全球首個！從40GHz提升到110GHz，北大教授刷新純硅調制器帶寬記錄
近日，北京大學電子學院的王興軍教授、彭超教授和舒浩文研究員聯(lián)合團隊取得了一項令人矚目的突破，成功實現(xiàn)了全球首個電光帶寬達到110GHz的純硅調制器。這一成果在《科學·進展》雜志上在線發(fā)表，題為《110GHz帶寬慢光硅調制器》。
這項突破具有重要意義。自2004年英特爾在《自然》雜志上報道了首個1GHz硅調制器以來，國際上首次實現(xiàn)了純硅調制器帶寬超過100GHz的突破。這對于加速光電子領域的發(fā)展，將產生深遠影響。
110GHz純硅調制器問世
隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術的大規(guī)模應用，全球數(shù)據(jù)總量呈指數(shù)式增長，而硅基光電子技術是光通信系統(tǒng)的未來。硅基調制器可以實現(xiàn)電信號向光信號的功能轉換，而且它的優(yōu)點多多，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鍵有源器件，就好比是光通信的“變形金剛”。
然而，硅基調制器帶寬一直以來都有一個問題，帶寬相對較小，一般為30-40GHz。這意味著它難以適應未來超過100Gbaud通信速率的需求，成為硅基光電子學在高速領域發(fā)展的一個瓶頸。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隊找到了解決之道。
他們采用硅基耦合諧振腔光波導結構，引入了神秘的“慢光效應”，構建了完整的硅基慢光調制器理論模型。然后，通過合理調控結構參數(shù)，他們深度優(yōu)化了調制器性能。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，這個純硅調制器有很多超贊的特點，包括超高帶寬、超小尺寸、超大通帶以及互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成工藝兼容等。它不僅滿足了未來超高速應用場景對超高速率、高集成度、多波長通信、高熱穩(wěn)定性及晶圓級生產等需求，還為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應用提供了重要關鍵技術支撐。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是如何實現(xiàn)的？
據(jù)介紹，電光調制器是實現(xiàn)硅基光電集成及其應用的最核心器件之一，其基本功能是實現(xiàn)信息從電域向光域的轉換。
研究團隊在超高速純硅調制器方面取得的創(chuàng)記錄的突破，實現(xiàn)了全球首個電光帶寬達110GHz的純硅調制器，這是硅基光電子領域的重大突破，對于未來的光通信系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)傳輸、人工智能等領域的發(fā)展具有重要意義。
研究團隊在純硅材料體系下，設計并制備了在1550納米左右通信波長下工作的超高帶寬硅基慢光調制器，實現(xiàn)了110GHz的超高電光帶寬，創(chuàng)造了純硅調制器的帶寬上限。同時，這一調制器將調制臂尺寸縮短至百微米數(shù)量級，以簡單二進制振幅鍵控調制格式實現(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，同時在寬達8納米的超大光學通帶內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在下一代超高速應用領域的巨大價值。該項研究的負責人王興軍表示：“研究團隊在不引入異質材料與復雜工藝的前提下，實現(xiàn)了硅基調制器帶寬性能的飛躍，未來還可實現(xiàn)低成本晶圓級的量產。”這一成果的突破，使得硅基光電子學在下一代高速通信領域得到了廣泛應用的可能。
純硅調制器的發(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備上一直都缺乏核心關鍵設備，這既面臨著西方國家的技術壟斷，也面臨著隨時被人家卡脖子的問題，更為關鍵的一點，在信號傳輸方面，畢竟涉及到信號保密安全的問題，安全風險不容小覷。
這一成果不僅在技術上具有重大意義，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支持；并為高速、短距離數(shù)據(jù)中心和光通信的應用提供了重要關鍵技術支撐。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等新一代信息技術的不斷發(fā)展，這項創(chuàng)新技術有望在未來得到廣泛應用，進一步推動數(shù)據(jù)中心和光通信領域的發(fā)展。
具體來說，首先，110GHz的調制速率將大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群腿萘浚瑵M足日益增長的數(shù)據(jù)需求。其次，純硅調制器的制造成本相對較低，可以大規(guī)模生產，降低了光通信系統(tǒng)的整體成本。此外，純硅調制器的穩(wěn)定性和可靠性也得到了顯著提升，為光通信系統(tǒng)的長期運行提供了保障。
北大的這一成果引起了全球光通信領域的廣泛關注和贊譽。業(yè)內專家表示，該純硅調制器的問世將推動光通信技術的發(fā)展，為未來的智能城市、物聯(lián)網和5G通信等領域提供強有力的支持。同時，這也彰顯了我國在光通信領域的技術實力和創(chuàng)新能力。我們相信，在這一領域的不斷努力和探索下，硅基光電子技術將不斷突破自我，把信息通信技術帶入新的高峰。
