近日，北京大學(xué)電子學(xué)院的王興軍教授、彭超教授和舒浩文研究員聯(lián)合團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)令人矚目的突破，成功實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)到110GHz的純硅調(diào)制器。這一成果在《科學(xué)·進(jìn)展》雜志上在線發(fā)表，題為《110GHz帶寬慢光硅調(diào)制器》。

這項(xiàng)突破具有重要意義。自2004年英特爾在《自然》雜志上報(bào)道了首個(gè)1GHz硅調(diào)制器以來，國際上首次實(shí)現(xiàn)了純硅調(diào)制器帶寬超過100GHz的突破。這對于加速光電子領(lǐng)域的發(fā)展，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。


110GHz純硅調(diào)制器問世

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，全球數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)式增長，而硅基光電子技術(shù)是光通信系統(tǒng)的未來。硅基調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)電信號向光信號的功能轉(zhuǎn)換，而且它的優(yōu)點(diǎn)多多，包括低成本、高集成度、CMOS工藝兼容等。所以，它是完成片上信息傳輸與處理的關(guān)鍵有源器件，就好比是光通信的“變形金剛”。

然而，硅基調(diào)制器帶寬一直以來都有一個(gè)問題，帶寬相對較小，一般為30-40GHz。這意味著它難以適應(yīng)未來超過100Gbaud通信速率的需求，成為硅基光電子學(xué)在高速領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)瓶頸。這就好比是一輛跑車無法在高速公路上發(fā)揮最大速度，但王興軍教授和他的團(tuán)隊(duì)找到了解決之道。

他們采用硅基耦合諧振腔光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，引入了神秘的“慢光效應(yīng)”，構(gòu)建了完整的硅基慢光調(diào)制器理論模型。然后，通過合理調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)，他們深度優(yōu)化了調(diào)制器性能。這就好比是他們?yōu)檫@輛跑車裝上了一臺超級引擎，使它可以在高速公路上自由馳騁。

王興軍教授興奮地介紹，這個(gè)純硅調(diào)制器有很多超贊的特點(diǎn)，包括超高帶寬、超小尺寸、超大通帶以及互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）集成工藝兼容等。它不僅滿足了未來超高速應(yīng)用場景對超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩(wěn)定性及晶圓級生產(chǎn)等需求，還為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應(yīng)用提供了重要關(guān)鍵技術(shù)支撐。它就好比是未來光通信系統(tǒng)的一顆明亮星星，照亮了我們通信的未來。

110GHz是如何實(shí)現(xiàn)的？

據(jù)介紹，電光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)硅基光電集成及其應(yīng)用的最核心器件之一，其基本功能是實(shí)現(xiàn)信息從電域向光域的轉(zhuǎn)換。

研究團(tuán)隊(duì)在超高速純硅調(diào)制器方面取得的創(chuàng)記錄的突破，實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)電光帶寬達(dá)110GHz的純硅調(diào)制器，這是硅基光電子領(lǐng)域的重大突破，對于未來的光通信系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)傳輸、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

研究團(tuán)隊(duì)在純硅材料體系下，設(shè)計(jì)并制備了在1550納米左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)了110GHz的超高電光帶寬，創(chuàng)造了純硅調(diào)制器的帶寬上限。同時(shí)，這一調(diào)制器將調(diào)制臂尺寸縮短至百微米數(shù)量級，以簡單二進(jìn)制振幅鍵控調(diào)制格式實(shí)現(xiàn)了單通道超過110Gbps的高速信號傳輸，極大地降低了算法成本與信號延遲，同時(shí)在寬達(dá)8納米的超大光學(xué)通帶內(nèi)保持多波長通信性能的高度均一性。

這一成果展示了硅基光電子學(xué)在下一代超高速應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價(jià)值。該項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人王興軍表示：“研究團(tuán)隊(duì)在不引入異質(zhì)材料與復(fù)雜工藝的前提下，實(shí)現(xiàn)了硅基調(diào)制器帶寬性能的飛躍，未來還可實(shí)現(xiàn)低成本晶圓級的量產(chǎn)。”這一成果的突破，使得硅基光電子學(xué)在下一代高速通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用的可能。


純硅調(diào)制器的發(fā)明意義重大

我們國家在超高速以及超大容量的信號傳輸設(shè)備上一直都缺乏核心關(guān)鍵設(shè)備，這既面臨著西方國家的技術(shù)壟斷，也面臨著隨時(shí)被人家卡脖子的問題，更為關(guān)鍵的一點(diǎn)，在信號傳輸方面，畢竟涉及到信號保密安全的問題，安全風(fēng)險(xiǎn)不容小覷。

這一成果不僅在技術(shù)上具有重大意義，還為未來數(shù)據(jù)中心和光通信的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持；并為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應(yīng)用提供了重要關(guān)鍵技術(shù)支撐。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)有望在未來得到廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步推動數(shù)據(jù)中心和光通信領(lǐng)域的發(fā)展。

具體來說，首先，110GHz的調(diào)制速率將大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群腿萘?，滿足日益增長的數(shù)據(jù)需求。其次，純硅調(diào)制器的制造成本相對較低，可以大規(guī)模生產(chǎn)，降低了光通信系統(tǒng)的整體成本。此外，純硅調(diào)制器的穩(wěn)定性和可靠性也得到了顯著提升，為光通信系統(tǒng)的長期運(yùn)行提供了保障。

北大的這一成果引起了全球光通信領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和贊譽(yù)。業(yè)內(nèi)專家表示，該純硅調(diào)制器的問世將推動光通信技術(shù)的發(fā)展，為未來的智能城市、物聯(lián)網(wǎng)和5G通信等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，這也彰顯了我國在光通信領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力和創(chuàng)新能力。我們相信，在這一領(lǐng)域的不斷努力和探索下，硅基光電子技術(shù)將不斷突破自我，把信息通信技術(shù)帶入新的高峰。