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硅基光电子调制器

简介

光调制器是硅基光电子系统中的关键组件，可将电信号转换为光信号，用于高速数据传输。本文概述了光调制机制、关键性能指标以及数据通信应用中硅兼容调制器的最新进展。

调制机制

光调制器中使用的电光效应主要有两类，即电吸收（EA）和电折射。半导体材料中常用的主要电场效应包括：

等离子体色散效应
珀克尔效应
克尔效应
弗朗茨-凯尔迪什效应（FKE）
量子受限斯塔克效应（QCSE）

等离子体色散效应和波克尔效应主要产生电折射，而FKE和QCSE主要产生电吸收。克尔效应可同时产生电折射和电吸收。

关键性能指标

光调制器的性能通过以下几个关键指标进行评估：

消光比（ER）：“开启”和“关闭”状态之间的比率
插入损耗（IL）：调制器引起的光损耗
3 dB 电光带宽：最大调制速度
调制效率（VπLπ）：π相移的电压-长度乘积
基底面：器件尺寸
功耗：调制所需的能量

调制器类型

干涉式调制器

最常见的干涉式调制器是马赫-曾德干涉仪（MZI）。工作原理是将光分成两条路径，至少在其中一条路径上调制相位，然后将它们重新组合。根据图1所示的传递函数，相对相位差决定了输出强度。

图1：基于马赫-曾德干涉仪的调制器和传递函数图

谐振调制器

环形谐振器是一种常见的谐振结构，用于将相位调制转换为振幅调制。通过在环形谐振器中加入相位调制器，可以改变谐振波长，从而调节输出强度，如图2所示。

图2：基于环形谐振器的调制器和传递函数示意图

表1对MZI和环形调制器的关键特性进行了比较：

自由载流子等离子体色散效应调制器

自由载流子等离子体色散（FCPD）效应因其与CMOS工艺的兼容性而被广泛应用于硅调制器。它描述了改变半导体中的自由载流子浓度如何影响折射率的实部和虚部。

利用FCPD效应主要有三种方法：

1. 载流子注入：正向偏置p-i-n二极管以注入载流子

2. 载流子耗尽：反向偏置p-n结以耗尽载流子

3. 载流子累积：使用类似MOS的电容器结构

图3展示了基于自由载流子等离子体色散的调制器的各种波导实现方式：

图3：基于自由载流子等离子体色散的波导调制器

电吸收调制器

电吸收调制器利用了体半导体中的弗朗茨-凯尔迪什效应或量子阱结构中的量子受限斯塔克效应。当施加电场时，这些效应会导致材料的吸收边发生偏移。

图4显示了量子阱结构在施加电场和不施加电场时量子阱结构能带隙的变化：

图4：量子限制斯塔克效应：量子阱和波函数演化（A）无电场和（B）有电场

电吸收调制器通常以PIN二极管的形式集成到波导部分中。它们具有体积小、功耗低、运行速度快等特点。

先进的硅调制器

载流子耗尽型调制器具有最高的数据传输速率，超过100 Gbaud。载流子累积型调制器有望实现高速、紧凑的设计。基于注入的调制器可以实现高数据传输速率，但需要更复杂的驱动方案。

异构集成方法

为了克服硅固有的电光特性的局限性，研究人员正在探索将具有更强电光效应的材料异构集成到硅基光电子平台上。一些有前景的方法包括：

硅上的III-V

III-V材料比硅具有更强的电光效应，包括等离子体效应、带隙填充效应、克尔效应和珀克尔效应。图5显示了这些效应在InGaAsP和硅中的相对贡献：

图5：硅（蓝色）和III-V（红色）材料每伏特的指数变化，显示了InGaAsP中带隙填充、等离子体、克尔和珀克尔效应的相对贡献

硅基III-V调制器具有极高的效率和超过67 GHz的带宽。

硅基有机电光材料

硅-有机混合（SOH）器件将硅基光电子制程与有机材料可调的光学特性相结合。图6展示了SOH马赫-曾德调制器的概念：

图6：SOH电光马赫-曾德调制器的器件概念

SOH调制器的效率极高，电压-长度积低至VπLπ = 0.3 Vmm，能耗仅为几fJ/bit。

硅基石墨烯

石墨烯独特的电子特性使其在集成到硅波导时具有宽带电吸收和电折射特性。图7显示了SOI波导上双层石墨烯结构的光吸收：

图7：SOI无源波导上双层石墨烯在1550 nm处的光吸收随不同载流子迁移率掺杂水平的函数变化

石墨烯调制器的带宽可达39 GHz，调制效率为2.2 dB/V。

硅基铌酸锂

硅基薄膜铌酸锂（TFLN）可实现超低驱动电压、宽带宽和低插入损耗的高性能调制器。图8显示了不同铌酸锂调制器实现的横截面：

图8：锂铌酸盐电光调制器的截面图：（A）传统块状锂铌酸盐；（B）带有蚀刻波导的薄膜锂铌酸盐；（C）绝缘体上硅上的薄膜锂铌酸盐

TFLN调制器的电压-长度产品在1550纳米时达到2Vcm，带宽超过100GHz。

硅基钛酸钡

钛酸钡（BTO）具有已知的最强普克尔效应，系数超过1000 pm/V。图9展示了在硅上外延生长BTO层的制造过程：

图9：在硅芯片上直接制作具有强普克尔效应的外延BTO层

硅基BTO调制器的效率为VπLπ≈0.2 Vcm，带宽超过30 GHz。

调制器驱动器的考虑因素

光调制器的性能与其驱动电子器件密切相关。调制器驱动器的关键考虑因素包括：

带宽和群延迟
电压摆幅和功率效率
电路拓扑（电压模式与电流模式）
驱动器和调制器的协同设计

图10展示了不同驱动电路拓扑结构的示例：

图10：（A）电压模式推挽式驱动器，（B）双端电流模式驱动器，（C）集成了行波调制器的开漏驱动器

结论与未来展望

在过去的几十年里，硅基光电子调制器取得了巨大的进步，从低速器件发展到支持超过100 Gbps的数据速率。目前的研究重点是提高带宽密度和功率效率，以满足数据流量的指数级增长。

虽然利用自由载流子等离子体色散效应的硅基调制器最为成熟且应用广泛，但具有更强电光效应的材料异构集成有望在未来实现性能提升。硅基III-V族材料、有机电光材料、石墨烯、铌酸锂和钛酸钡等方法有望实现更高效、更紧凑、更低功耗的调制器。

这些混合方法能否最终得到采用，取决于能否克服集成方面的挑战，并大规模证明其成本效益。随着研究人员不断突破调制器性能的极限，我们有望迎来更多突破，从而为数据通信应用带来新一代高速、节能的光学互连技术。

参考资料

[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.