集成電光調制器：光通信和光互連的關(guān)鍵瓶頸器件

  不知道是否有人在關(guān)心光電子的讀者中做過(guò)這樣的調查：光通信系統中最關(guān)鍵的光電子器件是什么?假如有，大部分人的回答可能是“半導體激光器”。光電探測器可能會(huì )是少數人的答案。至于電光調制器…不一定都聽(tīng)說(shuō)過(guò)。

  實(shí)際上，電光調制器是把電子信號加載至光載波上的關(guān)鍵功能器件。對光通信鏈路、特別是需求高速增長(cháng)的數據中心互聯(lián)(Data Centre Interconnect , DCI)鏈路來(lái)說(shuō)，它的性能不僅決定了發(fā)射光信號的碼率、質(zhì)量和傳輸距離，并且也是光模塊尺寸和功耗的決定性因素。因此，電光調制器是高速光通信鏈路真正的關(guān)鍵瓶頸性器件。

  Advanced Photonics特邀比利時(shí)根特大學(xué)知名學(xué)者Roel Baets率領(lǐng)的硅基光子集成研究團隊撰寫(xiě)電光調制器技術(shù)綜述文章。相關(guān)工作以Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies為題發(fā)表于 Advanced Photonics 2021年第2期，是關(guān)注光通信、光互連技術(shù)發(fā)展者的必讀。

圖1 光通信系統使世界互聯(lián)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò ))

  電光調制器簡(jiǎn)史

  在長(cháng)達30年的時(shí)間里，鈮酸鋰晶體鈦擴散波導電光調制器是長(cháng)距離高數碼率光通信系統的不二選擇。其基本工作原理是基于鈮酸鋰(Lithium Niobate)晶體電光效應(Electro-Optic Effect , 又稱(chēng)Pockels效應)，通過(guò)施加電場(chǎng)導致折射率變化，進(jìn)而實(shí)現光相位調制。鈮酸鋰晶體對光通信波段波長(cháng)完全透明，具有極低的插入損耗。Pockels效應產(chǎn)生純相位調制而沒(méi)有寄生振幅調制，且該效應本身幾乎沒(méi)有響應速度限制。其基本性能參數為半波電壓-長(cháng)度積，即獲得Π相位調制所需的電壓與傳播長(cháng)度之乘積。

  將電光相位調制器置于馬赫-曾德干涉器(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)或其他干涉光路中(例如環(huán)形諧振腔)，即可構建振幅調制器，并進(jìn)一步構建復雜的正交相位(IQ)調制器等面向相干光通信的器件。鈮酸鋰晶體馬赫-曾德調制器(MZM)具有優(yōu)秀的性能，然而其高昂的價(jià)格、較大的尺寸和較高的功耗是高密度、短距離的光互連鏈路不能容忍的。早期的X切鈮酸鋰晶體電光調制器模塊長(cháng)度達10 cm以上，驅動(dòng)電壓達5-6 V，器件本身(50Ω 特征阻抗匹配)功耗即達～0.5 W，驅動(dòng)電路模塊功耗往往高達數瓦。由于光波與調制電信號的傳播速度適配問(wèn)題，較長(cháng)的器件長(cháng)度也不利于提高調制帶寬。Z切鈮酸鋰晶體電光調制器降至CMOS兼容的電壓范圍(～3 V)，長(cháng)度降低至5 cm以下，器件本身及驅動(dòng)電路模塊功耗大幅度下降，但對于光互連鏈路仍然太高。

  因此光互連鏈路大量采用對激光器驅動(dòng)電流進(jìn)行直接調制。直接調制具有簡(jiǎn)單、低成本的特點(diǎn)，但是信號碼率受到激光器調制帶寬限制，并且往往伴隨顯著(zhù)的寄生頻率調制，即所謂“啁啾(Chirp)效應”。隨著(zhù)數據碼率的劇增，直接調制已經(jīng)不能滿(mǎn)足信號碼率、信號質(zhì)量和復雜調制格式的要求。

圖2 鈮酸鋰晶體(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò ))

圖3 鈮酸鋰電光調制器(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò ))

