突破信息传输带宽和能耗极限的“新曙光”

云脑智库 2021-05-12 00:00




在信息技术飞速发展的当下,以光电子器件与芯片为代表的物理硬件技术在海量信息传输中正扮演越来越重要的角色。中山大学研究团队通过异质集成技术将硅基芯片和铌酸锂薄膜材料结合在一起,创新研发出硅与铌酸锂异质集成电光调制芯片,并在此基础上研制了超高速、低电压、低损耗的铌酸锂薄膜电光调制器,为信息技术的可持续高速发展带来新的曙光。



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迄今为止人类历史上经历了三次工业革命,最近一次的信息技术革命对人类社会的发展产生了极为深远的影响。作为所有行业效率的倍增器,信息技术已从根本上改变了人们的生产方式和生活面貌。信息技术发展的根本性需求是信息容量的持续扩展,在5G、物联网、虚拟现实以及人工智能等新一代信息技术推动下,人类和机器产生的全部信息以每年约60%的速率(2dB/年)增加,在未来15年内可能增长至目前的1000倍。

在现代信息系统中,人类和机器产生的信息几乎都在某个阶段以光的形式存在和传播。以光波为载体、光纤为通道的光互连网络不但早已占据了洲际、国际、国内长距离和城域信息互连的统治地位,而且成为包括用户固网宽带接入(光纤入户)、移动接入基站与核心网络之间、数据中心之间、数据中心和超级计算机等内部服务器、处理器之间的各级短距离信息互连网络中的主要手段。甚至在微电子模块和芯片之间以及芯片内部,以集成光波导为物理通道的光互连也逐渐成为重要的技术方向。
未来的光互连技术能否对海量的信息进行及时传输?这是事关信息技术发展是否具有可持续性的根本性问题。而以光电子器件与芯片为代表的物理硬件技术的发展,是解决这一根本性问题的关键所在。电光调制器是实现信息从电域向光域的转换的核心器件,也是突破带宽和能耗两大技术挑战的关键一环。因此,必须研制高速率、低功耗、小尺寸、低成本的集成电光调制器与芯片,以支撑快速增长的光信息互连传输需求。
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有望在电光调制器领域

掀起一场革命的铌酸锂薄膜调制器
铌酸锂具有电光系数大、本征调制带宽大、波导传输损耗小以及稳定性好等优点,一直是最为成功的高速电光调制材料。传统铌酸锂调制器利用钛扩散或者质子交换技术形成低折射率反差的光波导,通过外加电场改变光在铌酸锂波导中传播的折射率,进而改变光的相位,利用马赫曾德尔结构可实现相位调制到强度调制的转换。
早期铌酸锂调制器采用集总电极结构,但受到光波传输的渡越时间以及外电路的电阻电容(RC)时间常数限制,器件调制带宽严重受限。为了突破这种限制,研究人员采用行波电极结构,调制带宽不再受RC时间常数的限制。早在1999年,行波电极铌酸锂调制器的报道带宽就已达到40GHz。然而传统铌酸锂调制器基于低折射率反差的光波导,无法将光场集中在小体积内,难以实现很强的光场与铌酸锂材料的相互作用,因此存在驱动电压高、尺寸大等缺点,电光调制带宽也很难进一步提升。
最近两年来,得益于单晶铌酸锂薄膜的材料和加工工艺的突破,人们有希望在铌酸锂薄膜材料上实现“高折射率反差”光波导,这种高折射率反差波导可以支持非常紧凑的亚微米尺度光波导,因此铌酸锂薄膜调制器电极的间距可以比传统器件小很多,相同电压条件下获得的电场强度也要强很多,如图1所示。此外,可以通过设计铌酸锂薄膜中二氧化硅掩埋层的厚度,来获得光波和微波速度的完美匹配。由于以上优势,铌酸锂薄膜材料不但保留了传统铌酸锂材料的所有优点,而且可以克服其所有的缺点。哈佛大学团队利用铌酸锂薄膜材料实现了超高电光带宽、超低的驱动电压以及超低光学损耗的电光调制器,展现了这一材料极为优越的性能,有望在电光调制器领域掀起一场革命。

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创新的硅与铌酸锂

异质集成电光调制芯片
虽然铌酸锂薄膜调制器表现出非常杰出的性能,但是它仍然是分立光学器件。过去的几十年里,为了满足大容量光通信和光互连对更低功耗、更高密度和更高数据传输的需求,光子集成技术应运而生。如图2所示,光子集成技术的概念要求单一芯片或技术平台具有更高速度、更多元器件数目以及实现更多有源和无源功能。

基于硅材料的硅基光电集成是目前最重要的光子集成技术。硅基光电集成就是将光发射器、耦合器、调制器、波导以及探测器等有源无源光子学元器件制备在同一个硅基体上,不仅具有与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的成本优势,还可以实现低能耗、高密度的光电集成,有望在大容量、大带宽、低成本的信息互连技术方面发挥重要作用,是目前国际学术界和产业部门研发的重点领域,具有深远的战略意义。尽管经过多年探索,硅基电光调制器的性能得到很大的提升,但是因为硅材料中的自由载流子效应,传统纯硅电光调制器的信号质量、带宽、半波电压和插入损耗等关键性能参数受限,其性能提升遭遇物理原理瓶颈,这也是相关技术发展所面临的一项重大挑战。

