本文转自：光明日报
作者：王兴军 唐一祎
《光明日报》（ 2024年11月28日 16版）
光明图片/视觉中国
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信息时代，云计算、大数据、人工智能迅猛发展，全球数据总量呈现指数式增长。海量数据传输需要大容量、高速率的传输系统，光通信凭借高带宽、低损耗等优势，成为通信的主要方式之一。在光通信系统中，硅基调制器是信息传输与处理的关键一环，是整个电光信息转换的“心脏”——信息经过这个枢纽来去、流转，高效搭上光的“顺风车”，奔赴不同目的地。
让光信号欢畅“奔跑”
日常生活中很多信息都以电信号的形式出现。例如，人们发送的一条简讯、对着话筒说出的一句话，又或是电视机播放的画面……最初都是搭载着跳动的电流来传递的。但如果想让光承载信息，再通过细细长长的光纤以最快速度传输到目的地，就需要将电信号转变为光信号。若想顺利实现这个转变，硅基调制器是关键一环。
通常来说，传输的原始电信号被称为调制信号。用来接替电信号、搭载信息继续在光链路上前进的光被称为载波，它通常由激光器产生，具有高方向性、高相干性、高能量密度等特点。当硅基调制器将准备传输的信息调制到载波上，便实现了电信号到光信号的转变，调制后携带信息的载波被称为已调信号。该信号一旦形成，便可以欢畅无碍地“奔跑”在光路上，将信息传输到目的地。
那么，中间这个转变的过程，是如何由硅基调制器来实现的呢？
为了与现代成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成工艺兼容，制造高集成度、低成本的光芯片，科学家通常使用硅作为制造调制器的基底材料。硅基调制器最常用的一种机制是硅的载流子色散效应——这种效应是指对掺杂硅施加电压后，硅的载流子浓度会发生变化，从而导致折射率发生变化。基于这种载流子色散效应，科学家们设计出了多种调制器的结构，最常用的一种结构是马赫—曾德尔干涉型硅基调制器（MZM）。为了说明这种调制器的工作原理，我们先假设待传递的信息是一串由0和1组成的二进制序列，相应地，电信号就是在高电平和低电平之间切换的变化电压。
马赫—曾德尔干涉型调制器有两条同样长度的光波导（硅光芯片上让光通行的链路）。将电信号通过金属电极加载到其中一条硅波导（硅材料的光波导）上，其折射率将发生变化。由于光在介质中的传输速度为光速除以折射率，那么光在硅波导中的传播速度也会随着折射率的变化而变化，这就实现了电对光的控制过程。将光载波均匀地分成两束，其中一束光通过加载了电信号的硅波导，而另一束光通过不加电信号的硅波导，让这两束光分别通过各自的波导后再合到一起。由于两束光的传播速度不同，它们合束后，光强大小不再等于分束前的大小。如果选取适当的波导长度，使得在电信号是高电平时合束后的光信号强度是0，在电信号是低电平时合束后的光信号强度是1，那么当电信号变化时，输出的光信号强度也会发生相应的变化，要传输的信息就从电信号上转移到光信号上，整个电光转换过程完成。
光通信领域不可或缺的核心技术
硅基调制器是光通信中信息传输与处理的核心器件，是光电子信息系统的关键组分。要认识硅基调制器的应用价值，可以先从光通信的重要地位讲起。
光通信是用光载波进行信息传输的技术。从诺贝尔物理学奖得主、“光纤之父”高锟提出光纤通信以来，低损耗光纤的发展和波分复用技术的突破，将光通信推到信息通信网络中不可替代的重要位置。近些年来，随着云计算、人工智能、大数据、虚拟现实、物联网等信息技术的大规模应用，全球数据量持续大幅增长，对数据通信链路的速率和容量提出了更高要求。全球咨询机构IDC预测，2024年全年生成的数据量为159.2ZB（1ZB是十万亿亿字节），这个数据量极为惊人。而光通信技术可以构建用于高速数据传输的光通信网络，以满足持续增长的数据需求。如今，具有高带宽、大容量、低损耗、低串扰、低成本等优势的光通信网络，已成为网络通信的主要方式。
作为光通信系统重要的组成部分，硅基调制器具有小尺寸、大通带、低损耗、低成本等优势。它的制造工艺与现有的CMOS集成技术兼容，完善的制造工艺与基础设施能够保证硅基调制器在硅衬底上实现高密度集成、晶圆级大批量生产，不需要重新建立生产线，这大大降低了生产制造的成本。同时，由于它的制造技术与微电子芯片类似，容易和微电子器件集成形成尺寸很小的模块，并组成复杂的系统。
在光通信系统中，硅基调制器与发端的激光器、收端的光电探测器、驱动端的电学电路、中间传输的光纤一起，协同工作实现信号传输。在长距离的光纤传输通信场景中，比如海底铺设光缆的跨洋传输、城市与城市以及国家与国家之间的跨地区通信等，硅基调制器将不同的信号通过波分复用技术调制到不同波长的载波上，能实现大容量、高速率的通信；在短距离传输系统中，比如数据中心内部的数据通信、各数据中心之间的数据交换等大吞吐量数据通信场景中，硅基调制器对信号进行高速调制，将电信号转换成光信号在光纤中进行高速、低延迟、低损耗的数据传输。
