新突破！中山大学研制出低损耗、高集成度的硅基电光调制器

日前，中山大学电子与信息工程学院/光电材料与技术国家重点实验室蔡鑫伦教授、余思远教授课题组与华南师范大学华南先进光电子研究院刘柳教授课题组合作，研制出大带宽、低损耗、高效率、高集成度的硅基电光调制器。该成果以“High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit s−1 and beyond”为题，于2019年3月5日发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）。Nature Photonics杂志审稿人高度评价“该论文的工作是硅基光子学领域的一个巨大进步，对未来光通信、量子计算以及仿神经光子集成的研究将产生重要影响”。

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在各级信息互连网络中占据了核心地位，甚至在微电子模块和芯片之间以及芯片内部，以集成光波导为通道的光互连也日益成为重大技术方向。基于硅材料的硅基光电子器件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竞相研发的研究领域，具有深远战略意义。

据介绍，电光调制器是实现硅基光电集成及其应用的最核心器件之一，其基本功能是实现信息从电域向光域的转换。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，但是受限于硅材料中的自由载流子效应，传统硅基电光调制器的信号质量、带宽、半波电压、插入损耗等关键性能参数受限，其性能提升日益遭遇物理原理瓶颈。

为了解决这一难题，本研究团队通过在硅基芯片上混合集成具有优越线性电光效应的铌酸锂薄膜材料，充分发挥硅和铌酸锂这两种重要光子学材料各自的优势，实现了创新的“硅与铌酸锂混合集成电光调制器”。该器件实现了远超传统纯硅电光调制器的调制带宽(>70 GHz，达到现有测试系统极限）、创纪录的低插入损耗(<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、超过了当今世界一流水平，表现出优越的综合性能。Nature Photonics杂志审稿人高度评价“该论文的工作是硅基光子学领域的一个巨大进步，对未来光通信，量子计算以及仿神经光子集成的研究将产生重要影响”。

在硅基光子平台上混合集成电光调制材料技术，是目前世界各主要国家正在集中攻关的高价值核心技术，竞争极其激烈。该器件的研发历时五年，研究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条件，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。

该项工作得到国家自然科学基金重大项目课题、优秀青年基金项目、广东省创新团队项目以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。