集成電光調(diào)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這樣的調(diào)查：光通信系統(tǒng)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(dǎo)體激光器”。光電探測(cè)器可能會(huì)是少數(shù)人的答案。至于電光調(diào)制器…不一定都聽說過。

  實(shí)際上，電光調(diào)制器是把電子信號(hào)加載至光載波上的關(guān)鍵功能器件。對(duì)光通信鏈路、特別是需求高速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)(Data Centre Interconnect , DCI)鏈路來說，它的性能不僅決定了發(fā)射光信號(hào)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(diào)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(tuán)隊(duì)撰寫電光調(diào)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(tǒng)使世界互聯(lián)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

  電光調(diào)制器簡(jiǎn)史

  在長(zhǎng)達(dá)30年的時(shí)間里，鈮酸鋰晶體鈦擴(kuò)散波導(dǎo)電光調(diào)制器是長(zhǎng)距離高數(shù)碼率光通信系統(tǒng)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(yīng)(Electro-Optic Effect , 又稱Pockels效應(yīng))，通過施加電場(chǎng)導(dǎo)致折射率變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)制。鈮酸鋰晶體對(duì)光通信波段波長(zhǎng)完全透明，具有極低的插入損耗。Pockels效應(yīng)產(chǎn)生純相位調(diào)制而沒有寄生振幅調(diào)制，且該效應(yīng)本身幾乎沒有響應(yīng)速度限制。其基本性能參數(shù)為半波電壓-長(zhǎng)度積，即獲得Π相位調(diào)制所需的電壓與傳播長(zhǎng)度之乘積。

  將電光相位調(diào)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(gòu)建振幅調(diào)制器，并進(jìn)一步構(gòu)建復(fù)雜的正交相位(IQ)調(diào)制器等面向相干光通信的器件。鈮酸鋰晶體馬赫-曾德調(diào)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(diào)制器模塊長(zhǎng)度達(dá)10 cm以上，驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)5-6 V，器件本身(50Ω 特征阻抗匹配)功耗即達(dá)～0.5 W，驅(qū)動(dòng)電路模塊功耗往往高達(dá)數(shù)瓦。由于光波與調(diào)制電信號(hào)的傳播速度適配問題，較長(zhǎng)的器件長(zhǎng)度也不利于提高調(diào)制帶寬。Z切鈮酸鋰晶體電光調(diào)制器降至CMOS兼容的電壓范圍(～3 V)，長(zhǎng)度降低至5 cm以下，器件本身及驅(qū)動(dòng)電路模塊功耗大幅度下降，但對(duì)于光互連鏈路仍然太高。

  因此光互連鏈路大量采用對(duì)激光器驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行直接調(diào)制。直接調(diào)制具有簡(jiǎn)單、低成本的特點(diǎn)，但是信號(hào)碼率受到激光器調(diào)制帶寬限制，并且往往伴隨顯著的寄生頻率調(diào)制，即所謂“啁啾(Chirp)效應(yīng)”。隨著數(shù)據(jù)碼率的劇增，直接調(diào)制已經(jīng)不能滿足信號(hào)碼率、信號(hào)質(zhì)量和復(fù)雜調(diào)制格式的要求。

圖2 鈮酸鋰晶體(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

圖3 鈮酸鋰電光調(diào)制器(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

  激光器與電致吸收(Electro-absorption)調(diào)制器單片集成的外調(diào)制激光器(EML)提供了部分解決方案。EA調(diào)制器是光強(qiáng)度調(diào)制器。其工作原理是半導(dǎo)體材料能帶間隙隨電場(chǎng)的變化(半導(dǎo)體材料的Franz-Keldish效應(yīng)或量子阱結(jié)構(gòu)的Quantum Confined Stark Effect, QCSE)導(dǎo)致半導(dǎo)體對(duì)光子能量接近但略低于能帶間隙的光波長(zhǎng)吸收系數(shù)變化。EA調(diào)制器具有尺寸小、驅(qū)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(diào)制即啁啾效應(yīng)較大、對(duì)波長(zhǎng)較為敏感和飽和光功率受限的缺點(diǎn)?；赒CSE也可對(duì)光子能量低于且較遠(yuǎn)離能帶間隙的光波實(shí)現(xiàn)寄生幅度調(diào)制較小的相位調(diào)制、并進(jìn)一步構(gòu)建MZM強(qiáng)度調(diào)制器和相干調(diào)制器。