除了用于光通信系统，硅基调制器还在其他各种光电子信息系统中发挥着重要作用。
在医疗领域，硅基调制器可以用于医疗设备监控，凭借其低延迟、低损耗的优势，实现高效率、高质量的医疗服务；在音视频信息领域，硅基调制器可以实现视频信号、语音信号的高速传输，甚至能在一秒内下载几十部高清电影，极大满足大众对于高速获取信息的需求；在工业控制领域，传感器采集完数据后，硅基调制器将信息进行调制和传输，能实现高灵敏度、高效率的实时传感、探测与控制；在航空航天领域，也需要用到硅基调制器，借助光纤低损耗、抗腐蚀、抗电磁干扰的优势，实现稳定可靠的数据传输与处理……可以说，硅基调制器已经广泛深入各个领域，承担着电光转换的重要任务，并助力信息处理、传输通信。
近年来，硅基光电子技术发展迅猛。其中，硅基调制器作为核心器件，性能也获得了飞速提升。
2004年，英特尔公司成功研制出首个马赫—曾德尔干涉型硅基调制器。该设备采用金属氧化物半导体（MOS）结构，电光带宽达1GHz。尽管它的调制效率较低，但这一成果标志着硅基光电子技术进入实用化阶段。该公司又于2007年研发出高速MZM调制器，采用了反向偏置载流子耗尽型PN结结构，并利用行波电极大幅提高带宽，达到20GHz，支持30Gbit/s信号传输。同年，IBM公司开发出基于正向偏置PIN结的调制器，实现了更高的调制效率，但其带宽不足。
为了简化制造工艺并提升性能，2011年，有研究团队引入横向PN结结构，通过优化电极设计实现40Gbit/s信号传输。此后，插指型PN结的应用进一步增大光场与耗尽区的接触面积，带来调制效率和速率的双重提升。在2022年的研究中，硅基MZM首次被验证能够在复杂的空间辐照环境中稳定工作，为未来在航空航天领域的应用奠定了基础。
随着带宽需求的快速增长，高阶信号调制技术逐渐成为研究热点。通过串联PN结并采用单驱动结构，研究人员设计出可以传输50Gbit/s信号的单驱动MZM，并通过IQ调制与偏振复用技术，实现112Gbit/s到224Gbit/s的超高速信号传输。这些研究展示了硅基调制器在未来数据中心与骨干通信网络中的巨大潜力。
在对电光带宽的追求上，加拿大麦吉尔大学团队通过创新的分段式电极设计，实现41GHz到67GHz的带宽提升，支持高达360Gbit/s的单波信号传输。与此同时，国家信息光电子创新中心研究团队通过改进制造工艺，将硅衬底掏空以降低损耗，成功制备出60GHz带宽的调制器，可实现高效的PAM-4信号传输，支持800Gbit/s光电混合集成发射机。
从最初的实验室研究到如今的产业应用，硅基调制器已成为光通信领域不可或缺的核心技术。随着技术的持续进步，它将在推动全球信息化进程中发挥更大的作用。
未来的硅基调制器，速率更高、能耗更低、尺寸更小、成本更低
传统的光通信系统大多基于分立器件，体积庞大，不利于集成。硅基光电子学的发展，推动了硅基器件的研究，让我们能在小小的一块芯片上，搭载光通信与信息处理系统。然而，作为核心器件的硅基调制器仍面临许多研究挑战，结构、性能有待进一步探索、提高。
简单来说，硅基调制器主要有以下几个发展趋势：
更高的信号传输速率。随着数据量爆炸式增长，对传输链路的容量要求也越来越高。因此，提高硅基调制器传输速率并通过波分复用等方式实现超大数据传输容量，成为硅基调制器研究的关键任务。
更低的能耗。光电子系统的能耗是其在实际应用中的重要指标，通过优化硅基调制器的设计与工艺提高调制效率、减小信号传输中所需加载的驱动电压，将有效减少通信过程中所需的能耗，并更易于和微电子系统集成。
更小型的尺寸。硅基调制器是硅基光电子系统的重要组成单元，进一步缩小硅基调制器尺寸，能显著减小芯片上系统的总体尺寸。如果能达到微电子器件的尺寸量级，将大幅提高其与超小型微电子器件的尺寸匹配度，有利于实现高密度光电集成。
面向实际应用的产业化与低成本制造。推动硅基调制器真正迈入实用化，需要建设标准化的硅基调制器产业链条，包括设计、工艺、测试、封装等步骤，以实现大规模、低成本的生产制造。
硅基调制器具有高速率、低功耗、小尺寸、低成本等优势，是突破未来光电子信息系统速率、带宽、功耗和尺寸等瓶颈的关键功能单元。我们相信，随着硅基光电子学与产业的快速发展，硅基调制器的性能将会进一步提升，在光通信等信息领域发挥越来越重要的作用。
（作者：王兴军 唐一祎，分别系北京大学电子学院副院长，北京大学电子学院博士研究生）
