a)器件显微照片，(b)相移器放大视图，(c)PCW结构示意图，以及(d)测得的光学传输谱。

  _2 Z* z/ R+ P% y' t$ k通过电磁场分析，将共面波导的导线宽度和间隙分别设置为8和6微米，以实现ZH=55欧姆。晶格常数设为a=404纳米，孔径d=230纳米，以获得C波段光子带隙。p型和n型掺杂浓度分别设为NA=9.5×101?厘米?3和ND=1.0×101?厘米?3，以平衡光学损耗和调制效率。
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性能表征
. b: B# X( n( `- w& F0 f: e通过阻抗测量和信号传输实验对器件性能进行了表征。图3展示了阻抗测量装置和结果。
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图3：阻抗表征，显示(a)测量装置，(b)反射系数结果，以及(c)输入阻抗分量。
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信号传输测试使用连续波可调谐激光器作为光源，马赫-曾德尔干涉仪在正交点或深5 dB处偏置。图4展示了完整的传输结果。
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图4：背靠背信号传输结果，显示(a)50-Gbaud和(b)64-Gbaud无DSP运行的眼图和误码率估计，以及(c,d)采用5抽头均衡的结果。
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! C0 A8 o& I5 U) d8 ?3 g该器件实现了64 Gbps运行，驱动电压低至0.87伏，与鳍式场效应晶体管（FinFET）兼容。比特能量达到59 fJ/bit，与微环调制器相当，同时保持更宽的6纳米工作光谱，无需温度控制。

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! f4 y5 b8 Q: _% J1 }+ y实验装置
测量装置采用精密仪器对器件性能进行全面表征。图5详细说明了实验配置。

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图5：背靠背信号传输实验的完整测量装置，显示光路和电路路径。
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实验使用输出功率为13 dBm的连续波激光器，配合脉冲图形发生器和多路复用器产生50或64-Gbaud NRZ信号。调制后的光信号通过掺铒光纤放大器放大，利用带通滤波器去除自发辐射噪声。
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/ c2 E3 m* Q* y; G+ \3 t; l4 A性能比较和应用前景
' k! a" G! Z$ t2 L* X  I: i该器件实现了以下关键技术指标：

低电压操作：0.87伏驱动电压实现与FinFET直接兼容，无需额外电放大器。

高速性能：在保持信号质量高于软判决前向纠错阈值的同时，实现64 Gbps操作。

能量效率：在64 Gbps下实现59 fJ/bit的比特能量，接近微环调制器效率，同时提供更宽的波长容限。

热稳定性：6纳米工作光谱消除了温度控制需求，降低了系统复杂度和功耗开销。
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这种技术在硅基上展示的结构优势可扩展到其他材料平台，特别是当相移器长度可以缩短且结深电容可以通过慢光效应最小化时。例如，具有慢光增强的薄膜铌酸锂调制器可以通过类似的电极工程方法来克服现有性能指标之间的权衡。
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在数据中心和高性能计算应用中，这项技术对解决下一代数据基础设施的功耗挑战具有重要意义。CMOS兼容性、紧凑尺寸（0.3平方毫米）和稳健的性能指标使这种方法适合在商业系统中大规模部署。
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未来研究方向
基于当前的研究成果，硅基光子晶体慢光调制器的发展还有多个重要研究方向：

损耗优化：通过优化掺杂分布和器件结构，预计可以进一步降低当前约8 dB的相移器损耗。这对提高系统整体性能尤为重要。

工作光谱扩展：通过采用晶格移位光子晶体波导技术，可以在保持恒定群折射率的情况下覆盖整个C波段。这将显着提升器件在实际通信系统中的应用价值。

材料集成：虽然本文主要讨论了硅基平台，但这种结构设计理念也适用于其他材料系统。例如，在薄膜铌酸锂平台上应用类似的电极工程方法，有望实现更高的调制效率。
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总结
新型硅基光子晶体慢光调制器在多个关键性能指标上取得突破：
" d( c6 X4 k8 f实现了64 Gbps的高速调制
9 T8 B. |9 {: b0 p* A3 P3 J5 w, H驱动电压低至0.87伏
, ]4 `4 n% t: C$ |( N3 ?4 R; C比特能量仅为59 fJ/bit
6 N/ }8 T% K# m2 u' ]工作光谱达6纳米，无需温度控制
: l5 L) _$ X! p) ]" U+ X% j4 P* n紧凑的器件尺寸（0.3平方毫米）

相比传统硅基马赫-曾德尔调制器数皮焦焦耳/比特的能耗，这些指标显示出显着优势。同时，与微环调制器相比，更宽的工作光谱消除了温度控制需求，降低了系统复杂度。

参考文献
[1] K. Kawahara, T. Tsuchizawa, N. Yamamoto, Y. Maegami, K. Yamada, S. Hara, and T. Baba, "High-speed, low-voltage, low-bit-energy silicon photonic crystal slow-light modulator with impedance-engineered distributed electrodes," Optica, vol. 11, no. 9, pp. 1212-1219, Sep. 2024.
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