  近年來，隨著硅基光子(Silicon Photonics, SiPh)集成技術(shù)的崛起，基于硅材料的電光調(diào)制器作為硅基光子集成芯片的核心部件開始進(jìn)入光互連鏈路實(shí)用。絕大多數(shù)硅基電光調(diào)制器都基于自由載流子等離子體效應(yīng)(Free Carrier Plasma Effect)，即在半導(dǎo)體中注入自由載流子時(shí)，半導(dǎo)體折射率將發(fā)生變化，因而實(shí)現(xiàn)光相位調(diào)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(yīng)電光相位調(diào)制器具有一定程度的寄生振幅調(diào)制，不但導(dǎo)致額外插入損耗，在進(jìn)一步構(gòu)建MZM強(qiáng)度調(diào)制器時(shí)并可能影響調(diào)制信號(hào)的消光比，需要在設(shè)計(jì)時(shí)仔細(xì)優(yōu)化。這一問題也對(duì)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的高階、相干調(diào)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(yīng)調(diào)制器的調(diào)制速度或數(shù)據(jù)碼率上限。

  如何避免硅基自由載流子等離子體電光調(diào)制器的缺點(diǎn)、進(jìn)一步提高硅基光子芯片發(fā)射光信號(hào)的質(zhì)量、數(shù)碼率，并實(shí)現(xiàn)頻譜效率更高的復(fù)雜調(diào)制格式，是一個(gè)主要技術(shù)挑戰(zhàn)。近年來，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(gòu)建的電光調(diào)制器嶄露頭角。

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

圖片來自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(diào)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(xiàn)有鈦擴(kuò)散波導(dǎo)鈮酸鋰晶體調(diào)制器近30年的實(shí)際應(yīng)用中得到了證實(shí)。相對(duì)于鈦擴(kuò)散形成的弱波導(dǎo)，薄膜波導(dǎo)在保持低插入損耗的同時(shí)具有較強(qiáng)的光限制，可將光波集中于橫截面積約為擴(kuò)散波導(dǎo)十分之一的脊形波導(dǎo)內(nèi)，從而大幅度降低半波電壓-長(zhǎng)度積，降低器件與驅(qū)動(dòng)電路功耗、減小尺寸并有利于進(jìn)一步提高調(diào)制帶寬?；赥FLN的電光調(diào)制器和其他光子器件連續(xù)取得突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了硅基集成，展示了～ 2 V-cm的半波電壓-長(zhǎng)度積、單波長(zhǎng)高達(dá)320 Gb/s的數(shù)據(jù)速率和面向相干光通信的正交相位(IQ)調(diào)制，并已經(jīng)開始商業(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(yuǎn)高于TFLN的Pockels系數(shù)，展示了低于1 V-cm的半波電壓-長(zhǎng)度積，有可能進(jìn)一步大幅度提升電光調(diào)制器性能。硅基集成石墨烯構(gòu)建的電光調(diào)制器具有電致折射率或電致吸收調(diào)制能力，因而可能構(gòu)建電致吸收強(qiáng)度調(diào)制器或相位調(diào)制器。石墨烯調(diào)制器展示了很低的調(diào)制電壓-長(zhǎng)度積，且由于石墨烯具有很高電子遷移率，其響應(yīng)速度可以支持很高的調(diào)制數(shù)碼率?；谶@些新材料的電光調(diào)制器是值得關(guān)注的發(fā)展方向。

  結(jié)語

  電光調(diào)制器作為光通信、光互連鏈路中的關(guān)鍵瓶頸器件，近年來得到越來越多的重視，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(shù)據(jù)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(diào)制器領(lǐng)域最新進(jìn)展。