为了应对这一挑战,中山大学与华南师范大学合作,通过异质集成技术将硅基芯片和铌酸锂薄膜材料结合在一起,实现了创新的“硅与铌酸锂异质集成电光调制芯片”。这一方案充分发挥硅和铌酸锂这两种重要光子学材料各自的优势,既保留了硅基器件的高集成度和低成本的特点,又引入了铌酸锂材料的高带宽和低损耗的调制性能。该器件实现了远超传统纯硅电光调制器的调制带宽(大于70 GHz,达到现有测试系统极限)、创硅基调制器纪录的低插损(小于2.5 dB)、高于传统铌酸锂调制器4倍以上的调制效率(2.2 V·cm),并具有高线性度、高集成度以及低成本等优异特性,其加工方法与标准CMOS工艺可后端兼容。器件进一步演示了112 Gbps超高数据调制速率以及170 fJ/bit的低功耗,其各项指标达到或超过了当今世界一流水平,表现出优越的综合性能。
该研究成果以长文的形式在2019年在线发表于《自然•光子学》(Nature Photonics) ,是基本科学指标数据库(ESI)高引论文,并入选“2019年中国光学十大进展”。与此同时,课题团队在2019年IEEE国际电子器件会议(IEDM2019)等重要国际会议上介绍了相关工作。
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超高速、低电压、低损耗的
铌酸锂薄膜电光调制器
在取得“硅与铌酸锂异质集成电光调制芯片”创新成果的基础上,中山大学课题团队与武汉邮电科学研究院同行合作,研制出超高速、低电压、低损耗的铌酸锂薄膜电光调制器,器件的半波电压为2.6 V,调制带宽大于56 GHz, 光学损耗小于2dB。利用该器件,结合自主开发的奈奎斯特整形和自适应均衡算法,成功演示了单通道120Gb/s NRZ和220Gb/s PAM4高速光信号的产生,实现了目前国际上基于铌酸锂材料的最高调制速率,为下一代超高速光收发芯片提供了可行方案。
研究成果在2019年欧洲光纤通信展览会(ECOC 2019)上以PDP形式(即在截稿日期之后被接收的论文)发表。这是本届大会20篇PDP中唯一一篇来自中国的论文,也是中国大陆在光芯片领域的首篇ECOC PDP论文。成果发表后,国际同行给予了正面评价,多次被作为领域的代表性进展重点引用。其中,比利时根特大学罗埃尔•贝茨(Roel Baets)教授(美国电子电气工程师学会、美国光学学会、美国地球物理学会会士,比利时科学院院士)在《先进光子》(Advanced Photonics)上发表了题为《硅基光子集成中的高速相位调制:铌酸锂材料的新角色?》(High speed phase modulators for silicon photonic integrated circuits: a role for lithium niobate? )的评论文章,将课题团队所取得的创新成果作为领域代表性进展重点评论,指出课题团队将铌酸锂材料通过异质集成的方法引入到硅基光子平台,明显地改善了硅基电光调制器的性能,为低电压、高速率硅基电光调制器的研制铺平了道路;美国加州大学圣芭芭拉分校约翰•鲍尔斯(John Bowers)教授(美国电子电气工程师学会、美国光学学会、美国物理学会会士,美国工程院院士)在其硅基异质集成可调谐激光器的论文(IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2020,26,1)中,认为相关工作提供了一种在硅基平台高速调制相位的方法,是彻底解决硅基异质集成激光器切换速度和热串扰问题的途径之一。
在硅基光子平台上异质集成电光调制材料技术,是目前世界各国集中攻关的高价值核心技术,竞争极其激烈。该器件的研发历时5年,课题团队逐一攻克了铌酸锂材料的低损伤干法刻蚀工艺、硅与铌酸锂薄膜大面积键合工艺、硅和铌酸锂光波导的高效耦合方法以及大带宽行波电极的设计等关键技术,所有材料与加工工艺完全依靠国内自主的技术和设备,具备完全的自主知识产权。这些成果的取得标志着我国在核心硅基光子集成器件和芯片的研究上已经达到国际领先水平,为我国打破国外技术垄断,实现超高速、超大容量信号传输和处理技术的革命性变革打下重要基础。目前国际上关于异质集成电光调制器的研究刚刚起步,作为全新的光子集成技术,技术壁垒尚未形成,而我国已经在相关研究方向上形成了明显的优势,这使得国内相关行业拥有足够多的研发时间和足够大的市场空间。为了进一步形成长板优势,国家重点研发计划“基于高集成度光子芯片的光传输系统”项目于2019年成功立项,项目将联合国内优势单位,立足于国内自主工艺,掌握硅-铌酸锂异质集成电光调制器从材料、器件到系统应用的全套核心技术,为我国未来信息技术的可持续高速发展提供战略性技术储备。
致谢:感谢国家重点研发计划项目“基于高集成度光子芯片的光传输系统” (项目编号:2019YFB180066)、国家自然科学基金重大项目课题“光子态的产生及其时空特性的调控”(课题编号:11690031)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2020年4月刊。

专家简介
蔡鑫伦教授,中山大学光电材料与技术国家重点实验室,电子与信息工程学院

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