  激光器與電致吸收(Electro-absorption)調制器單片集成的外調制激光器(EML)提供了部分解決方案。EA調制器是光強度調制器。其工作原理是半導體材料能帶間隙隨電場(chǎng)的變化(半導體材料的Franz-Keldish效應或量子阱結構的Quantum Confined Stark Effect, QCSE)導致半導體對光子能量接近但略低于能帶間隙的光波長(cháng)吸收系數變化。EA調制器具有尺寸小、驅動(dòng)電壓低以及可與激光器單片集成的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有插入損耗較高、寄生相位調制即啁啾效應較大、對波長(cháng)較為敏感和飽和光功率受限的缺點(diǎn)?；赒CSE也可對光子能量低于且較遠離能帶間隙的光波實(shí)現寄生幅度調制較小的相位調制、并進(jìn)一步構建MZM強度調制器和相干調制器。

  近年來(lái)，隨著(zhù)硅基光子(Silicon Photonics, SiPh)集成技術(shù)的崛起，基于硅材料的電光調制器作為硅基光子集成芯片的核心部件開(kāi)始進(jìn)入光互連鏈路實(shí)用。絕大多數硅基電光調制器都基于自由載流子等離子體效應(Free Carrier Plasma Effect)，即在半導體中注入自由載流子時(shí)，半導體折射率將發(fā)生變化，因而實(shí)現光相位調制。然而自由載流子同時(shí)也產(chǎn)生附加的光吸收，因此自由載流子等離子體效應電光相位調制器具有一定程度的寄生振幅調制，不但導致額外插入損耗，在進(jìn)一步構建MZM強度調制器時(shí)并可能影響調制信號的消光比，需要在設計時(shí)仔細優(yōu)化。這一問(wèn)題也對實(shí)現更復雜的高階、相干調制格式形成了限制。同時(shí)，載流子有限的注入和掃出的速度，決定了自由載流子等離子體效應調制器的調制速度或數據碼率上限。

  如何避免硅基自由載流子等離子體電光調制器的缺點(diǎn)、進(jìn)一步提高硅基光子芯片發(fā)射光信號的質(zhì)量、數碼率，并實(shí)現頻譜效率更高的復雜調制格式，是一個(gè)主要技術(shù)挑戰。近年來(lái)，多種新型電光材料如聚合物、鐵電材料薄膜如鈮酸鋰、鈦酸鋇(BTO)、鈦鋯酸鉛(PZT)等薄膜乃至石墨烯等二維材料構建的電光調制器嶄露頭角。

圖4 硅基(a)LiNbO3，(b)BTO，(c)PZT和(d)有機物調制器的代表性截面，

圖片來(lái)自Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies

  其中，鈮酸鋰薄膜(Thin Film Lithium Niobate , TFLN)電光調制器得到研究者和產(chǎn)業(yè)界重視。鈮酸鋰材料的高可靠性在現有鈦擴散波導鈮酸鋰晶體調制器近30年的實(shí)際應用中得到了證實(shí)。相對于鈦擴散形成的弱波導，薄膜波導在保持低插入損耗的同時(shí)具有較強的光限制，可將光波集中于橫截面積約為擴散波導十分之一的脊形波導內，從而大幅度降低半波電壓-長(cháng)度積，降低器件與驅動(dòng)電路功耗、減小尺寸并有利于進(jìn)一步提高調制帶寬?；赥FLN的電光調制器和其他光子器件連續取得突破性進(jìn)展，實(shí)現了硅基集成，展示了～ 2 V-cm的半波電壓-長(cháng)度積、單波長(cháng)高達320 Gb/s的數據速率和面向相干光通信的正交相位(IQ)調制，并已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化進(jìn)程。

  電光聚合物、BTO、PZT等適于硅基集成的材料具有遠高于TFLN的Pockels系數，展示了低于1 V-cm的半波電壓-長(cháng)度積，有可能進(jìn)一步大幅度提升電光調制器性能。硅基集成石墨烯構建的電光調制器具有電致折射率或電致吸收調制能力，因而可能構建電致吸收強度調制器或相位調制器。石墨烯調制器展示了很低的調制電壓-長(cháng)度積，且由于石墨烯具有很高電子遷移率，其響應速度可以支持很高的調制數碼率?；谶@些新材料的電光調制器是值得關(guān)注的發(fā)展方向。

  結語(yǔ)

  電光調制器作為光通信、光互連鏈路中的關(guān)鍵瓶頸器件，近年來(lái)得到越來(lái)越多的重視，成為光電集成技術(shù)的重要突破點(diǎn)，為光通信、光互連不斷提高數據傳輸速率、拓展傳輸距離提供關(guān)鍵的支撐。歡迎閱讀Taking Silicon Photonics Modulators to a Higher Performance Level: State of the Art and A Review of New Technologies了解更多電光調制器領(lǐng)域最新進(jìn)展。